DE10239111A1 - System zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases zum Betreiben einer Brennstoffzelle - Google Patents

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Abstract

Ein System dient zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases zum Betreiben einer Brennstoffzelle, aus Edukten, welche zumindest Wasser, ein sauerstoffhaltiges Medium, insbesondere Luft, und einen kohlenwasserstoffhaltigen Ausgangsstoff, insbesondere Benzin oder Diesel, umfassen. Das System weist einen autothermen Reformer, wenigstens eine Hochtemperaturshiftstufe, wenigstens eine Niedertemperaturshiftstufe und wenigstens eine Gasreinigungseinrichtung auf. Abwärme aus wenigstens einer der Shiftstufen erwärmt das Wasser und die Abwärme der Hochtemperaturshiftstufe weitere Edukte und gegebenenfalls Wasser. Zumindest eines der bereits erwärmten Edukte strömt vor dem Eintritt in den autothermen Reformer erfindungsgemäß durch einen Wärmetauscher, welcher zwischen dem autothermen Reformer und der wenigstens einen Hochtemperaturshiftstufe angeordnet und von dem erzeugten Reformat beheizt ist. DOLLAR A Der bevorzugte Einsatzzweck des Systems ist bei einem Hilfsenergieerzeuger (Auxiliary Power Unit/APU) in einem mobilen System, insbesondere einem Kraftfahrzeug, zu sehen, ohne die Erfindung jedoch darauf einzuschränken.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein System zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases zum Betreiben einer Brennstoffzelle, aus Edukten, welche zumindest Wasser, ein sauerstoffhaltiges Medium, insbesondere Luft, und einen kohlenwasserstoffhaltigen Ausgangsstoff, insbesondere Benzin oder Diesel, umfassen, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
  • Ein gattungsgemäßes System ist aus der WO 00/66487 bekannt. Im Bereich einzelner Systemkomponenten, wie einem Hilfsreaktor zum Umsetzen der Abgase der Brennstoffzelle, einer Gasreinigungseinrichtung (PROx), einer Niedertemperaturshiftstufe (LTS) und einer Entschwefelungsstufe (D.5.) sind dabei Wärmetauscher angeordnet. In diesen Wärmetauschern wird Wasser, als eines der Edukte für die Erzeugung des wasserstoffhaltigen Gases erwärmt und verdampft. Zusammen mit den weiteren Edukten (Brennstoff/Luft) gelangt zumindest ein Teil des Wasserdampfs danach in einem Wärmetauscher im Bereich einer Hochtemperaturshiftstufe (HTS) und von dort in den eigentlichen Gaserzeugungsreaktor, z.B, einer Kombination aus partieller Oxidation (POx) und Dampfreformierung (SR).
  • Das dort beschriebene System weist dabei einige Nachteile auf. Ein erster gravierender Nachteil hinsichtlich des zu erzielenden Gesamtwirkungsgrades ist sicherlich darin zu sehen, dass das aus dem Gaserzeugungsreaktor kommende Gas bzw. Reformat durch das Einspritzen von vergleichsweise kaltem Was serdampf, mittels eines sogenannten Wasserquenchs, auf die im Bereich der Hochtemperaturshiftstufe benötigte Temperatur abgekühlt wird. Ein weiterer Nachteil ergibt sich durch die Reihenfolge der durchströmten Wärmetauscher zum Erwärmen/Verdampfen des Wassers, da diese mit dem vergleichsweise heißen Wärmetauscher des Hilfsreaktors beginnt und erst dann zu den sicherlich kälteren Wärmetauschern der Gasreinigung und der Niedertemperaturshiftstufe strömt. Ein letzter Nachteil ist auch in der Zugabe des Brennstoffs vor dem Durchströmen des Wärmetauschers im Bereich der Hochtemperaturshiftstufe zu sehen, da hier die Gefahr besteht, dass ein brennbares Gemisch aller Edukte im vergleichsweise heißen Bereich der Hochtemperaturshiftstufe vorliegt, welches sich ggf. entzünden kann. Um dies zu vermeiden kann, wie es in der WO 00/66487 ebenfalls dargestellt ist, eine getrennte Überhitzung z.B. der Luft und des Wasser/Brennstoff-Gemischs erfolgen. Dies ist jedoch in nachteiligen Weise mit einem sehr hohen apparativen Aufwand, wie z.B. zwei getrennten Wärmetauchern im Bereich der Hochtemperaturshiftstufe verbunden.
