WO2019157549A1 - Wärmetauscher für ein brennstoffzellensystem und verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems - Google Patents

Wärmetauscher für ein brennstoffzellensystem und verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems Download PDF

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reforming
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Michael Reissig
Sepp STEINER
Ralf ZEIRINGER
Vincent Lawlor
Marlies HOFER
Lorenzo HOLTHAUS
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Definitions

  • the invention relates to heat exchangers for a fuel cell system, in particular an operated with a liquid fuel SOFC system, with several
  • Energy between a system exhaust line and an anode supply line of a fuel cell system is transferable, comprising an evaporation region, an overheating region and a reforming region, which are flow-connected to each other.
  • the invention relates to a use of such a heat exchanger.
  • the invention relates to a fuel cell system, in particular SOFC system, with such a heat exchanger, comprising a fuel cell stack with an anode section and a cathode section.
  • the invention relates to a method for operating a
  • Fuel cell system in particular a SOFC system.
  • Heat exchangers for fuel cell systems are known from the prior art. These are arranged at different locations in a fuel cell system, such as in an anode feed line. About the
  • Anode supply line becomes fuel to an anode section of the
  • Synthesis gas or hydrogen-rich gas is generated.
  • a plurality of heat exchangers through which heat from system exhaust gas can be transferred to the fuel.
  • a reformer of a fuel cell system at least heat-transmitting with a Fleizmantel to pair.
  • Such a reformer is designed to perform a partial catalytic reaction, which is why it also includes a mixing space for admixing air.
  • the object of the invention is to provide a heat exchanger of the type mentioned, with which a fuel cell system with as few components is efficiently operable.
  • Another object is to provide a method of the type mentioned, with which a fuel cell system can be operated component low and efficient.
  • Heat transfer elements of a heat exchanger of the type mentioned at least partially comprise a catalytic material.
  • the heat exchanger according to the invention comprises an evaporator, a superheater and a reformer is within the scope of the invention
  • Heat transfer elements are arranged distributed over an entire volume of the heat exchanger. Including that the heat exchanger in one
  • Fuel cell system can be arranged and / or with lines thereof
  • Strömungsverbindbar is within the scope of the invention to be understood that this for arrangement in a fuel cell system and the corresponding
  • Heat exchanger in particular free of one and / or without mixing chamber
  • the evaporation region, the overheating region and the reforming region of the heat exchanger are directly fluidly connected to each other. It is beneficial if each of the areas except the fluid connection in itself
  • the heat exchanger is designed to flow through the fuel.
  • a heat exchanger which in principle can be operated in the DC principle, countercurrent principle or cross-flow principle.
  • the heat exchanger transmits thermal energy from a first fluid, in particular
  • System exhaust to a second fluid, in particular fuel or fuel, preferably a water-fuel mixture.
  • the fluids may be gaseous or liquid or partly gaseous or partly liquid.
  • the second fluid in particular a water-containing fuel, upstream of the heat exchanger liquid and the system exhaust gas.
  • the Anodenzumol technisch or the fuel and the system exhaust line or the system exhaust gas are thus coupled to each other heat transfer.
  • a heat exchanger for a fuel cell system in particular for a SOFC system (SOFC stands for solid oxide fuel cell or solid oxide fuel cell) is provided.
  • SOFC solid oxide fuel cell or solid oxide fuel cell
  • Such a fuel cell system is operated in particular with liquid fuel, more preferably with a liquid fuel-water mixture such as an ethanol-water mixture.
  • a liquid fuel-water mixture such as an ethanol-water mixture.
  • the heat exchanger according to the invention in a motor assembly of a
  • the heat transfer elements are coated with a catalytic material. It is advantageous if the evaporation region is smaller than the reforming region, that is, the evaporation region also comprises fewer heat transfer elements than the reforming region. Preferably, its volume is also smaller than the volume of
  • the evaporation region is fluidic with the
  • Overheating connected and the overheating area is fluidly connected to the reforming area.
  • the anode supply line is flow-connected to the evaporation region, wherein fuel can be passed to an anode section of the fuel cell system via the anode supply line connected to a cold side of the heat exchanger.
  • fuel supply line forming part of the Anodenzu classroom
  • Koch liquid fuel to the evaporation region can be conducted, where it is converted into a gas.
  • the fuel is thus passed over the cold side of the heat exchanger, wherein this is in particular evaporable by a heat of system exhaust gas.
  • burned system exhaust over the warm side of the heat exchanger is feasible.
  • hot or hot system exhaust gas in particular, the catalytic material of the reforming region to a predetermined operating temperature or
  • Activation temperature can be brought. Due to the catalytic material are in the
  • a downstream flow direction of the system exhaust gas is as follows: reforming area, overheating area, evaporation area.
  • System exhaust is understood in the context of the invention, in particular anode exhaust gas and cathode exhaust gas.
  • anode exhaust gas and cathode exhaust gas.
  • the heat exchanger according to the invention is anode exhaust gas downstream of a
  • air cathode exhaust gas
  • system exhaust gas line for supplying system exhaust gas of the fuel cell system to the overheating region and / or the reforming region which can not be completely combusted system exhaust gas via the warm side of the heat exchanger. That is, in one
  • Fuel cell system with the heat exchanger according to the invention, the downstream of a fuel cell stack of anode exhaust gas and cathode exhaust gas merged system exhaust gas in particular supplied directly to the heat exchanger. It can therefore be dispensed with a catalytic afterburner.
  • the heat transfer elements therefore have a catalytic material or are coated with a catalytic material on that side, which is traversed by the system exhaust gas or can be flowed through. In doing so, all areas of the
  • Heat exchangers may be catalytically coated on a side through which the system exhaust gas flows or only individual ones thereof. It is advantageous if at least the heat transfer elements of the reforming region both on the side, which is traversed by the fuel, as well as on the side which from
  • System exhaust gas is flowed through, is catalytically coated. Due to the catalytic material arranged on the system exhaust side of the heat transfer elements, it is possible for one to have the system exhaust gas which is in the
  • Fuel cell stack has not been completely burned, nachverbines completely catalytic in the heat exchanger and on the other hand enough heat is generated, whereby a heat transfer is further improved in a row.
  • a heat exchanger formed in this way not only comprises an evaporation region, an overheating region and a reforming region, but also an afterburner region.
  • the overheating region and the reforming region are designed as a common region. This is to say that the overheating and the reforming of the fuel in one step or at least very quickly in a row are feasible.
  • the overheating area and the reforming region are designed as a common region. This is to say that the overheating and the reforming of the fuel in one step or at least very quickly in a row are feasible.
