DE20215522U1 - Apparat zur Erzeugung von Wasserstoff - Google Patents

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Abstract

Apparat zur Erzeugung von Wasserstoff zum Betrieb von Brennstoffzellen, umfassend einen Reformer (1) zur Umwandlung von Kohlenwasserstoffgas und Wasser in Wasserstoff und weitere Reformer-Produkte, wobei der Reformer (1) zur Bereitstellung einer definierten Prozesswärmemenge mit einer als Brenner ausgebildeten Wärmequelle (2) versehen ist und wobei dem Reformer (1) zur chemischen Aufbereitung der Reformer-Produkte reaktionsspezifisch angepaßte Katalysatorstufen (3) nachgeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle (2) mit zwei Abgaszügen (4, 7) verbunden ist, wobei im ersten Abgaszug (7) der Reformer (1) und im zweiten Abgaszug (4) mindestens ein Wärmetauscher (5) angeordnet ist und wobei mindestens einer der beiden beiden Abgaszüge (4, 7) jeweils wärmebedarfsangepaßt verschließbar ausgebildet ist.

Description

  • Die Neuerung betrifft einen Apparat zur Erzeugung von Wasserstoff zum Betrieb von Brennstoffzellen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Aus der DE 100 57 537 A1 ist ein solcher, gattungsgemäßer Apparat zur Erzeugung von Wasserstoff sowie ein entsprechendes Verfahren zu dessen Betrieb bekannt. Dieser Apparat weist einen Reformer auf, der dazu dient, Kohlenwasserstoffgas (in der Regel Erdgas) und Wasser in Wasserstoff und weitere Reformer-Produkte umzuwandeln. Der Reformer besteht dabei, zunächst ganz prinzipiell betrachtet, aus einem Katalysator, der bei einer Temperatur von etwa 850° C den Reformierungsprozess der zusammengeführten Edukte bewirkt. Die dazu erforderliche Wärme wird bei einer speziellen Ausführungsform mit Hilfe eines Gasbrenners erzeugt, der im Bereich des Reformerkatalysators angeordnet ist. Der Gasbrenner wird mit einem Teil des auch für die Reformierung vorgesehenen Kohlenwasserstoffgases betrieben, d.h. das Kohlenwasserstoffgas wird anteilig dem Gasbrenner und dem Reformer zugeführt. Der Anteil für den Gasbrenner ist dabei stets so gewählt, dass dessen Verbrennung gerade die für die Reformierung erforderliche Wärmeleistung erbringt.
  • Der Apparat gemäß der DE 100 57 537 A1 ist insbesondere zur effizienten Erzeugung von Wasserstoff zum Betrieb von Brennstoffzellen, vorzugsweise sogenannte PEM-Brennstoffzellen, vorgesehen, wobei darüber hinaus aber auch schon dem Aspekt einer möglichst kompakten Anordnung der Systemkomponenten Rechnung getragen wurde. Da Brennstoffzellen typischer Weise aber insbesondere bzw. vorwiegend zur Erzeugung von Strom verwendet werden, ist ein Einsatz dieses Apparats beispielsweise im Sinne eines klassischen Heizkessels mit der Aufgabe, Wärme für ein Haus bereitzustellen und nebenbei auch noch den Strombedarf zu decken, nicht vorgesehen bzw. auch gar nicht möglich.
  • Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, einen Apparat der eingangs genannten Art dahingehend weiter zu entwikkeln, dass mit dessen Hilfe neben der klassischen Stromerzeugung auch der typischer Weise in Gebäuden anfallende Wärmebedarf gedeckt werden kann, und zwar erforderlichenfalls auch ohne jegliche Stromerzeugung.
  • Diese Aufgabe ist mit einem Apparat der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.
