DE10315697A1 - Gaserzeugungssystem mit einem Reformer zum Erzeugen eines wasserstoffhaltigen Reformats - Google Patents

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Abstract

Ein Gaserzeugungssystem weist wenigstens einen Reformer zum Erzeugen eines wasserstoffreichen Gasstroms, insbesondere zum Betreiben einer Brennstoffzelle, auf. Dieser wird aus Einsatzstoffen, von welchen zumindest einer Kohlenstoff und Wasserstoff aufweist, erzeugt. Zumindest ein Teil des in dem Reformer erzeugten Gasstroms ist aus einem Bereich nach dem Reformer in den Bereich wenigstens eines der zu dem Reformer strömenden Einsatzstoffe zurückgeführt. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist eine Zusammenführung des zurückgeführten Teils des Gasstroms und des wenigstens einen zu dem Reformer strömenden Einsatzstoffes in der Art ausgebildet, dass der von dem wenigstens einen der Einsatzstoffe durchströmte Querschnitt im Bereich der Zusammenführung eine Querschnittsverengung aufweist. DOLLAR A Das Gaserzeugungssystem findet seine bevorzugte Verwendung bei der Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases aus flüssigen Kohlenwasserstoffen, insbesondere Benzin oder Diesel, für das Betreiben einer Brennstoffzelle. Die Brennstoffzelle kann Teil einer Antriebseinrichtung oder eines Hilfsenergieerzeugers, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, sein.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Gaserzeugungssystem mit wenigstens einem Reformer nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Die Erfindung betrifft außerdem eine Verwendung für ein derartiges Gaserzeugungssystem.
  • Aus der DE 199 34 649 A1 ist ein Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff bekannt. Dabei wird einem Reformer ein kohlenwasserstoffhaltiges Gemisch zugeführt und der erzeugte Wasserstoff wird vorzugsweise einer Brennstoffzelle zur Stromerzeugung zugeleitet. Um die Bildung von Ruß im Reformer herabzusetzen, die Ausbeute an Wasserstoff sowie den Wirkungsgrad des Gesamtsystems zu erhöhen, wird in der genannten Schrift vorgeschlagen, dass zumindest ein Teil des von dem Reformer erzeugten Gases vor und/oder nach der Zuleitung in die Brennstoffzelle zum Reformer zurückgeleitet und diesem erneut zugeführt wird.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der Erfindung, ein derartiges System dahingehend zu verbessern, dass der Einsatz an Energie für eine derartige Rückführung minimiert und der Wasserhaushalt der dem Reformer zugeführten Edukte sowie die Wasserstoffausbeute optimiert werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
  • Dadurch, dass die Zusammenführung des zurückgeführten Teils des Gasstroms und wenigstens eines der zu dem Reformer strömenden Einsatzstoffe so ausgebildet ist, dass eine Zusammenführung des zurückgeführten Teils des Gasstroms und des wenigsten einen zu dem Reformer strömenden Einsatzstoffes in der Art ausgebildet ist, dass der von dem wenigstens einen der Einsatzstoffe durchströmte Querschnitt im Bereich der Zusammenführung eine Querschnittsverengung aufweist, kann auf ein Fördermittel in der Art eines Verdichters oder dergleichen verzichtet werden. Der kinetische Energieinhalt des zu dem Reformer strömenden Edukts reicht vielmehr aus, die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Zusammenführung in dem Bereich des Reformers zurückgeführten Gasstroms zu fördern.
  • Neben der Kompensation des Druckverlusts in dem zurückgeführten Teil des Gasstroms weist die erfindungsgemäße Ausgestaltung den entscheidenden Vorteil auf, dass diese Kompensation des Druckverlusts bauartbedingt ohne bewegliche Teile auskommt. Dadurch sind entsprechend hohe Temperaturen und/oder aggressive Stoffe in dem zurückgeführten Teil des Gasstroms möglich.
  • Die Förderung erfolgt dabei ausgesprochen energieeffizient durch eine geringfügige Erhöhung des Pumpenvordrucks der zudosierten Edukte.