  • Reforming area are not spatially separated.
  • the evaporation area is so from the overheating area and / or
  • the gaseous fuel can be heated to a temperature of about 300 ° C to about 400 ° C or more by a heat transfer from the system exhaust and thereby preconditionable for reforming.
  • the superheated and preconditioned gas can be used and reformed directly in the reformer.
  • the heat exchanger can be arbitrarily, for example, as a tube bundle heat exchanger, formed. Appropriately, however, this is designed as a plate heat exchanger. So here are the
  • Heat transfer elements formed as plates or plate bundles, wherein the plates or plate bundles of the reforming region comprise a catalytic material or coated with a catalytic material.
  • Plate heat exchanger formed heat exchanger is particularly advantageous if the plates with a small thickness of in the range of about 1 mm to 2 mm, in particular about 1, 2 mm to 1, 5 mm, more preferably about
  • the evaporation area may comprise about 24 plates, whereas a common area for overheating and
  • Reforming may comprise about 30 plates, which are at least partially catalytically coated or comprise a catalytic material. In principle, however, more or fewer plates can be provided. A number of the plates is dependent on a given space and / or pressure loss requirements.
  • the plates of the plate-shaped heat exchanger are so non-positively or cohesively connected to each other, that in each successive spaces between individual plates once the fuel and then the system exhaust gas flows or out.
  • the plates are advantageously each formed with a profile or profiled, so that a surface for the heat transfer is further increased. It is advantageous if the plates, which are arranged in the reforming region, are coated with a catalytic material. One side of each of the plates is catalytically coated, the
  • the plates of the plate heat exchanger may also be at least partially coated on both sides, so that even those areas in which the system exhaust gas flows, are designed for catalytic reforming. This is particularly advantageous if the system exhaust immediately downstream of a fuel cell stack is fed to the heat exchanger via the system exhaust line without being previously completely burned in an afterburner. Such a heat exchanger then assumes the function of an afterburner or also contains this component.
  • the catalytic coating is formed as a catalytic tissue or catalytically coated, in particular metallic, grid.
  • the catalytic coating is designed to reform the vaporized and optionally superheated fuel.
  • the reforming area and the overheating area are integrally formed, the evaporated fuel is overheated and reformed almost simultaneously.
  • the reforming is advantageously carried out by steam reforming without supply of air or steam.
  • a water-containing fuel such as an ethanol-water mixture no separate supply of (water) vapor is necessary.
  • the amount of steam required for steam reforming is already provided by the vaporized fuel itself.
  • the catalytic coating it can be provided within the scope of the invention for the catalytic coating to be in the form of a catalytically coated metallic grid
  • the reforming region is designed and assigned to carry out a steam reforming. So there is an endothermic reaction.
  • the energy required for this is according to the invention over the System exhaust, which is heat transfer coupled to the reforming area provided.
  • a supply line of air to the evaporation area or overheating area is provided.
  • air upstream of the evaporation zone is mixable with the fuel.
  • the fuel and the air are fed separately from one another to the evaporation region of the heat exchanger. It may also be advantageous if the air downstream of the
  • Evaporation area is supplied to the overheating area.
  • an oxygen-containing fluid in particular a
  • oxygen-containing gas particularly preferably ambient air, understood. This makes it possible, optionally next to or alternatively to steam reforming a
  • Fuel cell stack is still cold and needs to be heated. By the supply of air at, in particular exclusively, a start phase of
  • Fuel cell system is thus the fuel cell stack by catalytic partial oxidation can be reheated. If this has reached a predetermined temperature, the supply of air, in particular by a valve is switched off again. In addition, by the air supply at a starting phase of the
  • an electric heater is provided. That is, the heat exchanger includes an electric heater.
  • the heating device can also be non-electric. This is in particular to
  • Heating the fuel or fuel-water mixture formed more preferably, the heating means is exclusively for heating,
  • Evaporation and / or reforming of the fuel or fuel-water mixture formed and arranged at a warm-up phase of the fuel cell system At a start-up phase or warm-up phase of the fuel cell system is still no or insufficient or not enough warm system exhaust vorahnden to transfer the heat required to the heat exchanger.
  • the electric heater may operate for a period of about 2 minutes to 10 minutes. It is favorable, if the
  • Evaporation area and the reforming area and / or overheating area is arranged.
  • the electrical support for evaporation and reforming can indeed be carried out in principle in an external component, but an integration of this function for reasons of space is desirable.
  • a use of a heat exchanger according to the invention takes advantage of me to evaporate, overheated and reforming a liquid fuel in a SOFC system.
  • the fuel cell system further includes a fuel stack having an anode portion and a cathode portion, and a start burner, an afterburner, and at least one other
  • Heat exchanger on It is favorable, if the fuel cell system more valves for controlling various lines and a fan for conveying the
  • the at least one further heat exchanger is with a cold side in a Kathodenzutubetechnisch
  • the fuel cell system according to the invention is used in particular in a motor vehicle.
  • a method of the type mentioned at the beginning comprises the following steps: - Passing a liquid fuel, in particular a liquid fuel-water mixture in the direction of one in a Anodenzumol
  • Heat exchanger wherein the heat exchanger over, in particular completely burned, system exhaust gas is heated, wherein heat from in a
  • the entire waste heat of the system exhaust gas is used to heat a single component.
  • the heat of the system exhaust gas is advantageously transferred in the following order for carrying out the processes taking place in the heat exchanger: overheating and / or
  • Fuel cell system have been described.
  • heat exchanger comprises a catalytic material.
  • the heat exchanger comprises a catalytic material.
  • no air supply is necessary or provided.
  • heat-conducting elements for example plates, with a
  • the heat exchanger in DC principle or in
  • Cross-flow principle are flowed through by the fuel and the system exhaust gas.
  • a particularly efficient heat transfer from the system exhaust gas to the fuel is achieved when the heat exchanger flows through the fuel and the system exhaust gas in a countercurrent flow principle.
  • the fuel or vaporized or superheated fuel is flowed past the system exhaust gas as being opposite in the respective region of the heat exchanger, heat being transferred from the system exhaust gas to the system exhaust gas
  • System exhaust gas is flowed through, wherein the reforming region is flowed through upstream of an overheating region of the heat exchanger from the system exhaust gas.
  • heat is transferred particularly efficiently. That is, the necessary and predetermined temperatures required for the respective processes (evaporation, superheating, reforming) are achieved in a short period of time.
