DE20221638U1 - Apparat zur Erzeugung von Wasserstoff - Google Patents

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Abstract

Apparat zur Erzeugung von Wasserstoff zum Betrieb von Brennstoffzellen, umfassend einen zumindest teilweise hohlzylindrischen Reformer (1) zur Umwandlung von Kohlenwasserstoffgas und Wasser in Wasserstoff und weitere Reformerprodukte wie Kohlendioxid und Kohlenmonoxid, an dessen einen hohlzylindrischen Ende ein von diesem umschlossener Brenner (2) angeordnet ist und an dessen anderes Ende sich mindestens eine weitere Katalysatorstufe (13) zur Reduzierung des Kohlenmonoxidanteils anschließt, wobei der Reformer (1) zur Zuführung von fluiden Betriebsmedien mindestens eine Zufuhrleitung (3) aufweist, die zur Vorheizung der Betriebsmedien mit mindestens einem Wärmetauscher (4) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass wahlweise an oder in einem den Brenner (2) aufnehmenden Gehäuseelement (5) der dem Reformer (1) vorgeschaltete Wärmetauscher (4) angeordnet und das Gehäuseelement (5) als Deckel eines den Apparat aufnehmenden Gehäuses (6) ausgebildet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Apparat zur Erzeugung von Wasserstoff gemäß dem Oberbegriff des Schutzanspruchs 1.
  • Aus der DE 100 57 537 A1 ist ein Apparat gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt (siehe insbesondere 1). Dieser dient zur Erzeugung von Wasserstoff, der in einer oder mehreren nachgeschalteten Brennstoffzellen (vorzugsweise sogenannte PEM-Brennstoffzellen) zur Stromerzeugung verwendet wird. Bei diesem Apparat ist der Reformer am brennerseitigen Ende hohlzylindrisch ausgebildet, weist aber am Übergang zu den nachgeschalteten Katalysatorstufen einen kreisförmigen Querschnitt auf. Während des stationären Betriebs werden die sogenannte Reformer-Eedukte (Kohlenwasserstoffgas und Wasser) dem Reformer über eine oder mehrere Zufuhrleitungen zugeführt. Beim aus der DE 100 57 537 A1 bekannten Ausführungsbeispiel sind an dieser Zufuhrleitung eine Reihe von Wärmetauschern vorgesehen, die dazu dienen, die Edukte vor dem Eintritt in den Reformer auf eine für den Reformierungsprozess geeignete Temperatur vorzuheizen. Dabei ist der unmittelbar dem Reformer vorgeschaltete Wärmetauscher in einer Abgasführung des vorzugsweise als Gasbrenner ausgebildeten Brenners angeordnet. Die im heissen Brennerabgas enthaltene Wärme wird somit über den Wärmetauscher zumindest teilweise den Reformer-Edukten zugeführt. Physikalisch betrachtet sind dabei im wesentlichen zwei Wärmeübertragungsprinzipien von Bedeutung, nämlich einerseits Wärmeübertragung per sogenannter Konvektion (Übertragung der Wärme vom Abgas zur Wärmetauscherwand und Übertragung der Wärme von der Wärmetauscherwand zu den Reformer-Edukten) und andererseits Wärmeübertragung per Wärmeleitung (Übertragung der Wärme innerhalb der Wärmetauscherwand). Wärme, die der Brenner zwangsläufig direkt an das Gehäuse des Apparats durch Wärmeleitung und -strahlung abgibt, geht dem Reformierungsprozess wirkungsgradmindernd verloren.
  • Der Erfindung liegt nun einerseites die Aufgabe zugrunde, die Vorheizung der Reformer-Edukte insbesondere bei einem Kaltstart des Apparats noch weiter zu verbessern, andererseits soll aber auch für eine verbesserte Ausnutzung der direkt am Brenner anfallenden Wärme gesorgt werden, um gleichzeitig die Gehäusekühlung im Bereich des Brenners zu optimieren.
  • Diese Aufgabe ist mit einem Apparat der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichen des Schutzanspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.