  • In der oben genannten Ausgestaltung des Gaserzeugungssystems gemäß der Erfindung ist dabei das Mengenverhältnis von Wasserdampf zu Kohlenwasserstoff von zentraler Bedeutung. Mit zunehmenden Mengenverhältnis von Wasserdampf zu Kohlenwasserstoff steigt in besonders vorteilhafter Weise die Wasserstoffausbeute der Reaktion. Außerdem wirken sich entsprechend hohe Mengenverhältnisse von Wasserdampf zu Kohlenwasserstoff sehr positiv auf die Lebenszeit der Katalysatoren aus, da allgemein eine wesentliche Ursache für die Alterung von Katalysatoren in zu niedrigen Mengenverhältnissen von Wasserdampf zu Kohlenwasserstoff gesehen wird.
  • Den hauptsächlichen Einsatzstoff, neben den kohlenwasserstoffhaltigen Ausgangsstoff, bildet sowohl bei Dampfreformern als auch autothermen Reformern die im Vergleich zu dem Ausgangstoff große benötigte Menge an Wasserdampf. Dieses Wasser muss für den Einsatz in dem Reformer entsprechend erwärmt, verdampft und überhitzt werden, was aufgrund der vergleichsweise hohen Wärmekapazität von Wasser eine entsprechende Heizleistung benötigt. Wird das Mengenverhältnis von Wasserdampf zu Kohlenwasserstoff nun entsprechend gesteigert, um die oben genannten Vorteile zu erzielen, so wird damit gleichzeitig die benötigte Wassermenge gesteigert. Dies wirkt sich dann wieder nachteilig in einer extrem hohen benötigten Heizleistung aus.
  • Parallel dazu ist es bei derartigen Gaserzeugungssystemen nun so, dass das eingesetzte Wasser wieder zurückgewonnen wird. Dies erfolgt im allgemeinen durch eine Auskondensation des Wasserdampfs, so dass auch hier die erforderliche Kühlleistung entsprechend hoch wird. Um nun mit entsprechend geringer Heiz- und Kühlleistung eine hohe Wasserstoffausbeute und eine hohe Lebensdauer der eingesetzten Katalysatoren zu erzielen, ist es besonders sinnvoll, in einer der oben genannten Arten das aus dem Reformer stammende Gas wieder zurückzuführen, da dieses das Wasser üblicherweise bereits als Wasserdampf enthält, und so bei der Rückführung durch die Steigerung der Zugabe an kohlenwasserstoffhaltigen Ausgangsstoff ein entsprechend günstiges und vorteilhaftes Mengenverhältnis von Wasserdampf zu Kohlenwasserstoff eingestellt werden kann. Die erforderliche Zufuhr von externem Wasser bzw. Wasserdampf kann dann reduziert werden oder ggf. auch entfallen. Von besonderem Vorteil ist es, dass der durch die Rückführung zurückgeführte Wasserdampf bereits dampfförmig vorliegt, und dass somit die Energie für die Verdampfung von statt dessen extern zugeführtem Wasser eingespart werden kann.
  • Der Aufbau gemäß der Erfindung ermöglicht es also, durch die Rückführung bzw. die dafür eingesetzte Ausgestaltung der Zusammenführung, mit geringen Heiz- und Kühlleistungen die entsprechenden Vorteile eines hohen Mengenverhältnisses von Wasserdampf zu Kohlenwasserstoff zu nutzen.
  • Eine besonders günstige Verwendung für derartige Gaserzeugungssysteme ist durch den Anspruch 9 beschrieben.
  • Da durch die erfindungsgemäßen Ausgestaltungen letztendlich die benötigte Energie für die Herstellung des Wasserstoffs minimiert und die Wasserstoffausbeute erhöht werden kann, bietet sich die Verwendung insbesondere für das Betreiben einer Brennstoffzelle an, und hier insbesondere für das Betreiben einer Brennstoffzelle auf der Basis von kommerziell üblichen Kohlenstoff und Wasserstoff ausweisenden Ausgangstoffen, wie beispielsweise Benzin, Diesel oder entsprechenden Kohlenwasserstoffderivaten, wie Methanol oder dergleichen.