    •
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der Erfindung ein System zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases zum Betreiben einer Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art zu schaffen, welches unter Umgehung der oben genannten Nachteile ein System mit verbessertem Gesamtwirkungsgrad darstellt.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genanten Merkmale gelöst.
  • Durch den Wärmetauscher zwischen dem autothermen Reformer und der Hochtemperaturshiftstufe lassen sich sehr hohe Temperaturen der in den autothermen Reformer eintretenden Edukte realisieren. Damit wird der Wirkungsgrad des autothermen Reformers gesteigert. Die dafür benötigte thermische Energie wird dem Reformat entzogen, welches von dem autothermen Reformer zu der Hochtemperaturshiftstufe strömt. Da die Betriebstempe ratur der Hochtemperaturshiftstufe ohnehin mit in etwa 400°C um ca. 300K oder mehr unter der des autothermen Reformers liegt, wird durch den Wärmetauscher zwischen autothermem Reformer und Hochtemperaturshiftstufe einerseits eine Kühlung des Reformats und andererseits eine Überhitzung der Edukte oder zumindest eines Teils der Edukte erreicht. Durch den Verzicht auf einen Wasserquench zur Kühlung des Reformats und die gegenüber dem Stand der Technik weitaus höherer Eintrittstemperaturen in den autothermen Reformer kann der Wirkungsgrad des Gesamtsystems gesteigert werden.
  • Außerdem erlauben die hohen Temperaturen von mindestens 600°C, welche die Edukte Wasser und Luft nach dem Durchströmen des Wärmetauschers zwischen dem autothermen Reformer und der Hochtemperaturshiftstufe haben, dass gemäß einer sehr günstigen Weiterbildung der Erfindung der kohlenwasserstoffhaltige Ausgangstoff, also das Benzin oder der Diesel, in dem heißen Gasstrom zerstäubt und verdampft werden kann. Aufgrund der vergleichsweise kleinen Menge und der relativ zum Wasser kleinen Wärmekapazität des kohlenwasserstoffhaltigen Ausgangsstoffes kann dessen Verdampfung, ohne eine nennenswerte Abkühlung der Edukte zu bewirken, gemäß einer sehr günstigen Weiterbildung der Erfindung erst zwischen dem Wärmetauscher und dem autothermen Reformer erfolgen. Probleme hinsichtlich der Sicherheit und der Gefahr eine frühzeitigen unerwünschten Reaktion der Edukte können so ausgeschlossen werden.
  • Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind zur Erwärmung vom zumindest einem der Edukte im Bereich der Hochtemperaturshiftstufe, zwischen der Hochtemperaturshiftstufe und der Niedertemperaturshiftstufe und im Bereich eines die Abgase der Brennstoffzelle verbrennenden Brenners Wärmetauscher angeordnet.
  • Damit lassen sich die in dem System zur Verfügung stehenden Wärmemengen zur Erwärmung der Edukte ideal nutzen, wobei aufgrund der hohen Wärmekapazität das Edukt Wasser dafür beson ders geeignet ist. Außerdem sind im Bereich der Hochtemperaturshiftstufe und zwischen der Hochtemperaturshiftstufe und der Niedertemperaturshiftstufe, welche üblicherweise bei ca. 200°C betrieben wird, ohnehin Kühlleistungen notwendig, welche sich mit dem Edukt oder den Edukten, insbesondere mit dem Wasser, ideal realisieren lassen.
  • Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das zumindest eine Edukt, insbesondere das Wasser, die Wärmetauscher zumindest teilweise parallel durchströmt und vor dem Eintritt in den Wärmetauscher zwischen autothermem Reformer und Hochtemperaturshiftstufe zusammengeführt ist.
  • Damit lässt sich die Menge an Edukt im Bereich des jeweiligen Wärmetauschers für jeden der parallel durchströmten Wärmetauscher gezielt und individuell einstellen. Dies bietet den Vorteil, dass dadurch auch die damit verbundene Kühlleistung sehr gut eingestellt werden kann, so dass im Bereich jedes parallel durchströmten Wärmetauschers so gekühlt werden kann, wie es der bestmögliche Betrieb der gekühlten oder der der Kühlung nachfolgenden Komponente erfordert.