  • Heat exchanger is flowed through upstream of an overheating region of the heat exchanger by the fuel, wherein a reforming region of the
  • Heat exchanger downstream of the overheating region is flowed through by the fuel in order to further optimize the heat transfer.
  • Cathode section of the fuel cell system is passed. Under air is understood in the context of the invention, in particular ambient air, although air may also consist of a major portion of oxygen or pure oxygen. Downstream of the fuel cell stack, anode exhaust and cathode exhaust gas are mixed into the system exhaust gas, which provides the necessary heat for the system
  • Fig. 1 a heat exchanger according to the invention
  • Fig. 2 is a block diagram for illustrating an inventive
  • Fig. 3 is a block diagram illustrating another inventive
  • Fuel cell system according to an embodiment of the invention.
  • Fig. 1 shows a heat exchanger according to the invention 1. This comprises a plurality of heat transfer elements 2, an evaporation region 5, a
  • the plate heat exchanger designed as a heat exchanger 1 has a cold side 8 and a warm side 9.
  • the heat exchanger 1 is with its cold side 8 in a
  • Anodenzu111 decisively can be arranged and via a system exhaust line 3 heat from system exhaust gas can be transferred to a guided in the Anodenzu211 effet 4 aqueous fuel.
  • the heat exchanger 1 is designed as a plate heat exchanger and comprises a plurality of plate-shaped heat transfer elements 2, which partially comprise a catalytic material. Both the
  • Evaporation area 5, overheating area 6, and reforming area 7 include heat transfer element 2, these areas being fluidly connected to each other.
  • the heat exchanger 1 is adapted to a
  • the heat exchanger 1 can basically be designed for heat transfer in the DC principle, countercurrent principle or crossflow principle. It is a flow direction of the
  • Heat exchanger 1 is operated in countercurrent principle. Should this be in
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating a device according to the invention
  • Fuel cell system (100) according to an embodiment of the invention shown.
  • this further includes a
  • Cathode section 130 In addition, a start burner 140, an afterburner 150, another heat exchanger 160 and a fuel source 170 and an air source 180.
  • the elements are connected via an anode feed line 4, a cathode feed line 12 and a system exhaust line 3.
  • anode feed line 4 For switching these lines 3, 4, 12 different valves 13 are provided.
  • a cathode blower 200 is provided, which is arranged in the cathode supply line 12 in the flow direction of the air downstream of the air source 180 and upstream of the further heat exchanger 160.
  • the further heat exchanger 160 is arranged with its cold side in the Kathodenzuschreibtechnisch 12 and for heating the air which is supplied to the cathode portion 130 is formed. A warm side of the further heat exchanger 160 flows through the system exhaust gas upstream of the heat exchanger 1.
  • Fig. 3 shows a preferred embodiment of the fuel cell system 100, wherein the heat exchanger 1 is flowed through in the countercurrent principle.
  • Fuel cell system 100 of FIG. 3 is in regular operation, a liquid water-fuel mixture from the fuel source 170 through the
  • Heat exchanger 1 the water-fuel mixture is completely evaporated in a first step in the evaporation region 5, wherein this at a discharge from the evaporation region 5 has a temperature of about 100 ° C, preferably above 1 10 ° C, in particular from about 120 ° C. , In a second, the
  • the gaseous water-fuel mixture so for use in
  • Synthesis gas present water-fuel mixture is downstream of the heat exchanger 1 in the Anodenzutechnisch 4 to the fuel cell stack 120, more precisely to the anode section 110, out.
  • the anode exhaust gas and the cathode exhaust gas are combined to form the system exhaust gas, with the anode exhaust gas being burnt in admixture with the cathode exhaust gas in a catalytic afterburner 150. Downstream of the afterburner 150, the now completely burned system exhaust gas in the system exhaust line 3 is guided in the direction of the further heat exchanger 160. About the other heat exchanger 160 is
  • Cathode feed line to the cathode section 130 is supplied. Downstream of the further heat exchanger 160, it is arranged heat exchanger 1, to which the system exhaust gas is supplied.
  • the heat exchanger 1 is shown in FIG. 3 in
  • Reforming area 7 and the overheating area 6 formed substantially as a common area. That is, the two steps of overheating and reforming in the heat exchanger 1 take place substantially at the same time or with a very short time interval from each other. Downstream of the
  • Reforming area 7 or overheating area 6 the system exhaust gas is supplied to the evaporation region 5 connected thereto flow. The remaining heat of the system exhaust gas is thus used to evaporate the water-fuel mixture. The now cooled system exhaust gas is discharged downstream of the heat exchanger 1 in the environment 220.
  • this and / or the elements disposed therein Prior to the regular operation of the fuel cell system 100 described above, this and / or the elements disposed therein must be heated to a predetermined temperature usually. This includes the
  • Fuel cell system 100 a starting burner 140.
  • About two sections 14 a, 14 b of the sub-line 14 is the starting burner 140 fuel from the fuel source 170th and air supplied from the air source 180.
  • the first section 14a separates downstream of the fuel source 170 from the anode supply line 4, wherein a valve 13b is arranged in the first section.
  • the second section 14 b separates downstream of the air source 180 from the cathode supply line 12, wherein the first section 14 a and the second section 14 b are merged upstream of the starting burner 140.
  • the starting burner 140 is the
  • fuel is burned while supplying air to a hot gas.
  • the gas is downstream of the starting burner 140 at a warm-up of the
  • Heat exchanger 160 and then fed to the heat exchanger 1, wherein the heat of the gas is transferred to this. Once the fuel cell system 100 or the individual elements thereof have reached the predetermined operating temperature, the heat transfer takes place on the heat exchanger 1, 160 as above
  • Air or an oxygen-containing fluid to the evaporation region 5 can be supplied to warm up the fuel cell stack 120 via a catalytic partial oxidation during a heating operation of the fuel cell system 100. Once the fuel cell system 100 has reached an operating temperature, the air supply can be adjusted via a valve, not shown.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher (1) für ein Brennstoffzellensystem (100), insbesondere ein mit einem flüssigen Brennstoff betriebenes SOFC-System, mit mehreren Wärmeübertragungselementen (2), wobei durch den Wärmetauscher (1) thermische Energie zwischen einer Systemabgasleitung (3) und einer Anodenzuführleitung (4) eines Brennstoffzellensystems (100) übertragbar ist, aufweisend einen Verdampfungsbereich (5), einen Überhitzungsbereich (6) und einen Reformierungsbereich (7), welche miteinander strömungsverbunden sind, wobei die Wärmeübertragungselemente (2) zumindest teilweise ein katalytisches Material umfassen. Weiter betrifft die Erfindung eine Verwendung eines solchen Wärmetauschers (1) und ein Brennstoffzellensystem (100) mit einem solchen Wärmetauscher (1). Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (100), insbesondere eines SOFC-Systems, mit einem solchen Wärmetauscher (1).