  • Diese Brennstoffzelle kann dabei wiederum in verschiedenartigen Brennstoffzellensystemen eingesetzt werden, wobei es sich aufgrund der besonders hohen Energieausbeute und des günstigen Wirkungsgrads insbesondere anbietet, in einem Brennstoffzellensystem einzusetzen, welches in einem Luft-, Land- oder Wasserfahrzeug einsetzt wird, da hier Energieeffizienz und Reichweite im Verhältnis zum mitgeführten Kraftstoff eine besondere Bedeutung zukommt. Die Brennstoffzelle kann dabei entweder Teil eines Antriebssystems oder auch Teil eines Hilfsenergieerzeugers (APU/Auxiliary Power Unit) sein, wie er in derartigen Systemen eingesetzt werden kann.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen und aus den anhand der Figuren nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen.
  • Dabei zeigen:
  • 1 eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gaserzeugungssystems; und
  • 2 eine weitere mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gaserzeugungssystems.
  • In 1 ist eine erste Ausführungsform eines Gaserzeugungssystems 1 dargestellt, in welchem in an sich bekannter Weise aus kohlenwasserstoffhaltigen Einsatzstoffen, wie beispielsweise Benzin, Diesel, Alkohole oder dergleichen, ein wasserstoffreiches Gas erzeugt wird. Dieses wasserstoffreiche Gas kann beispielsweise zum Betreiben einer Brennstoffzelle 2 genutzt werden.
  • Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele beziehen sich jeweils auf ein derartiges Gaserzeugungssystem 1 zum Betreiben einer Brennstoffzelle 2. Die Brennstoffzelle 2 soll beispielhaft als PEM-Brennstoffzelle ausgebildet sein und Teil eines elektrischen Antriebssystems oder Teil eines elektrischen Hilfsenergieerzeugers (APU/Auxiliary Power Unit) sein, welche insbesondere in Fahrzeugen, z.B. Kraftfahrzeugen, Nutzfahrzeugen oder in entsprechenden Transportmitteln in der Luft oder auf dem Wasser, eingesetzt werden.
  • Das in 1 dargestellte Gaserzeugungssystem 1 verfügt über einen Reformer 3 sowie eine Einrichtung zur Feingasreinigung 4. Im Prinzip sind alle bekannten Reformerkonzepte einsetzbar, wobei die hier dargestellten Ausführungsbeispiele das Prinzip der Dampfreformierung darstellen sollen, bei dem aus Wasser- und kohlenwasserstoffhaltigem Einsatz, hier beispielsweise Benzin, und gegebenenfalls Luft in dem Reformer 3 ein wasserstoffreiches Reformat erzeugt wird. Parallel dazu wären auch andere Konzepte der Reformierung denkbar, beispielsweise partielle Oxidation, autotherme Reformierung oder dergleichen.
  • Die für die – egal wie ausgebildete – Reformierung benötigten Edukte werden in den in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel über entsprechende Leitungen dem Reformer zugeführt. Beispielsweise können dies die hier dargestellten Leitungen A für Wasser, B für den kohlenwasserstoffhaltigen Einsatzstoff und optional C für Luft bzw. ein anderes sauerstoffhaltiges Medium sein. Diese Edukte A, B und gegebenenfalls C werden in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel miteinander vermischt und dann durch eine Zusammenführung 5 dem Reformer 3 zugeführt.
  • Um das in dem Gaserzeugungssystem 1 befindliche Wasser, welches hier dampfförmig vorliegt, ideal nutzen zu können, und um bei einem ausreichend hohen Mengenverhältnis von Wasserdampf zu Kohlenwasserstoff eine entsprechend hohe Menge an Wasserstoff zu erzeugen, wird ein Teil des in dem Reformer 3 erzeugten wasserstoffreichen Gases über eine Rückführung 6 in den Bereich der Zusammenführung 5 zurückgeführt. In der Ausgestaltung gemäß 1 ist diese Rückführung so ausgebildet, dass das zurückgeführte Gas unmittelbar nach dem Reformer 3 dem Reformatgasstrom entnommen und zurückgeführt wird. Dies bietet den aus den später noch erläuterten Gründen den Vorteil, dass hier die Konzentration an Wasserstoff noch vergleichsweise klein ist.