  • Gemäß einer sehr günstigen Weiterbildung dieser Idee wird das parallel durch die Wärmetauscher strömende Edukt nach dem Durchströmen des jeweiligen Wärmetauschers von einem Transportgasstrom aufgenommen, welcher es dem Wärmetauscher zwischen autothermem Reformer und Hochtemperaturshiftstufe zuführt.
  • Der Transportgasstrom stellt den kontinuierlichen Abtransport des Edukts dabei ebenso sicher, wie eine Durchmischung der einzelnen Eduktströme untereinander, so dass im Bereich des zwischen dem autothermen Reformer und der Hochtemperaturshiftstufe befindlichen Wärmetauschers ein annähernd homogenes Gemisch aus dem Edukt oder den Edukten und dem Medium des Transportgasstroms anlangt.
  • Dieser Transportgastrom ist dabei gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ein Gasstrom eines weiteren Edukts, insbesondere des sauerstoffhaltigen Mediums.
  • Damit wird die ideale Aufnahme und Durchmischung der Edukte, und hier insbesondere der beiden mengenmäßig wichtigsten Edukte, bereits vor dem zwischen dem autothermen Reformer und der Hochtemperaturshiftstufe befindlichen Wärmetauscher erreicht.
  • Entsprechend einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung strömt in die Wärmetauscher im Bereich der Hochtemperaturshiftstufe, zwischen der Hochtemperaturshiftstufe und der Niedertemperaturshiftstufe und gegebenenfalls dem Wärmetauscher im Bereich der Niedertemperaturshiftstufe jeweils ein einer dort erforderlichen Kühlleitung angepasster Volumenstrom an Wasser, während das restliche für die erforderliche Leistung der Brennstoffzelle benötigte Wasser aus dem Wärmetauscher im Bereich des Brenners kommt, wobei die gesamte für den Betrieb erforderliche Wassermenge durch den Wärmetauscher zwischen dem autothermen Reformer und der Hochtemperaturshiftstufe in den autothermen Reformer geführt ist.
  • Durch diese Anpassung der Zudosierung von Wasser werden die idealen Bedingungen für die Kühlung der Einzelkomponenten bzw. Reformatgasströme unabhängig von der benötigten Menge an Wasser erzielt. Die ideale Kühlung und damit der bestmögliche Betrieb der Komponenten ist somit sichergestellt. Das darüber hinaus benötigte Wasser wird durch den Brenner erwärmt/verdampft. Da der Brenner im allgemeinen über eine ausreichend hohe Energie verfügt und gut regelbar ist, entstehen dadurch keine Nachteile. Es ist vielmehr möglich, die Temperatur des Wassers in Abhängigkeit von der Menge so einzustellen, dass such im Bereich des Wärmetauschers zwischen dem autothermen Reformer und der Hochtemperaturshiftstufe die best möglichen Kühlbedingungen für das zur Hochtemperaturshiftstufe weiterströmende Reformat herrschen.
    •
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen sowie aus den nachfolgend anhand der Zeichnung näher dargestellten Ausführungsbeispielen.
  • Dabei zeigen:
  • 1 eine Brennstoffzellenanlage mit einem erfindungsgemäßen System in einer ersten Ausführungsform;
  • 2 eine Brennstoffzellenanlage mit einem erfindungsgemäßen System in einer zweiten Ausführungsform;
  • 3 eine Brennstoffzellenanlage mit einem erfindungsgemäßen System in einer dritten Ausführungsform; und
  • 4 eine Brennstoffzellenanlage mit einem erfindungsgemäßen System in einer vierten Ausführungsform.