Description

Wärmetauscher für ein Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
Die Erfindung betrifft Wärmetauscher für ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein mit einem flüssigen Brennstoff betriebenes SOFC-System, mit mehreren
Wärmeübertragungselementen, wobei durch den Wärmetauscher thermische
Energie zwischen einer Systemabgasleitung und einer Anodenzuführleitung eines Brennstoffzellensystems übertragbar ist, aufweisend einen Verdampfungsbereich, einen Überhitzungsbereich und einen Reformierungsbereich, welche miteinander strömungsverbunden sind.
Weiter betrifft die Erfindung eine Verwendung eines solchen Wärmetauschers.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem, insbesondere SOFC- System, mit einem solchen Wärmetauscher, umfassend einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines
Brennstoffzellensystems, insbesondere eines SOFC-Systems.
Wärmetauscher für Brennstoffzellensysteme sind aus dem Stand der Technik bekannt. Diese werden an unterschiedlichen Stellen in einem Brennstoffzellensystem angeordnet, wie beispielsweise in einer Anodenzuführleitung. Über die
Anodenzuführleitung wird Brennstoff zu einem Anodenabschnitt des
Brennstoffzellensystems geleitet. Bei einer Verwendung eines flüssigen Brennstoffes wie beispielsweise Diesel oder Ethanol muss dieser vorab verdampft und reformiert werden, sodass das für die Reaktion im Brennstoffzellenstapel notwendige
Synthesegas oder wasserstoffreiche Gas erzeugt wird. Um die dafür notwendigen Temperaturen erzeugen zu können, ist es bekannt mehrere Wärmetauscher zu verwenden, durch welche Wärme von Systemabgas auf den Brennstoff übertragen werden kann.
Insbesondere bei einer Verwendung eines Brennstoffzellensystems in einem
Fahrzeug ist es ein Ziel, die Komponentenanzahl desselben so gering wie möglich zu halten. Folglich wird in aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen versucht, einzelne Komponenten in einer gemeinsamen Komponente zu vereinen.
Beispielsweise ist es aus der DE°10°2011 °088°566°A1 bekannt, einen Reformer eines Brennstoffzellensystems zumindest wärmeübertragend mit einem Fleizmantel zu koppeln. Ein derartiger Reformer ist zur Durchführung einer partiellen katalytischen Reaktion ausgebildet, weshalb dieser auch einem Mischraum zur Beimischung von Luft umfasst. Somit wird durch ein solches Brennstoffzellensystem das Ziel, die Komponentenanzahl, bei gleichzeitiger Reduzierung einer
Komponentengröße und eines effektiven Betriebs des Brennstoffzellensystems, zu reduzieren, nicht erreicht.
Hier setzt die Erfindung an. Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem ein Brennstoffzellensystem mit möglichst wenigen Komponenten effizient betreibbar ist.
Weiter ist es ein Ziel, eine Verwendung eines solchen Wärmetauschers anzugeben.
Ferner ist es ein Ziel, ein verbessertes Brennstoffzellensystem anzugeben.
Ein weiteres Ziel ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem ein Brennstoffzellensystem komponentenarm und effizient betrieben werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die
Wärmeübertragungselemente eines Wärmetauschers der eingangs genannten Art zumindest teilweise ein katalytisches Material umfassen.
Ein damit erzielter Vorteil ist insbesondere darin zu sehen, dass durch die integrale Ausbildung eines Verdampfers, Überhitzers und Reformers als erfindungsgemäßer Wärmetauscher in Kombination mit dem katalytischen Material nur ein einziges Element notwendig ist, welches die drei genannten Elemente vereint. Darüber hinaus ist es im erfindungsgemäßen Wärmetauscher möglich, flüssigen Brennstoff direkt in diesem zu verarbeiten, ohne dass in der Anodenzuführleitung stromaufwärts davon ein eigener Verdampfer und/oder Wärmetauscher hierfür notwendig ist. Das katalytische Material der Wärmeübertragungselemente erlaubt einen Prozess der Dampfreformierung bei gleichzeitiger Wärmeübertragung von einer warmen auf eine kalte Seite des Wärmetauschers. Ferner ist es durch die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht, die Bauraumoptimierung des Wärmetauschers und folglich auch eines Brennstoffzellensystems mit einem solchen Wärmetauscher derart zu optimieren, dass die Flächen für einen Wärmetausch trotzdem noch groß genug sind, um eine Dampfreformierung zu ermöglichen bzw. effizient durchzuführen. Die
Dampfreformierung benötigt nämlich einen hohen Wärmeübertrag und folglich eine große Fläche zur Durchführung der chemischen Reaktion. Dies wird durch die Ausbildung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers im Gegensatz zu aus den Stand der Technik bekannten Lösungen ermöglicht.
Darunter dass der erfindungsgemäße Wärmetauscher einen Verdampfer, einen Überhitzer sowie einen Reformer umfasst, ist im Rahmen der Erfindung
insbesondere zu verstehen, dass diese innerhalb einer gemeinsamen Box
angeordnet sind oder eine gemeinsame Hülle umfassen oder durch einen
gemeinsamen Mantel nach außen hin abgeschlossen sind. Diese sind in jedem Fall gemeinsam gegenüber einer Umgebung abgeschlossen. Die
Wärmeübertragungselemente sind über ein gesamtes Volumen des Wärmetauschers verteilt angeordnet. Darunter dass der Wärmetauscher in einem
Brennstoffzellensystem anordenbar und/oder mit Leitungen desselben
strömungsverbindbar ist, ist im Rahmen der Erfindung zu verstehen, dass dieser zur Anordnung in einem Brennstoffzellensystem sowie zum entsprechenden
Wärmetausch ausgebildet ist.
Vorteilhaft ist es weiter, dass alle im Wärmetauscher durchführbaren Prozesse (Verdampfung, Überhitzung, Reformierung) durch Dampfreformierung (steam reforming) durchführbar sind oder durchgeführt werden. Folglich ist der
Wärmetauscher insbesondere frei von einer und/oder ohne Mischkammer
ausgebildet. Es ist keine Zuführung von Luft, insbesondere Sauerstoff notwendig.