  • Falls in Bereich des Gaserzeugungssystems 1 außerdem Einrichtungen zur Anreicherung des Reformats mit Wasserstoff vorgesehen sind, beispielsweise eine oder mehrere Shiftstufen, in welchen der Wasserstoffgehalt des Reformats mittels der Wassergasshiftreaktion angereichert wird, so würde es im dem oben genannten Sinne auch hier besonders günstig sein, wenn die Rückführung bei noch vergleichsweise kleiner Wasserstoffkonzentration, also aus dem Bereich vor der Shiftstufe erfolgt.
  • Durch die vergleichsweise geringe Wasserstoffkonzentration kann sichergestellt werden, dass über die Rückführung 6 und die Zusammenführung 5 ein entsprechender Teil des wasserstoffhaltigen Gasstroms zurückgeführt ist, welcher eine ausreichende Rückführung an Wasser gewährleistet, um den Betrieb aufrechtzuerhalten. Gleichzeitig ist der in ihm enthaltene Anteil an Wasserstoff noch vergleichsweise gering, so dass durch eine erhöhte Wasserstoffkonzentration keine Hemmung der Reformierungsreaktion durch eine entsprechende Verschiebung des Gleichgewichts stattfindet.
  • Die Kompensation des Druckverlusts, den der zurückgeführte Teil des wasserstoffhaltigen Gasstroms im Bereich des Reformers 3 und der Rückführung 6 erfahren hat, wird durch die Ausgestaltung der Zusammenführung 5 kompensiert. Die Zusammenführung 5 ist dabei so ausgelegt, dass der vergleichsweise große eingesetzte Zustrom der Edukte durch die Ausgestaltung der Zusammenführung 5 diese Druckverluste ausgleicht. Prinzipiell würde auch der Zustrom eines einzigen Edukts ausreichen, beispielsweise das Edukt mit dem höchsten Volumenanteil, im allgemeinen der Wasserdampf. Die Zusammenführung 5 ist dazu so ausgestaltet, dass sich eine Querschnittsverengung im Bereich der dem Reformer zuströmenden Edukte A, B, C befindet, so dass durch den sich hier bildenden Unterdruck ein entsprechendes Ansaugen des zurückgeführten Teils des Gasstroms im Bereich der Zusammenführung 5 erfolgt.
  • In besonders günstiger Weise ist diese Zusammenführung 5 in der Art einer Gasstrahlpumpe bzw. Jet-Pump ausgebildet. Da in dem zurückgeführten Gasstrom und gegebenenfalls auch in den zugeführten Edukten entsprechend hohe Temperaturen vorliegen, ist dies besonders günstig, da hier keinerlei bewegte Teile oder dergleichen notwendig sind. Die zur Kompensation der Druckverluste erforderliche Energie kann sehr einfach über eine Erhöhung des Drucks bei der Dosierung der Edukte aufgebracht werden.
  • In 2 ist eine weitere Ausgestaltung der Erfindung dargestellt, bei welcher der zurückgeführte Teil des Gasstroms nicht aus dem Bereich nach dem Reformer, sondern aus dem Bereich nach der Brennstoffzelle 2 stammt. Insbesondere sollte es sich bei dem zurückgeführten Gasstrom hier um den Gasstrom, welcher aus einem Anodenraum 7 der Brennstoffzelle 2 austritt, handeln. Dieser Gasstrom ist im Bereich des Anodenraums 7 der Brennstoffzelle 2 in seiner Wasserstoffkonzentration abgereichert worden, da in der Brennstoffzelle 2 dieser Wasserstoff verbraucht worden ist. Die übrigen Restgase und insbesondere der Wasserdampf sind jedoch noch vorhanden, so dass auch hier eine Rückführung 6' in den Bereich der Zusammenführung 5 mittels der Rückführung 6' sinnvoll ist und zu ähnlichen Effekten und Vorteilen führt, wie diese im Rahmen des ersten Ausführungsbeispiels bereits analog beschrieben wurden. Auch die hier eingesetzten Komponenten sind analog zu dem oben genannten Ausführungsbeispiel beschrieben.