  • In 1 ist eine Brennstoffzellenanlage 1 dargestellt. Die Brennstoffzellenanlage 1 umfasst eine Brennstoffzelle 2 sowie diverse Komponenten zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen und kohlenmonoxidarmen Gases zum Betreiben der Brennstoffzelle z. Bei den diversen Komponenten handelt es sich primär um einen autothermen Reformer 3, eine Hochtemperaturshiftstufe 4, eine Niedertemperaturshiftstufe 5 sowie eine Gasreinigungseinrichtung 6. In dem autothermen Reformer 3 und den beiden Shiftstufen 4, 5 wird aus geeigneten Edukten ein wasserstoffhaltiges bzw. wasserstoffreiches Gas erzeugt, welches dann in der Gasreinigungseinrichtung 6 von in ihm enthaltenen Kohlenmonoxid weitgehend befreit wird.
  • Als Edukte können Wasser H2O, eine sauerstoffhaltiges Medium, wie z.B. Luft, und ein kohlenwasserstoffhaltiger Ausgangstoff CnHm, wie z.B. Benzin, Diesel oder ein Kohlenwasserstoffderivat, Verwendung finden. Die Gasreinigungseinrichtung 6 kann beliebig aufgebaut sein, da es hierbei lediglich entscheiden ist, dass der Gehalt an Kohlenmonoxid nach der Gasreinigungseinrichtung 6 weniger als ca. 50 ppm (parts per million) beträgt. Übliche Gasreinigungseinrichtungen 6 sind z.B. selektive Oxidationsstufen, welche Kohlenmonoxid zusammen mit einem sauerstoffhaltigen Medium, dessen Zufuhr in den Figuren beispielhaft durch einen Verdichter 7 angedeutet ist, selektiv zu Kohlendioxid aufoxidieren. Bei dem sauerstoffhaltigen Medium kann es sich insbesondere um Luft handeln, welche in den Zeichnungen nachfolgend mit O2+X bezeichnet ist. Es sind jedoch auch andere Gasreinigungseinrichtungen 6 denkbar, z.B. ein Methanisierungsreaktor, welcher Kohlenmonoxid zusammen mit einem Teil des vorhandenen Wasserstoffs zu Methan umsetzt.
  • Nach dem Durchströmen der Gasreinigungseinrichtung 6 gelangt das wasserstoffhaltige Gas dann zu der Brennstoffzelle 2, z.B. einer PEM-Brennstoffzelle, und wird dort zusammen mit einem sauerstoffhaltigen Medium, z.B. über einen Verdichter 8 zugeführte Luft O2+X, zu elektrischer Energie und Wasser umgewandelt. Dabei werden zwischen der Gasreinigungseinrichtung 6 und der Brennstoffzelle 2 üblicherweise noch Kühler oder dergleichen angeordnet sein, welche für das hier beschriebene System jedoch nicht von Bedeutung sind, weshalb auf ihre Darstellung verzichtet wurde. Das gesamte verbleibende Abgas der Brennstoffzelle 2 wird dann in einem Brenner 9 verbrannt, wobei das Abgas zuvor ebenfalls wieder durch nicht dargestellte Elemente, wie z.B. Wärmetauscher, gegebenenfalls um Wärme von den der Brennstoffzelle 2 zuströmenden Gasen aufzunehmen und diese dabei zu kühlen, Wasserabscheider oder dergleichen, strömen kann. Der Brenner 9 kann sowohl als katalytischer Brenner als auch Flammbrenner, z.B. in Form eines Porenbrenners, ausgebildet sein.
  • Die im Bereich des Brenners 9 anfallende thermische Energie wird über einen Wärmetauscher 10 und, soweit es aufgrund der thermischen und drucklichen Bedingungen noch möglich ist, über einen Expander 11 zurückgewonnen und der Brennstoffzellenanlage 1 wieder zugeführt.
  • Bei sämtlichen Ausführungsbeispielen in den 1 bis 4 ist der Aufbau der Brennstoffzellenanlage 1 analog ausgeführt. Besonderes Augenmerk soll daher im Folgenden auf die Art der Zuführung der Edukte gerichtet sein.