Der Verdampfungsbereich, der Überhitzungsbereich und der Reformierungsbereich des Wärmetauschers sind unmittelbar miteinander fluidisch verbunden. Günstig ist es, wenn jeder der Bereiche mit Ausnahme der Fluidverbindung in sich
abgeschlossen sind. Der Wärmetauscher ist vom Brennstoff durchströmbar ausgebildet.
Unter einem Wärmetauscher wird im Rahmen der Erfindung ein Wärmeübertrager verstanden, welcher grundsätzlich im Gleichstromprinzip, Gegenstromprinzip oder Kreuzstromprinzip betrieben werden kann. Der Wärmetauscher überträgt im Rahmen der Erfindung thermische Energie von einem ersten Fluid, insbesondere
Systemabgas, zu einem zweiten Fluid, insbesondere Kraftstoff bzw. Brennstoff, bevorzugt ein Wasser-Brennstoff-Gemisch. Die Fluide können im Rahmen der Erfindung gasförmig oder flüssig oder teilweise gasförmig bzw. teilweise flüssig sein. Bevorzugt ist das zweite Fluid, insbesondere ein wasserhaltige Brennstoff, stromaufwärts des Wärmetauschers flüssig und das Systemabgas gasförmig. Die Anodenzuführleitung bzw. der Brennstoff und die Systemabgasleitung bzw. das Systemabgas sind also wärmeübertragend miteinander gekoppelt.
Gemäß eines ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Wärmetauscher für ein Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein SOFC-System (SOFC steht für „solid oxide fuel cell“, bzw. Festoxidbrennstoffzelle), zur Verfügung gestellt. Ein derartiges Brennstoffzellensystem wird insbesondere mit flüssigem Brennstoff, besonders bevorzugt mit einem flüssigen Brennstoff-Wasser-Gemisch wie einem Ethanol-Wasser-Gemisch, betrieben. Gleichwohl kann es auch günstig sein, wenn der erfindungsgemäße Wärmetauscher in einer Motoranordnung eines
Verbrennungsmotors verwendet bzw. hierfür zur Verfügung gestellt wird.
Insbesondere kann dieser zum Einsatz in einer AGR-Leitung und/oder in einem Abgasstrang bzw. zum Wärmeübertrag zwischen einer AGR-Leitung und einem Abgasstrang zur Verfügung gestellt sein.
Bei einem erfindungsgemäßen Wärmetauscher umfassen insbesondere
ausschließlich die Wärmeübertragungselemente des Reformierungsbereiches und/oder des Überhitzungsbereiches ein katalytisches Material, sodass eine für einen Reformierungsvorgang notwendige katalytische Reaktion durchführbar ist. Besonders bevorzugt sind die Wärmeübertragungselemente mit einem katalytischen Material beschichtet. Von Vorteil ist es, wenn der Verdampfungsbereich kleiner ausgebildet ist als der Reformierungsbereich, das heißt, der Verdampfungsbereich umfasst auch weniger Wärmeübertragungselemente als der Reformierungsbereich. Bevorzugt ist dessen Volumen auch kleiner als das Volumen des
Reformierungsbereiches. Der Verdampfungsbereich ist fluidisch mit dem
Überhitzungsbereich verbunden und der Überhitzungsbereich ist fluidisch mit dem Reformierungsbereich verbunden.
Günstig ist es, wenn die Anodenzuführleitung mit dem Verdampfungsbereich strömungsverbunden ist, wobei über die mit einer kalten Seite des Wärmetauschers verbundenen Anodenzuführleitung Brennstoff, insbesondere ein Brennstoff-Wasser- Gemisch, zu einem Anodenabschnitt des Brennstoffzellensystems führbar ist. Über eine Brennstoffzuführleitung bildenden Teil der Anodenzuführleitung ist flüssiger Brennstoff zum Verdampfungsbereich leitbar, wo dieser in ein Gas umgewandelt wird. Der Brennstoff wird also über die kalte Seite des Wärmetauschers geführt, wobei dieser insbesondere durch eine Wärme von Systemabgas verdampfbar ist.
Der Brennstoff strömt in Strömungsrichtung in der Anodenzuführleitung zuerst in den Verdampfungsbereich, anschließend in den Überhitzungsbereich und schließlich in den Reformierungsbereich bevor dieser stromabwärts des Wärmetauschers in Richtung des Anodenanschnittes leitbar ist.
Es ist vorteilhaft, wenn eine Systemabgasleitung zum Zuführen von Systemabgas des Brennstoffzellensystems zum Überhitzungsbereich und/oder zum
Reformierungsbereich vorgesehen ist, wobei das insbesondere vollständig
verbrannte Systemabgas über die warme Seite des Wärmetauschers führbar ist. Durch warmes bzw. heißes Systemabgas ist insbesondere das katalytische Material des Reformierungsbereiches auf eine vorbestimmte Betriebstemperatur oder
Aktivierungstemperatur bringbar. Durch das katalytische Material sind im
Reformierungsbereich des Wärmetauschers chemische Reaktionen zur Umwandlung des Brennstoffes ab etwa 450 °C durchführbar. Die Wärme des Systemabgases wird durch die Wärmeübertragungselemente auf den gasförmigen Brennstoff im
Reformierungsbereich übertragen. Da der Reformierungsbereich und/oder der Überhitzungsbereich höhere Temperaturen benötigt als der Verdampfungsbereich ist eine stromabwärtige Strömungsrichtung des Systemabgases insbesondere wie folgt: Reformierungsbereich, Überhitzungsbereich, Verdampfungsbereich. Unter
Systemabgas wird im Rahmen der Erfindung insbesondere Anodenabgas sowie Kathodenabgas verstanden. In einem Brennstoffzellensystem mit einem
erfindungsgemäßen Wärmetauscher wird Anodenabgas stromabwärts eines
Brennstoffzellenstapels unter Beimischung von Kathodenabgas (Luft) in einem Nachbrenner insbesondere vollständig verbrannt. Stromabwärts des Nachbrenners wird das Systemabgas dann dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher zugeführt, wobei die Wärme desselben nahezu vollständig für die Prozesse im Wärmetauscher genutzt wird, bevor abgekühltes Systemabgas stromabwärts des Wärmetauschers an die Umgebung abgegeben wird.