  • Der Erfindung liegt also der Gedanke zugrunde, die vom Brenner erbrachte Wärmeleistung je nach Bedarf für den Reformierungsprozess und/oder für Heizzwecke zu verwenden. Hierzu wird der Abgasstrom des Brenners bedarfsangepaßt auf die beiden Abgaszüge aufgeteilt, so dass folgende drei Betriebszustände vorliegen können:
    • a) die Wärmeleistung des Brenners wird ausschließlich zur Stromerzeugung genutzt;
    • b) die Wärmeleistung des Brenners wird zur Stromerzeugung und zu Heizzwecken genutzt; oder
    • c) die Wärmeleistung des Brenners wird ausschließlich zu Heizzwecken genutzt.
  • Hierzu ist neben dem einen ohnehin vorhandenen Rauchgasabzug am Brenner ein weiterer, mit einem Wärmetauscher versehener Abgaszug vorgesehen. Über geeignete Stellmittel, beispielsweise in Form einer Klappe, wird der Abgasstrom bedarfsangepaßt aufgeteilt.
  • Diese Lösung stellt also gewissermaßen eine Kombination aus einem Apparat zur Erzeugung von Wasserstoff und einem Heizkessel dar. Die Wärme des Heizkessels kann zum Beheizen eines Hauses und der Wasserstoff über eine Brennstoffzelle zur Bereitstellung von Strom genutzt werden, und zwar bedarfsangepaflt, d.h. der Apparat ermöglich es, den zu unterschiedli chen Zeiten und den bei unterschiedlichen Konstellationen (Sommer, Winter, mit und ohne Warmwasserbereitstellung etc.) bestehenden Bedarf an Wärme und Strom jeweils durch entsprechende Einstellung des Verhältnisses zwischen reiner Heizleistung und Wasserstofferzeugung exakt zu decken. Der Apparat ermöglicht somit auf einfachste Art und Weise eine Lösung eines Zielkonflikts bei der Bereitstellung von Wärme und Strom.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Der erfindungsgemäße Apparat und seine vorteilhaften Weiterbildungen werden nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
  • Es zeigt jeweils schematisch
  • 1 einen Schaltplan einer weiteren Ausführungsform mit einem zweiten Abgaszug zur Auskopplung der zusätzlich eingebrachten Wärmeleistung;
  • 2 eine mögliche konstruktive Gestaltung des Apparats gemäß 2 mit Klappe am zweiten Abgaszug; und
  • 3 eine weitere Ausführungsform mit Stellklappe zur bedarfsangepaßten Aufteilung des Abgasstromes.
  • In 1 ein Schaltplan eines Apparats zur Erzeugung von Wasserstoff zum Betrieb von Brennstoffzellen dargestellt. Dieser besteht unter anderem aus einen Reformer 1 zur Umwandlung von Kohlenwasserstoffgas und Wasser in Wasserstoff und weitere Reformer-Produkte, wobei der Reformer 1 zur Bereitstellung einer definierten Prozesswärmemenge mit einer als Brenner ausgebildeten Wärmequelle 2 versehen ist und wobei dem Reformer 1 zur chemischen Aufbereitung der Reformer-Produkte reaktionsspezifisch angepaßte, üblicherweise wärmeabgebende Katalysatorstufen 3 nachgeschaltet sind. Als Brenner kommt dabei, wie dargestellt, vorzugsweise ein halbkugelförmiger Gasflächenbrenner zum Einsatz. Bei den drei dargestellten Katalysatorstufen han delt es sich typischerweise um die sogenannte Hochtemperatur– 11 und Niedertemperatur-Shiftstufe 12 sowie die Se10x-Stufe 13; genauso gut sind aber auch zusammengefaßt ausgebildete Shiftstufen verwendbar.
  • Zwischen den einzelnen Katalysatorstufen sind Wärmetauscher 14 angeordnet, die einerseits für die erforderliche Abkühlung der Wärme abgebenden Shiftstufen sorgen und die andererseits dazu dienen, die Edukte Kohlenwasserstoffgas und Wasser vor dem Eintritt in den Reformer 1 vorzuheizen.