  • In 1 ist zu erkennen, dass das Wasser H2O als eines der Edukte zuerst in einen Wärmetauscher 12 dosiert wird. In diesem Wärmetauscher 12 nimmt das Wasser H2O thermische Energie von dem von der Hochtemperaturshiftstufe 4 zu der Niedertemperaturshiftstufe 5 strömenden Reformat auf. Gleichzeitig kühlt es das Reformat von seinem Temperaturniveau in der Hochtemperaturshiftstufe 4 um ca. 200K auf das in der Niedertemperaturshiftstufe 5 benötigte Temperaturniveau von ca. 200°C. Danach strömt das nun bereits vorgewärmte und gegebenenfalls schon teilweise verdampfte Wasser H2O zu dem Wärmetauscher 10, in welchem es mittels thermischer Abwärme aus dem Brenner 9 weiter erwärmt/verdampft wird. Der weitere Weg des Wassers H2O führt in den Bereich der Hochtemperaturshiftstufe 4, in einen dort integrierten Wärmetauscher 4'. Im Wärmetauscher 4' sorgt es für eine gleichmäßige Kühlung/Temperierung der Hochtemperaturshiftstufe 4, wobei diese sowohl mit einer kontinuierlichen Kühlung über die Strömungslänge, als auch aus mehreren adiabaten Stufen mit Zwischenkühlung ausgebildet sein kann.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 wird das sauerstoffhaltige Medium, wobei es sich hierbei üblicherweise um Luft O2+X handeln wird, über einen Verdichter 13 dem nun überwiegend dampfförmig vorliegenden Wasser H2O zudosiert. Das Gemisch aus Wasser H2O und Luft O2+X gelangt dann durch einen weiteren Wärmetauscher 14, in welchem es erwärmt, über hitzt und annähernd homogen durchmischt wird, in den Bereich des autothermen Reformers 3. Zwischen dem Wärmetauscher 14 und dem autothermen Reformer 3 erfolgt die Zudosierung des kohlenwasserstoffhaltigen Ausgangstoffes CnHm, z.B. durch Zerstäuben in dem heißen Eduktstrom aus Wasser H2O und Luft O2+X .
  • Der Aufbau mit dem Wärmetauscher 14 bietet dabei sehr günstige Betriebsmöglichkeiten, welche sich positive auf den Gesamtwirkungsgrad und den sicheren Betrieb der Brennstoffzellenanlage 1 auswirken.
  • Zum ersten werden die Edukte Wasser H2O und Luft O2+X durch die vergleichsweise hohe Temperatur von ca. 700°C oder mehr im Bereich des Wärmetauschers 14 vor dem Eintritt in den autothermen Reformer 3 auf eine hohe Temperatur vorgewärmt.
  • Zweitens erlaubt der Wärmetauscher 14 den Verzicht auf einen Wasserquench, also das Einspritzen von Wasser H2O in das Reformat, um dieses auf die für die Hochtemperaturshiftstufe 4 erforderliche Temperatur von ca. 400°C abzukühlen. Die zwischen dem autothermen Reformer 3 und der Hochtemperaturshiftstufe 4 anfallenden Abwärme kommt also den Edukten für den autothermen Reformer 3 zugute.
  • Aufgrund dieser beiden Punkte steigt der Wirkungsgrad der Brennstoffzellenanlage 1 an.
  • Zum dritten kann aufgrund der hohen Temperatur der Edukte Wasser H2O und Luft O2+X auf ein Verdampfen des kohlenwasserstoffhaltigen Ausgangstoffes CnHm, insbesondere Benzin oder Diesel, in einem eigenen Wärmetauscher verzichtet werden. Ebenso ist eine Zugabe des im Vergleich zum Wasser H2O eine geringere Wärmekapazität aufweisenden Ausgangstoffes CnHm in einen der das Wasser H2O verdampfenden Wärmetauscher unnötig, da der Ausgangstoff CnHm in der vergleichsweise geringen benötigten Menge sehr gut in den heißen Edukten Wasser H2O und Luft O2+X verdampft, ohne diese zu sehr abzukühlen. Neben der Einsparung an Bauraum für einen eigenen Ausgangsstoff-Wärmetauscher und eine entsprechende Leitungsführung ergeben sich hier Vorteile hinsichtlich der Betriebsicherheit, da das heiße Gemisch aus allen drei Edukten erst unmittelbar vor dem autothermen Reformer 3 vorliegt und nicht durch das System geführt werden muss.