Grundsätzlich kann es auch günstig sein über die Systemabgasleitung zum Zuführen von Systemabgas des Brennstoffzellensystems zum Überhitzungsbereich und/oder zum Reformierungsbereich nicht vollständig verbranntes Systemabgas über die warme Seite des Wärmetauschers führbar ist. Das heißt, in einem
Brennstoffzellensystem mit dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher wird das stromabwärts eines Brennstoffzellenstapels aus Anodenabgas und Kathodenabgas zusammengeführte Systemabgas insbesondere unmittelbar dem Wärmetauscher zugeführt. Es kann also auf einen katalytischen Nachbrenner verzichtet werden. Die Wärmeübertragungselemente weisen also auf jener Seite, welche vom Systemabgas durchströmt wird oder durchströmbar ist ein katalytisches Material auf oder sind mit einem katalytischen Material beschichtet. Dabei können alle Bereiche des
Wärmetauscher auf einer vom Systemabgas durchströmten Seite katalytisch beschichtet sein oder nur einzelne davon. Günstig ist es, wenn zumindest die Wärmeübertragungselemente des Reformierungsbereiches sowohl auf der Seite, welche vom Brennstoff durchflossen wird, als auch auf der Seite, welche vom
Systemabgas durchströmt wird, katalytisch beschichtet ist. Durch das auf der Systemabgasseite der Wärmeübertragungselemente angeordnete katalytische Material ist es zum einem möglich das Systemabgas, welches im
Brennstoffzellenstapel noch nicht vollständig verbrannt wurde, im Wärmetauscher vollständig katalytisch nachzuverbrennen und zum anderen wird genügend Wärme erzeugt, wodurch ein Wärmeübergang in weiterer Folge weiter verbessert wird.
Durch die mögliche Einsparung des Nachbrenners in einem Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Wärmetauscher ist die Komponentenanzahl weiter reduziert und eine Kompaktheit des Brennstoffzellensystems erhöht. Ein derart ausgebildeter Wärmetauscher umfasst also nicht nur einen Verdampfungsbereich, einen Überhitzungsbereich und einen Reformierungsbereich, sondern auch einen Nachbrennerbereich.
Vorteilhaft ist es, wenn der Überhitzungsbereich und der Reformierungsbereich als gemeinsamer Bereich ausgebildet sind. Das soll heißen, dass die Überhitzung und die Reformierung des Brennstoffes in einem Schritt oder zumindest sehr zeitnah nacheinander durchführbar sind. Der Überhitzungsbereich und der
Reformierungsbereich sind räumlich nicht voneinander getrennt. Im Gegensatz dazu ist der Verdampfungsbereich derart vom Überhitzungsbereich und/oder
Reformierungsbereich getrennt, dass der Brennstoff in Strömungsrichtung zuerst den Verdampfungsbereich passiert und anschließend gasförmig in den
Überhitzungsbereich und/oder Reformierungsbereich eintritt. Im Überhitzungsbereich ist der gasförmige Brennstoff auf eine Temperatur von etwa 300 °C bis etwa 400 °C oder mehr durch einen Wärmeübertrag vom Systemabgas erhitzbar und dadurch für eine Reformierung vorkonditionierbar. Durch die Ausbildung des
Überhitzungsbereiches und des Reformierungsbereiches als ein gemeinsamer Bereich ist das überhitzte und vorkonditionierte Gas unmittelbar im Reformer verwendbar und reformierbar.
Im Rahmen der Erfindung kann der Wärmetauscher beliebig, beispielsweise als Rohrbündelwärmetauscher, ausgebildet sein. Zweckmäßigerweise ist dieser jedoch als Plattenwärmetauscher ausgebildet. Dabei sind also die
Wärmeübertragungselemente als Platten oder Plattenbündel ausgebildet, wobei die Platten oder Plattenbündel des Reformierungsbereiches ein katalytisches Material umfassen oder mit einem katalytischen Material beschichtet sind. Ein als
Plattenwärmetauscher ausgebildeter Wärmetauscher ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Platten mit einer geringen Dicke von im Bereich von etwa 1 mm bis 2 mm, insbesondere etwa 1 ,2 mm bis 1 ,5 mm, besonders bevorzugt etwa
1 ,3 mm, ausgebildet sind. Durch die dünne Wanddicke sowie eine große Fläche der Platten (im Bereich von etwa 200 mm mal 80 mm) ist ein großer Wärmeübertrag ermöglicht. Der Verdampfungsbereich kann beispielsweise etwa 24 Platten umfassen, wohingegen ein gemeinsamer Bereich für die Überhitzung und
Reformierung etwa 30 Platten umfassen kann, wobei diese zumindest teilweise katalytisch beschichtet sind oder ein katalytisches Material umfassen. Grundsätzlich können jedoch auch mehr oder weniger Platten vorgesehen sein. Eine Anzahl der Platten ist abhängig von einem vorgegebenen Bauraum und/oder Anforderungen an einen Druckverlust. Die Platten des Plattenförmig ausgebildeten Wärmetauschers sind derart kraftschlüssig oder stoffschlüssig miteinander verbunden, dass jeweils in aufeinanderfolgenden Zwischenräumen zwischen einzelnen Platten einmal der Brennstoff und danach das Systemabgas fließt oder geführt sind. Die Platten sind mit Vorteil jeweils mit einem Profil bzw. profiliert ausgebildet, sodass eine Fläche für den Wärmeübertrag weiter erhöht ist. Dabei ist es günstig, wenn die Platten, welche im Reformierungsbereich angeordnet sind, mit einem katalytischen Material beschichtet sind. Es ist jeweils eine Seite der Platten katalytisch beschichtet, wobei die
beschichtete Seite zweier aufeinander folgender Platten zueinander ausgerichtet ist, sodass der gasförmige und überhitzte Brennstoff zwischen diesen Platten fließt und reformiert wird. Grundsätzlich kann es jedoch auch vorgesehen sein, dass nur jeweils jede zweite Platte katalytisch beschichtet ist. Die Platten des Plattenwärmetauschers können auch zumindest teilweise beidseitig beschichtet sein, sodass auch jene Bereiche, in welchen das Systemabgas fließt, zur katalytischen Reformierung ausgebildet sind. Das ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das Systemabgas unmittelbar stromabwärts eines Brennstoffzellenstapels dem Wärmetauscher über die Systemabgasleitung zugeführt wird, ohne vorher in einem Nachbrenner vollständig verbrannt zu werden. Ein derartiger Wärmetauscher übernimmt dann die Funktion eines Nachbrenners bzw. enthält auch diese Komponente.
Von Vorteil ist es, wenn die katalytische Beschichtung als katalytisches Gewebe oder katalytisch beschichtetes, insbesondere metallisches, Gitter ausgebildet ist.