  • Nach der Erfindung ist also vorgesehen, den Wärmetauscher in unmittelbarer Nähe des Brenners anzuordnen, um auf diese Weise möglichst per direkter Wärmeleitung und -strahlung am Brenner anfallende Wärme an den Wärmetauscher und damit an die Betriebsmedien bzw. Reformer-Edukte übertragen zu können.
  • Die optimierte Wärmeübertragung kann dabei sowohl innerhalb der Kaltstartphase des Appararts als auch während des stationären Dauerbetriebs genutzt werden, und zwar einerseits zur besseren Nutzung der Brennerwärme zum Aufheizen der Reformer-Edukte (mit dem Zünden des Brenners wird sofort Wärme an das Aufheizmedium abgegeben), andererseits aber auch – und dies ist ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung – um den Gehäusebereich rund um den Brenner besser zu kühlen, was gleichzeitig auch zu einer Verringerung der Wärmeverluste beiträgt.
  • Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform besteht der Wärmetauscher aus einer von einem Zufuhranschluss ausgehenden, den Brenner umschließenden Ringleitung, an die sich gegenüber des Zufuhranschlusses zwei, den Brenner ebenfalls umschliessende Teilleitungen anschließen, die jeweils in Verbindungsanschlüsse am Reformer münden. Dabei beschreibt die Ringleitung einen in der zur Brennerachse senkrechten Ebene liegenden Kreis, der von den beiden Teilleitungen jeweils viertelkreissegmentartig umschlossen ist.
  • Andere vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Schutzansprüchen.
  • Der erfindungsgemäße Apparat sowie seine vorteilhaften Weiterbildungen gemäß der abhängigen Schutzansprüche werden nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • Es zeigt
  • 1 im Schnitt den erfindungsgemäßen Apparat mit einem Wärmetauscher in unmittelbar Nähe zum Reformerbrenner; und
  • 2 im Schnitt entlang der Schnittlinie A-A in 1 eine Ansicht der ringförmigen Ausbildung des den Reformerbrenner umschließenden Wärmetauschers.
  • Der in 1 dargestellte Apparat zur Erzeugung von Wasserstoff zum Betrieb von Brennstoffzellen, vorzugsweise PEM-Brennstoffzellen, umfasst einen zumindest teilweise hohlzylindrischen Reformer 1 zur Umwandlung von Kohlenwasserstoffgas und Wasser in Wasserstoff und weitere Reformerprodukte wie Kohlendioxid und Kohlenmonoxid. Am hohlzylindrischen Ende des Reformers 1 ist ein von diesem umschlossener Brenner 2 (vorzugsweise ein ebenfalls mit Kohlenwasserstoffgas, z. B. Erdgas, betriebener Gasbrenner mit Gasanschluss 16) angeordnet. An das anderen Ende des Reformers 1 schließt sich eine Katalysatorstufe 13 zur Reduzierung des Kohlenmonoxidanteils an, wobei der Reformer 1 zur Zuführung von fluiden Betriebsmedien eine Zufuhrleitung 3 aufweist, die zur Vorheizung der Betriebsmedien mit einem Wärmetauscher 4 versehen ist. Darüber hinaus ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel noch ein weiterer, zwischen dem Reformer 1 und der Katalysatorstufe 13 angeordneter Wärmetauscher 15 (vorzugsweise Lamellenwärmetauscher) vorgesehen, der ebenfalls zur Vorheizung der Reformer-Edukte und zum Abkühlen der Reformer-Produkte dient, damit diese temperaturniveauangepaßt zur Katalysatorstufe gelangen.
  • Wesentlich ist nun, dass in einem den Brenner 2 aufnehmenden Gehäuseelement 5 der dem Reformer 1 vorgeschaltete Wärmetauscher 4 angeordnet ist. Dazu ist das Gehäuseelement 5 vorzugsweise, und wie angedeutet dargestellt, als mit Isolationsmaterial 12 gefüllter Hohlkörper ausgebildet, in dem sich der aus mindestens einer Rohrleitung 7 bestehende Wärmetauscher 4 befindet.