  • Außerdem funktioniert die Anwärmung, Erwärmung, Verdampfung und Überhitzung des Wassers H2O, als das Edukt mit der höchsten Wärmekapazität, durch die Abwärmen aus dem System annähernd ideal, da sich die Temperatur in den Wärmetauschern 12, 10, dem Wärmetauscher 4' im Bereich der Hochtemperaturshiftstufe 4 und dem Wärmetauscher 14 in Strömungsrichtung stetig steigert.
  • In 2 ist eine weitere Variante der Brennstoffzellenanlage 1 dargestellt, welche bis auf die Stelle, an welcher das Wasser H2O zudosiert wird, identisch zu der Brennstoffzellenanlage 1 gemäß 1 aufgebaut ist und funktioniert.
  • Das Wasser H2O wird bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 in einen im Bereich der Niedertemperaturshiftstufe 5 integrierten Wärmetauscher 5' zugegeben. Dabei kann die Niedertemperaturshiftstufe 5 analog zur Hochtemperaturshiftstufe 4 entweder mit einer kontinuierlichen Kühlung über die Strömungslänge oder aus mehreren adiabaten Stufen mit Zwischenkühlung ausgebildet sein. Da die Niedertemperaturshiftstufe 5 auf einem eher niedrigen Temperaturniveau arbeitet, kann das Wasser H2O in der Niedertemperaturshiftstufe 5 bei den üblichen Volumenströmen meist nur vorgewärmt werden und strömt dann auf dem im Rahmen von 1 bereits beschriebenen Weg durch die Wärmetauscher aufsteigender Temperatur weiter.
  • Eine weitere Variante der Brennstoffzellenanlage 1 ist in 3 dargestellt. Auch hier ist der Aufbau der eigentlichen Brennstoffzellenanlage 1 analog zu dem Aufbau in den 1 und 2 zu verstehen. Lediglich die Zufuhr der Edukte, und hier wieder insbesondere des Wassers H2O, ist gegenüber dem dort Beschriebenen variiert.
  • Da bei den oben beschriebenen Aufbauten das gesamte für den autothermen Reformer 3 und die Shiftstufen 4, 5 benötigte Wasser H2O durch die Reihe der Wärmetauscher geführt werden muss, kann die Dosierung hier gegebenenfalls etwas schwierig sein, oder es kommt zu einer nicht idealen Kühlung der einzelnen Shiftstufen 4, 5 oder des Reformats zwischen den Shiftstufen 4, 5, insbesondere im Teillastbetrieb. Dies kann durch den Aufbau gemäß 3 verbessert werden. Das Wasser H2O wird dazu parallel durch die Wärmetauscher 10, 12 sowie die Wärmetauscher 4', 5' der Shiftstufen 4, 5 geführt und dann gesammelt. Das gesammelte Wasser H2O wird dann analog zu den Ausführungsformen der 1 und 2 mit der Luft O2+X vermischt und dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher 14 zugeführt. Da in dem Wärmetauscher 14 ohnehin nochmals ein sehr großer Eintrag an thermischer Energie stattfindet, kann auch toleriert werden, dass durch einige Wärmetauscher, z.B. den Wärmetauscher 5' der Niedertemperaturshiftstufe 5 oder den Wärmetauscher 12 keine oder zumindest keine vollständige Verdampfung des Wassers H2O erzielt wird.
  • Da der Eintrag an thermischer Energie durch den Wärmetauscher 5' der Niedertemperaturshiftstufe 5, aufgrund des eher geringen Temperaturniveaus klein sein wird, kann auf diesen auch verzichtet werden, wie es durch die gestrichelte Darstellung der Wasserdosierung in 3 und 4 angedeutet ist.
  • Der Aufbau der Brennstoffzellenanlage 1 gemäß 3 erlaubt es, dass in den Wärmetauscher 12 sowie in die Wärmetauscher 4', 5' der Shiftstufen 4, 5 die jeweils ideal für die Kühlung an der gewünschten Stelle geeignete Menge an Wasser H2O zugeführt werden kann. Der ideale und wirkungsgradoptimierte Betrieb der Shiftstufen 4, 5 kann damit sichergestellt werden. Die restliche für den idealen Betrieb des autothermen Refor mers 3 erforderliche Menge an Wasser H2O kann dann über den Wärmetauscher 10 zugegeben werden. Da dieser von dem Brenner 9 beheizt wird, kann die Entnahme an thermischer Energie hier relativ flexibel und sehr dynamisch erfolgen, so dass auch ein stark und schnell variierender Volumenstrom der restlichen Menge an Wasser H2O kein Problem darstellt.