  • Wesentlich für die dargestellte Ausführungsform ist nun, dass die Wärmequelle 2 mit zwei Abgaszügen 4, 7 verbunden ist, wobei im ersten Abgaszug 7 mindestens der Reformer 1 und im zweiten Abgaszug 4 mindestens ein Wärmetauscher 5 zur Auskopplung von Heizungswärme angeordnet ist und wobei mindestens einer der beiden beiden Abgaszüge 4, 7 jeweils wärmebedarfsangepaßt verschließbar ausgebildet ist. Der Brenner ist dabei so dimensioniert, dass er gegebenenfalls sowohl die für die Reformierung erforderliche Prozesswärmemenge als auch die für Heizzwecke erforderliche Heizwärme zur Verfügung stellen kann.
  • Hinsichtlich des in 1 dargestellten Apparats ist die erfindungsgemäße Lehre dadurch realisiert, dass die als Brenner ausgebildete und mit einem ersten Abgaszug 7 versehene Wärmequelle 2 mit einem zweiten Abgaszug 4 in Verbindung steht. Die Abgaszüge 4, 7 sind dabei bedarfsangepaflt verschliessbar ausgebildet. Ferner ist der zweiten Abgaszug 4 mit mindestens einem Wärmetauscher 5 zur definierten Auskopplung der zu Heizzwecken freigesetzten Wärmemenge versehen.
  • Der Apparat gemäß 1 funktioniert wie folgt: Über den Zufuhranschluss 15 gelangt Kohlenwasserstoffgas und Wasser in die Eduktvorheizstrecke, der Wärme nicht nur über die Wärmetauscher 14, sondern auch über den Wärmetauscher 9 zugeführt wird. Dieser steht in Kontakt mit dem ersten Abgaszug 7, der dafür vorgesehen ist, die beim reinen Reformierungsprozess anfallenden Abgase aus dem Apparat abzuführen. Zur Abfuhr der gegebenenfalls zusätzlich vom Brenner erbrachten Wärmeleistung dient der zweite Abgaszug 4, der, wie in 2 dargestellt, vorzugsweise mit einer schwenkbaren Klappe 8 verschließbar und in dem ein weiterer, mit einem Heizkreis 10 verbundener Wärmetauscher 5 zur Aufnahme der freigesetzten Wärme angeordnet ist. Die Klappe 8 ist dabei bei dieser Ausführungsform gemäß 2 zwischen dem Brenner und dem Wärmetauscher 5 angeordnet, so dass bei geschlossener Klappe 8 der dann in einer ersten Leistungsstufe arbeitende Brenner seine Wärme ausschließlich für den Reformierungsprozess bereitstellt, während in einer zweiten Leistungsstufe ein großer Teil der Heizgase bei geöffneter Klappe 8 direkt, und ohne am Reformierungsprozess beteiligt zu sein, dem Heizkreis 10 zugeführt wird. Die zweite Leistungsstufe entspricht damit gewissermaßen dem Brennerbetrieb eines typischen Heizkessels verbunden mit einem Reformerprozess zur Erzeugung von Wasserstoff.
  • Hinsichtlich der konstruktiven Gestaltung eines solchen Apparats ist, wie in 2 dargestellt, vorteilhaft vorgesehen, dass sowohl der Reformer 1 als auch die Katalysatorstufen 3 ringförmig ausgebildet sind und zumindest teilweise den zweiten Abgaszug 4 konzentrisch umschließen.
  • Bei der Ausführungsform gemäß 3 ist vorgesehen, dass beide Abgaszüge 4, 7 vollständig verschließbar ausgebildet sind, so dass vom Brenner kommendes Abgas wahlweise vollständig über den ersten 7, den zweiten 4 oder nach Bedarf aufgeteilt über beide Abgaszüge 4, 7 abführbar ist. Dazu ist am Apparat vorzugsweise eine verstellbare Klappe 19 angeordnet, mit der in einer ersten Stellung der zweite Abgaszug 4 und in einer zweiten Stellung der erste Abgaszug 7 vollständig verschließbar (gestrichelt angedeutet) und mit der in einer variablen Zwischenstellung – wie dargestellt – das Abgas auf beide Abgaszüge 4, 7 bedarfsangepaßt auf teilbar ist.