  • Alternativ (nicht dargestellt, da ohne weiteres vorstellbar) kann dieser Wärmetauscher 4 aber auch an dem Gehäuseelement 5 angeordnet bzw. mit diesem fest verbunden sein, denn erfindungsgemäße kommt es vorallem darauf an, vom Brenner abgegebene Wärme möglichst vollständig per Wärmeleitung und -strahlung (und mit einem möglichst geringen Anteil an konvektiver Wärmeübertragung) an den Wärmetauscher 4 zu übertragen.
  • Bei dem in 1 dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der Reformer 1 brennerseitig einen Durchmesser -DRauf, der grösser ist als der -DB- des Brenners 2, wobei der Wärmetauscher 4 im Bereich zwischen dem Durchmesser -DR- des Reformers 1 und dem -DB- des Brenners 2 angeordnet ist.
  • Ferner ist vorzugsweise das Gehäuseelement 5 als Deckel eines den Apparat aufnehmenden Gehäuses 6 ausgebildet. Diese Gehäuse 6 umfasst dabei insbesondere den Brenner 2 mit Reformer 1, sowie die dem Reformer 1 nachgeschaltete Katalysatorstufe 13 zur Gasreinigung.
  • Das vom Brenner 2 kommende Abgas wird über den mit dem Bezugszeichen 14 gekennzeichneten Abgaszug abgeführt. Die oberhalb des Brenners 2 angeordnete Brennkammer 16 ist über einen zylindrischen Ringspalt, der nur von den Verbindungsanschlüssen 11 zum Reformer 1 unterbrochen ist, mit diesem Abgaszug 14 verbunden.
  • Bezüglich des Wärmetauschers 4 ist fertigungstechnisch vorteilhaft vorgesehen, dass dieser aus mindestens einer Rohrleitung 7 gebildet ist, die fest mit dem den Brenner 2 aufnehmen den Gehäuseelement 5 verbunden bzw. in diesem angeordnet ist. Die in 1 und 2 dargestellte Rohrleitung 7 hat einen kreisförmigen Querschnitt, selbstverständlich kommt aber auch jede andere Querschnittsform in Betracht.
  • Um zu gewährleisten, dass zumindest ein Teil der vom Brenner 2 abgegebene Wärme an den Wärmetauscher 4 übertragen wird, ist vorteilhaft vorgesehen, dass die Rohrleitung 7 den Brenner 2 zumindest teilweise umschließt. Dabei ist die Rohrleitung 7 mindestens einmal, vorzugsweise mehrfach gekrümmt ausgebildet und in einer zur Brennerachse senkrechten Ebene angeordnet. Genauso gut kommt aber auch beispielsweise eine zwei und mehrere Ebenen aufweisende Rohrwendel in Betracht.
  • Schließlich ist bei der in 1 und 2 dargestellten bevorzugten Ausführungsform vorteilhaft vorgesehen, dass die Rohrleitung 7 einen Zufuhranschluss 8 aufweist und von diesem aus in eine den Brenner 2 umschließende Ringleitung 9 übergeht, an die sich gegenüber des Zufuhranschlusses 8 zwei, den Brenner 2 ebenfalls umschließende Teilleitungen 10 anschließen, die in Verbindungsanschlüsse 11 am Reformer 1 münden, wobei die Ringleitung 9 einen in der zur Brennerachse senkrechten Ebene liegenden Kreis beschreibt, der von den beiden Teilleitungen 10 jeweils viertelkreissegmentartig umschlossen ist.
  • Der erfindungsgemäße Apparat wird, wie folgt, betrieben: Über die Zufuhrleitung 3 wird dem Apparat beim Betriebsstart zunächst beispielsweise Wasser zugeführt, das spätestens am Wärmetauscher 4 unter Wärmezufuhr vom Brenner 2 verdampft. Aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung des Wärmetauschers 4 in Brennernähe und auch aufgrund der thermisch günstigen Verteilung der Wärmetauscherrohre und der damit verbesserten Wärmeübertragung per Wärmeleitung und -strahlung kann die Kaltstartphase des Apparats im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen mit Wärmetauschern im Abgaszug erheblich verkürzt werden, d. h. schon nach kurzer Zeit können über die Zufuhrleitung 3 die Reformer-Edukte zugeführt werden. Diese gelangen dann nach Passage des Wärmetauschers 4 zum Reformer 1, wo sie bei einer Temperatur im Bereich von 400°C bis 800°C in Wasserstoff, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid umgewandelt werden. Wie die Pfeile andeuten, gelangen die Reformer-Produkte anschließend nach Passage eines weiteren Wärmetauschers 15, der, wie erwähnt, im stationären Betrieb ebenfalls zur Vorwärmung der Reformer-Edukte dient, zur Katalysatorstufe 13, die den Kohlenmonoxid-Anteil im Produktgas reduziert. Je nach erforderlicher Reinheit des an die Brennstoffzelle weiterzuleitenden Produktgases schließen sich an die Katalysatorstufe 13 noch weitere Gasfeinreinigungsstufen, wie Selox- oder Methanisierungsstufe, an.