  • Der besondere Vorteil einer derartigen Rückführung liegt nun darin, dass in den Bereich des Eintritts des Reformers vergleichsweise wenig Wasserstoff zurückgeführt wird, so dass eine Hemmung der Reaktionen in dem Reformer durch eine Erhöhung der Wasserstoffkonzentration, welche mit einem entsprechenden Verschieben des Reaktionsgleichgewichts verbunden wäre, praktisch vollständig unterbleibt, während als besonders vorteilhafter Effekt durch die Rückführung des Wasserdampfs einem entsprechend hohes Mengenverhältnis von Wasserdampf zu Kohlenwasserstoff erhalten bleibt.
  • Ein vergleichbarer Effekt wäre auch dann zu erzielen, wenn die Abreicherung des Reformats an Wasserstoff in einer anderen Komponente, z.B. einem Wasserstoffseparationsmodul oder dergleichen erfolgt, wobei dann das um den Wasserstoff reduzierte Restgas zurückgeführt werden würde.
    •

Claims (12)

  1. Gaserzeugungssystem mit wenigstens einem Reformer zum Erzeugen eines wasserstoffreichen Gasstroms, insbesondere zum Betreiben einer Brennstoffzelle, aus Einsatzstoffen, von welchen zumindest einer Kohlenstoff und Wasserstoff aufweist, wobei zumindest ein Teil des in dem Reformer erzeugten Gasstroms aus einem Bereich nach dem Reformer in den Bereich wenigstens eines der zu dem Reformer strömenden Einsatzstoffe zurückgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zusammenführung (5) des zurückgeführten Teil des Gasstroms und des wenigsten einen zu dem Reformer (3) strömenden Einsatzstoffes (A, B, C) in der Art ausgebildet ist, dass der von dem wenigstens einen der Einsatzstoffe (A, B, C) durchströmte Querschnitt im Bereich der Zusammenführung (5) eine Querschnittsverengung aufweist.
  2. Gaserzeugungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammenführung (5) als Gasstrahlpumpe ausgebildet ist.
  3. Gaserzeugungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des zurückgeführten Gasstroms aus einem Bereich zwischen dem Reformer (3) und einer Einrichtung zur Anreicherung des wasserstoffhaltigen Gasstroms mit Wasserstoff stammt.
  4. Gaserzeugungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das gesamte zurückgeführten Gasstrom aus einem Bereich unmittelbar nach dem Reformer (3) stammt.
  5. Gaserzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der wasserstoffreiche Gasstrom bevor zumindest ein Teil davon zurückgeführt ist, wenigstens eine Komponente durchströmt, welche in der Art ausgebildet ist, dass sie die Wasserstoffkonzentration in dem zumindest einen zurückgeführten Teil des Gasstrom verringert.
  6. Gaserzeugungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente als Anodenraum (7) einer Brennstoffzelle (2) ausgebildet ist, wobei der zumindest eine Teil des zurückgeführten Gasstroms der nach dem Verbrauch von Wasserstoff verbleibende Abgasstrom aus dem Anodenraum (7) der Brennstoffzelle (2) ist.
  7. Gaserzeugungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformer (3) als Dampfreformer ausgebildet ist.
  8. Gaserzeugungssystem nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformer (3) als autothermer Reformer ausgebildet ist
  9. Verwendung eines Gaserzeugungssystems nach einem der vorhergegangenen Ansprüche zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases aus flüssigen Kohlenwasserstoffen und/oder Kohlenwasserstoffderivaten, insbesondere Benzin oder Diesel, für das Betreiben einer Brennstoffzelle (2).
  10. Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um die Brennstoffzelle (2) eines Antriebssystems für einem Transportmittel, zu Wasser, zu Lande oder in der Luft, handelt.
  11. Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um die Brennstoffzelle (2) eines Hilfsenergieerzeugers handelt.
  12. Verwendung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsenergieerzeugers in einem Transportmittel, zu Wasser, zu Lande oder in der Luft, insbesondere in einem von einem Verbrennungsmotor angetriebenen Transportmittel, eingesetzt wird.
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