  • Bei diesem Apparat strömt also das heiße Abgas vom Brenner 2 zunächst auf die Klappe 19 zu. Dort wird es, je nach Klappenstellung auf die Abgaszüge 4, 7 aufgeteilt, wobei bei verschlossenem Abgaszug 7 ein reiner Heizbetrieb ohne Wasserstofferzeugung und damit Brennstoffzellenbetrieb erfolgt. Bei geschlossenem Abgaszug 4 strömt das Abgas dagegen ausschließlich seitlich am Reformer 1 und den Shiftstufen 3 vorbei.
  • Wie in 2 werden dem Reformer die Edukte über den Zufuhranschluss 15 zugeführt. An die Shiftstufen 3 schließt sich eine Produktabfuhranschluss 18 an. Nach bedarfsentsprechender Passage der Abgaszüge 4, 7 gelangt das Abgas dann schließlich zu einem gemeinsamen Abgasabzugskanal 20, der in entsprechender Weise auch in 2 zu erkennen ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Reformer
    2
    Wärmequelle
    3
    Katalysatorstufen
    4
    Abgaszug
    5
    Wärmetauscher
    6
    Wärmetauscher
    7
    Abgaszug
    8
    Klappe
    9
    Wärmetauscher
    10
    Heizkreis
    11
    Hochtemperatur-Shiftstufe
    12
    Niedertemperatur-Shiftstufe
    13
    Se10x-Stufe
    14
    Wärmetauscher
    15
    Zufuhranschluss
    16
    Wasseranschluss
    17
    Abfuhranschluss
    18
    Produktanschluss
    19
    Klappe
    20
    Abgasabzugskanal

Claims (8)

  1. Apparat zur Erzeugung von Wasserstoff zum Betrieb von Brennstoffzellen, umfassend einen Reformer (1) zur Umwandlung von Kohlenwasserstoffgas und Wasser in Wasserstoff und weitere Reformer-Produkte, wobei der Reformer (1) zur Bereitstellung einer definierten Prozesswärmemenge mit einer als Brenner ausgebildeten Wärmequelle (2) versehen ist und wobei dem Reformer (1) zur chemischen Aufbereitung der Reformer-Produkte reaktionsspezifisch angepaßte Katalysatorstufen (3) nachgeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle (2) mit zwei Abgaszügen (4, 7) verbunden ist, wobei im ersten Abgaszug (7) der Reformer (1) und im zweiten Abgaszug (4) mindestens ein Wärmetauscher (5) angeordnet ist und wobei mindestens einer der beiden beiden Abgaszüge (4, 7) jeweils wärmebedarfsangepaßt verschließbar ausgebildet ist.
  2. Apparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Abgaszügen (4, 7) ein Stellmittel vorgesehen ist, mit dem von der Wärmequelle (2) kommendes Abgas bedarfsangepaßt auf die beiden Abgaszüge (4, 7) aufteilbar ist.
  3. Apparat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellmittel in Form einer zwischen den beiden Abgaszügen angeordneten Klappe (19) ausgebildet ist.
  4. Apparat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Klappe (19) in einer ersten Stellung der zweite Abgaszug (4) und in einer zweiten Stellung der erste Abgaszug (7) vollständig verschließbar und in einer variab len Zwischenstellung das Abgas auf beide Abgaszüge (4, 7) bedarfsangepaflt aufteilbar ist.
  5. Apparat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Reformer (1) als auch die Katalysatorstufen (3) ringförmig ausgebildet sind und zumindest teilweise den zweiten Abgaszug (4) konzentrisch umschließen.
  6. Apparat nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abgaszug (4) mittels einer schwenkbaren Klappe (8) verschliessbar ausgebildet ist.
  7. Apparat nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Klappe (8) zwischen der als Brenner ausgebildeten Wärmequelle (2) und dem mindestens einen im zweiten Abgaszug (4) angeordneten Wärmetauscher (5) angeordnet ist.
  8. Apparat nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abgaszug (7) zur Vorwärmung des Kohlenwasserstoffgases und des Wassers mit einem Wärmetauscher (9) versehen ist.
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