    • 1
    Reformer
    2
    Brenner
    3
    Zufuhrleitung
    4
    Wärmetauscher
    5
    Gehäuseelement
    6
    Gehäuse
    7
    Rohrleitung
    8
    Zufuhranschluss
    9
    Ringleitung
    10
    Teilleitung
    11
    Verbindungsanschluss
    12
    Isolationsmaterial
    13
    Katalysatorstufe
    14
    Abgaszug
    15
    Wärmetauscher
    16
    Gasanschluss
    DB
    Durchmesser Brenner
    DR
    Durchmesser Reformer

Claims (8)

  1. Apparat zur Erzeugung von Wasserstoff zum Betrieb von Brennstoffzellen, umfassend einen zumindest teilweise hohlzylindrischen Reformer (1) zur Umwandlung von Kohlenwasserstoffgas und Wasser in Wasserstoff und weitere Reformerprodukte wie Kohlendioxid und Kohlenmonoxid, an dessen einen hohlzylindrischen Ende ein von diesem umschlossener Brenner (2) angeordnet ist und an dessen anderes Ende sich mindestens eine weitere Katalysatorstufe (13) zur Reduzierung des Kohlenmonoxidanteils anschließt, wobei der Reformer (1) zur Zuführung von fluiden Betriebsmedien mindestens eine Zufuhrleitung (3) aufweist, die zur Vorheizung der Betriebsmedien mit mindestens einem Wärmetauscher (4) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass wahlweise an oder in einem den Brenner (2) aufnehmenden Gehäuseelement (5) der dem Reformer (1) vorgeschaltete Wärmetauscher (4) angeordnet und das Gehäuseelement (5) als Deckel eines den Apparat aufnehmenden Gehäuses (6) ausgebildet ist.
  2. Apparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformer (1) brennerseitig einen Durchmesser aufweist, der grösser ist als der des Brenners (2), wobei der Wärmetauscher (4) im Bereich zwischen dem Durchmesser des Reformers (1) und dem des Brenners (2) angeordnet ist.
  3. Apparat nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (4) aus mindestens einer Rohrleitung (7) gebildet ist, die mit dem den Brenner (2) aufnehmenden Gehäuseelement (5) verbunden ist.
  4. Apparat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitung (7) den Brenner (2) zumindest teilweise umschließt.
  5. Apparat nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitung (7) mindestens einmal gekrümmt ausgebildet und in einer zur Brennerachse senkrechten Ebene angeordnet ist.
  6. Apparat nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitung (7) einen Zufuhranschluss (8) aufweist und von diesem aus in eine den Brenner (2) umschließende Ringleitung (9) übergeht, an die sich gegenüber vom Zufuhranschluss (8) zwei, den Brenner (2) ebenfalls umschließende Teilleitungen (10) anschließen, die in Verbindungsanschlüsse (11) am Reformer (1) münden.
  7. Apparat nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringleitung (9) einen in der zur Brennerachse senkrechten Ebene liegenden Kreis beschreibt, der von den beiden Teilleitungen (10) jeweils viertelkreissegmentartig umschlossen ist.
  8. Apparat nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseelement (5) als mit Isolationsmaterial (12) gefüllter Hohlkörper ausgebildet ist, in dem auch der aus mindestens einer Rohrleitung (7) bestehende Wärmetauscher (4) angeordnet ist.
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