Besonders günstig ist es, wenn die Wärmeübertragungselemente des
Reformierungsbereich mit dem katalytischen Gewebe oder dem katalytisch
beschichteten Gitter beschichtet sind. Die katalytische Beschichtung ist dazu ausgebildet, den verdampften und gegebenenfalls überhitzten Brennstoff zu reformieren. Sind der Reformierungsbereich und der Überhitzungsbereich integral ausgebildet, wird der verdampfte Brennstoff annähernd gleichzeitig überhitzt und reformiert. Die Reformierung erfolgt mit Vorteil durch Dampfreformierung ohne Zuführung von Luft oder Dampf. Insbesondere ist bei einer Verwendung eines wasserhaltigen Brennstoffes wie einem Ethanol-Wasser-Gemisch keine eigene Zuführung von (Wasser)dampf notwendig. Die für die Dampfreformierung benötigte Menge an Dampf ist bereits durch den Verdampften Brennstoff selbst zur Verfügung gestellt. Insbesondere kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass die katalytische Beschichtung als katalytisch beschichtetes metallisches Gitter
ausgebildet ist. Dieses wird zwischen zwei plattenförmige
Wärmeübertragungselementen eingelegt, wonach diese insbesondere kraftschlüssig derart miteinander verbunden werden, dass die jeweils zueinander angeordnet Seite der Platten mit dem Gitter beschichtet sind. Zwischen diesen beiden Platten wird dann der zu reformierende Brennstoff geführt. Der Vorteil einer Verwendung eines katalytisch beschichteten metallischen Gitters ist, dass dieses eine niedrige thermische Masse aufweist und folglich in einer kurzen Zeit auf die vorbestimmte, zur Aktivierung der katalytischen Reaktionen notwendige Temperatur erwärmbar ist. Ist alternativ oder zusätzlich auch eine katalytische Beschichtung auf jener Seite der Wärmeübertragungselemente vorgesehen, welche vom Systemabgas umströmt wird, ist diese entsprechend wie oben beschrieben ausgebildet.
Besonders zweckmäßig ist es, wenn der Reformierungsbereich zur Durchführung einer Dampfreformierung ausgebildet und abgeordnet ist. Es erfolgt also eine endotherme Reaktion. Die dafür notwendige Energie ist erfindungsgemäß über das Systemabgas, welches wärmeübertragend mit dem Reformierungsbereich gekoppelt ist, bereitgestellt.
Darüber hinaus kann es jedoch auch günstig sein, wenn eine Zuführleitung von Luft zum Verdampfungsbereich oder Überhitzungsbereich vorgesehen ist. Insbesondere ist Luft stromaufwärts des Verdampfungsbereiches mit dem Brennstoff vermischbar. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass der Brennstoff und die Luft getrennt voneinander dem Verdampfungsbereich des Wärmetauschers zugeführt werden. Vorteilhaft kann es auch sein, wenn die Luft stromabwärts des
Verdampfungsbereiches dem Überhitzungsbereich zugeführt wird. Unter Luft wird im Rahmen der Erfindung ein sauerstoffhaltiges Fluid, insbesondere ein
sauerstoffhaltiges Gas, besonders bevorzugt Umgebungsluft, verstanden. Dadurch ist es möglich, optional neben oder alternativ zur Dampfreformierung eine
katalytische partielle Oxidation durchzuführen. Dies ist insbesondere in einer
Startphase des Brennstoffzellensystems vorteilhaft, in welcher ein
Brennstoffzellenstapel noch kalt ist und erwärmt werden muss. Durch die Zuführung von Luft bei, insbesondere ausschließlich, einer Startphase des
Brennstoffzellensystems ist somit der Brennstoffzellenstapel durch katalytische partielle Oxidation aufwärmbar. Hat dieser eine vorbestimmte Temperatur erreicht, wird die Zuführung der Luft, insbesondere durch ein Ventil wieder ausgeschalten. Darüber hinaus wird durch die Luftzufuhr bei einer Startphase des
Brennstoffzellensystems, in welcher der erfindungsgemäße Wärmetauscher anordenbar ist, eine Rußbildung im Wärmetauscher, insbesondere im
Überhitzungsbereich verhindert oder zumindest stark reduziert. Es wurde nämlich herausgefunden, dass die Zufuhr eines sauerstoffhaltigen Fluides zum
Verdampfungsvorgang des Wasser-Brennstoff-Gemisches Rußbildung bei einer, insbesondere ausschließlichen, Startphase eines Brennstoffzellensystems verhindert oder zumindest stark reduziert. Da die Rußbildung insbesondere erst bei einer Überhitzung des Wasser-Brennstoff-Gemisches, beispielsweise ab 200 °C, insbesondere ab 300 °C oder mehr, stattfindet, wird die Luft bevorzugt erst stromabwärts des Verdampfungsbereiches dem Wärmetauscher zugeführt.
Zweckmäßig ist es, eine elektrische Heizeinrichtung vorgesehen ist. Das heißt, der Wärmetauscher umfasst eine elektrische Heizeinrichtung. Grundsätzlich kann die Heizeinrichtung jedoch auch nicht-elektrisch sein. Diese ist insbesondere zum
Erwärmen des Brennstoffes bzw. Brennstoff-Wasser-Gemisches ausgebildet, besonders bevorzugt ist die Heizeinrichtung ausschließlich zum Erwärmen,
Verdampfen und/oder Reformieren des Brennstoffes bzw. Brennstoff-Wasser- Gemisches bei einer Aufwärmphase des Brennstoffzellensystems ausgebildet und angeordnet. Bei einer Startphase oder Aufwärmphase des Brennstoffzellensystems ist noch kein oder nicht genügend bzw. nicht genügend warmes Systemabgas vorahnden, um die benötigte Wärme auf den Wärmetauscher zu übertragen. Bei einem Aufheizbetrieb kann die elektrische Heizeinrichtung zum Beispiel für einen Zeitraum von etwa 2 min bis 10 min in Betrieb sein. Günstig ist es, wenn die
Heizeinrichtung in einem Schnitt durch den Wärmetauscher zwischen dem
Verdampfungsbereich und dem Reformierungsbereich und/oder Überhitzungsbereich angeordnet ist. Die elektrische Unterstützung zur Verdampfung und Reformierung kann zwar grundsätzlich in einer externen Komponente durchgeführt werden, jedoch ist eine Integration dieser Funktion aus Platzgründen anzustreben. Sobald das Brennstoffzellensystem eine Betriebstemperatur erreicht hat, wird die Heizeinrichtung wieder ausgeschalten.