  • Auch in 4 ist ein vergleichbarer Aufbau der Brennstoffzellenanlage 1 wie in den vorhergehenden Figuren dargestellt. Analog zu der Ausgestaltung gemäß 3 wird das Wasser H2O parallel über die Wärmetauscher 10, 12, den Wärmetauscher 4' der Hochtemperaturshiftstufe 4 und optional über den Wärmetauscher 5' der Niedertemperaturshiftstufe 5 zudosiert. Die Dosierung des Wassers H2O kann wiederum in der Art erfolgen, dass in den Wärmetauscher 12 sowie in die Wärmetauscher der Shiftstufen 4, 5 die jeweils ideal für die Kühlung an der gewünschten Stelle geeignete Menge an Wasser H2O zugeführt wird, während die Dosierung der restlichen für den idealen Betrieb des autothermen Reformers 3 erforderlichen Menge an Wasser H2O über den Wärmetauscher 10 erfolgt.
  • Als einziger Unterschied zur Ausgestaltung der Brennstoffzellenanlage 1 gemäß 3 wird das Wasser H2O nach dem parallelen Durchströmen der einzelnen Wärmetauscher von Transportgasstrom aufgenommen und mitgerissen. Dadurch wird eine gute Durchmischung der einzelnen Wasser-/Wasserdampfströme erreicht. In idealer Weise kann als Transportgasstrom eine Gasstrom eines Edukts, insbesondere der Volumenstrom der dem autothermen Reformer 3 zugeführten Luft O2+X, genutzt werden. Der Verdichter 13 und die Zufuhr der Luft O2+X wird dafür lediglich in ihrer Position verlegt, so dass die Luft O2+X als Transportgasstrom alle Teilströme des Wassers H2O aus den einzelnen Wärmetauschern 10, 12 und den Wärmetauscher der Shiftstufen 4, 5 aufnimmt und zu dem Wärmetauscher 14 transportiert. Der weitere Ablauf erfolgt dann analog zu dem oben bereits Ausgeführten.
  • Die Brennstoffzellenanlage 1, wie sie hier beschrieben ist, und der Aufbau der Zuführung der Edukte über die einzelnen Wärmetauscher, und hier insbesondere über den Wärmetauscher 14, kann prinzipiell bei allen Arten von Brennstoffzellenanlagen 1 Verwendung finden, unabhängig davon, ob diese ein mobiles System, wie z.B. ein Fahrzeug zu Land, zu Wasser oder in der Luft, eine mobile Notstromversorgungseinrichtung oder eine stationäre Anlage ist. Der bevorzugte Einsatzzweck einer derartigen, wirkungsgradoptimierten und kompakt zu bauenden Brennstoffzellenanlage 1 liegt jedoch in der Verwendung als Hilfsenergieerzeuger (Auxiliary Power Unit/APU) in einem mobilen System. Die Brennstoffzellenanlage 1 soll dabei nicht – was jedoch auch denkbar wäre – für die Versorgung des mobilen Systems mit Antriebsenergie vorgesehen sein, sondern für die unabhängig vom Antrieb ausgeführte Bereitstellung von Energie für Hilfs- und Nebenaggregate, wie z.B. die Fahrzeugelektronik, eine Klimaanlage, eine Kommunikationseinrichtung, eine Navigationseinrichtung und dergleichen.
  • Neben einer derartigen APU ist jedoch auch der Einsatz der Brennstoffzellenanlage 1 zur Bereitstellung von Antriebsenergie, ganz oder im Rahmen eines Hybridantriebs auch teilweise, denkbar und aufgrund der wirkungsgradoptimierten Systemverschaltung sicherlich sinnvoll.

Claims (11)

  1. System zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases zum Betreiben einer Brennstoffzelle, aus Edukten, welche zumindest Wasser, ein sauerstoffhaltiges Medium, insbesondere Luft, und einen kohlenwasserstoffhaltigen Ausgangsstoff, insbesondere Benzin oder Diesel, umfassen, mit einem autothermen Reformer, wenigstens einer Hochtemperaturshiftstufe, wenigstens einer Niedertemperaturshiftstufe und wenigstens einer Gasreinigungseinrichtung, wobei Abwärme aus wenigstens einer der Shiftstufen das Wasser erwärmt, und wobei Abwärme der Hochtemperaturshiftstufe weitere Edukte und gegebenenfalls Wasser erwärmt, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der bereits erwärmten Edukte vor dem Eintritt in den autothermen Reformer (3) einen Wärmetauscher (14) durchströmt, welcher zwischen dem autothermen Reformer (3) und der wenigsten einen Hochtemperaturshiftstufe (4) angeordnet und von dem in dem autothermen Reformer (3) erzeugten Reformat durchströmt ist.
  2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zu Erwärmung vom zumindest einem der Edukte im Bereich der Hochtemperaturshiftstufe (4), zwischen der Hochtemperaturshiftstufe (4) und der Niedertemperaturshiftstufe (5) und im Bereich eines die Abgase der Brennstoffzelle (2) verbrennenden Brenners (9) Wärmetauscher (4',12,10) angeordnet sind.
  3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zu Erwärmung vom zumindest einem der Edukte im Bereich der Niedertemperaturshiftstufe (5) ein Wärmetauscher (5') angeordnet ist.
  4. System nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Edukt, insbesondere das Wasser (H2O), die Wärmetauscher (10,12,4',5') in der Reihenfolge ihrer ansteigenden Temperaturniveaus durchströmt, und zuletzt durch den Wärmetauscher (14) zwischen autothermem Reformer (3) und Hochtemperaturshiftstufe (4) strömt.
  5. System nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Edukt, insbesondere das Wasser (H2O), die Wärmetauscher (4', 5',10,12) zumindest teilweise parallel durchströmt und vor dem Eintritt in den Wärmetauscher (14) zwischen autothermem Reformer (3) und Hochtemperaturshiftstufe (4) zusammengeführt ist.
  6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Edukt, insbesondere das Wasser (H2O), nach dem jeweiligen Wärmetauscher (4', 5',10,12) in einen Transportgasstrom gelangt, welcher es dem Wärmetauscher (14) zwischen autothermem Reformer (3) und der Hochtemperaturshiftstufe (4) zuführt.
  7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Transportgasstrom ein Gasstrom eines weitren Edukts, insbesondere des sauerstoffhaltigen Mediums (Luft O2+X) , ist .
  8. System nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Wärmetauscher (4') im Bereich der Hochtemperaturshiftstufe (4), den Wärmetauscher (12) zwischen der Hochtemperaturshiftstufe (4) und der Niedertemperaturshiftstufe (5) und gegebenenfalls den Wärmetauscher (5') im Bereich der Niedertemperaturshiftstufe (5), jeweils ein einer dort erforderliche Kühlleitung angepasster Volumenstrom an Wasser (H2O) strömt, während das restliche für die erforderliche Leistung der Brennstoffzelle (2) benötigte Wasser (H2O) aus dem Wärmetauscher (10) im Bereich des Brenners (9) kommt, wobei die gesamte für den Betrieb erforderliche Wassermenge durch den Wärmetauscher (14) zwischen dem autothermen Reformer (3) und der Hochtemperaturshiftstufe (4) in den autothermen Reformer (3) geführt ist.
  9. System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zudosierung des kohlenwasserstoffhaltigen Mediums (CnHm) in den Volumenstrom der weitren Edukte erst nach dem Durchströmen des Wärmetauschers (14) zwischen dem autothermen Reformer (3) und der Hochtemperaturshiftstufe (4) erfolgt.
  10. System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet dadurch seine Verwendung in einem Hilfsenergieerzeuger (Auxiliary Power Unit/APU) in einem mobilen System, insbesondere einem Kraftfahrzeug, welches zumindest den größten Teil seiner zur Mobilität erforderlichen Antriebsenergie von einem weiteren Energieerzeuger, insbesondere einem Verbrennungsmotor, bezieht.
  11. System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet dadurch seine Verwendung zu Bereitstellung von zumindest einem Teil der Antriebsenergie für ein mobiles System, insbesondere ein Kraftfahrzeug.
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