Eine Verwendung eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers erfolgt mir Vorteil zum Verdampfen, Überhitzten und Reformieren eines flüssigen Brennstoffes in einem SOFC-System.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein
Brennstoffzellensystem mit einem wie vorstehend im Detail dargestellten
Wärmetauscher zur Verfügung gestellt. Das Brennstoffzellensystem weist ferner einen Brennstoffstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt sowie einen Startbrenner, einen Nachbrenner und zumindest einen weiteren
Wärmetauscher auf. Günstig ist es weiter, wenn das Brennstoffzellensystem mehrere Ventile zur Steuerung diverser Leitungen und ein Gebläse zum Fördern der
Kathodenzuführluft zum Kathodenabschnitt aufweist. Der zumindest eine weitere Wärmetauscher ist mit einer kalten Seite in einer Kathodenzuführleitung
stromabwärts des Gebläses angeordnet, um die Luft, welche dem Kathodenabschnitt zugeführt wird, auf eine dafür entsprechend notwendige Temperatur zu erhöhen. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem wird insbesondere in einem Kraftfahrzeug verwendet.
Das weitere Ziel wird erreicht, wenn ein Verfahren der eingangs genannten Art folgende Schritte umfasst: - Leiten eines flüssigen Brennstoffes, insbesondere eines flüssigen Brennstoff- Wasser-Gemisches in Richtung eines in einer Anodenzuführleitung
angeordneten erfindungsgemäßen Wärmetauschers,
- Verdampfen, Überhitzten und Reformieren des Brennstoffes im
Wärmetauscher, wobei der Wärmetauscher über, insbesondere vollständig verbranntem, Systemabgas erwärmt wird, wobei Wärme vom in einer
Systemabgasleitung geführten Systemabgas auf den Brennstoff übertragen wird,
- Zuführen des verdampften, überhitzten und reformierten Brennstoffs zu einem Anodenabschnitt des Brennstoffzellensystems.
Ein damit erzielter Vorteil ist insbesondere darin zu sehen, dass durch die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens der Brennstoff effizient und in einer einzigen Komponente verdampft, überhitzt und vollständig reformiert wird, sodass dieser in weiterer Folge als Synthesegas zum Brennstoffzellenstapel, genauer gesagt zum Anodenabschnitt geleitet werden kann. Als reformierter Brennstoff ist im Rahmen der Erfindung im Brennstoffzellenstapel verwendbares Synthesegas zu verstehen. Durch den Wärmeübertrag vom Systemabgas auf einen Verdampfungsbereich,
Überhitzungsbereich und Reformierungsbereich wird die gesamte Abwärme des Systemabgases zum Erwärmen einer einzigen Komponente genutzt. Vorteilhaft wird die Wärme des Systemabgases in folgender Reihenfolge zur Durchführung der im Wärmetauscher stattfindenden Prozesse übertragen: Überhitzen und/oder
Reformieren des verdampften Brennstoffes oder verdampften Wasser-Brennstoff- Gemisches und Verdampfen des Brennstoffes oder Wasser-Brennstoff-Gemisches.
Die übrigen mit der Funktionsweise des Wärmetauschers verbundenen Vorteile und Funktionen sind gleichen wie sie vorstehend ausführlich mit Bezug auf den erfindungsgemäßen Wärmetauscher sowie das erfindungsgemäße
Brennstoffzellensystem beschrieben worden sind.
Dabei ist es weiter von Vorteil, wenn der Brennstoff im Wärmetauscher
dampfreformiert wird, wobei der Wärmetauscher ein katalytisches Material umfasst. Insbesondere ist also keine Luftzufuhr notwendig oder vorgesehen. Besonders bevorzugt werden Wärmeleitelemente, beispielsweise Platten, mit einem
katalytischen Material beschichtet. Grundsätzlich kann der Wärmetauscher im Gleichstromprinzip oder im
Kreuzstromprinzip vom Brennstoff und vom Systemabgas durchströmt werden. Ein besonders effizienter Wärmeübertrag vom Systemabgas auf den Brennstoff wird jedoch erreicht, wenn der Wärmetauscher vom Brennstoff und vom Systemabgas im Gegenstromprinzip durchströmt wird. Der Brennstoff bzw. verdampfte oder überhitzte Brennstoff wird als in dem jeweiligen Bereich des Wärmetauschers entgegengesetzt am Systemabgas vorbeigeströmt, wobei Wärme vom Systemabgas auf den
(verdampften und überhitzten) Brennstoff und/oder das katalytische Material des Reformierungsbereiches übertragen wird.
Von Vorteil ist es, wenn ein Verdampfungsbereich des Wärmetauschers
stromabwärts eines Reformierungsbereiches des Wärmetauschers vom
Systemabgas durchströmt wird, wobei der Reformierungsbereich stromaufwärts eines Überhitzungsbereiches des Wärmetauschers vom Systemabgas durchströmt wird. Bei dieser Anordnung der Elemente bzw. Reihenfolge wie diese durchströmt werden, wird Wärme besonders effizient übertragen. Das heißt, die notwendigen und vorbestimmten Temperaturen, welche für die jeweiligen Prozesse (Verdampfung, Überhitzung, Reformierung) erforderlich sind, werden in einer kurzen Zeitdauer erreicht.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn ein Verdampfungsbereich des
Wärmetauschers stromaufwärts eines Überhitzungsbereiches des Wärmetauschers vom Brennstoff durchströmt wird, wobei ein Reformierungsbereich des
Wärmetauschers stromabwärts des Überhitzungsbereiches vom Brennstoff durchströmt wird, um die Wärmeübertragung weiter zu optimieren.
Zweckmäßig ist es, wenn Luft über eine Kathodenzuführleitung zu einem
Kathodenabschnitt des Brennstoffzellensystems geleitet wird. Unter Luft wird im Rahmen der Erfindung insbesondere Umgebungsluft verstanden, wenngleich Luft auch aus einem größeren Teil von Sauerstoff oder reinem Sauerstoff bestehen kann. Stromabwärts des Brennstoffzellenstapels wird Anodenabgas und Kathodenabgas zum Systemabgas vermischt, durch welches die notwendige Wärme für den
Verdampfungsprozess, Überhitzungsprozess und Reformierungsprozess zur
Verfügung gestellt wird. Weitere Vorteile, Merkmale und Wirkungen ergeben sich aus den nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen. In den Zeichnungen, auf welche dabei Bezug genommen wird, zeigen:
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher;
Fig. 2 ein Blockdiagramm zur Darstellung eines erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;
Fig. 3 ein Blockdiagramm zur Darstellung eines weiteren erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher 1. Dieser umfasst mehrere Wärmeübertragungselemente 2, einen Verdampfungsbereich 5, einen
Überhitzungsbereich 6 und einen Reformierungsbereich 7. Weiter weist der als Plattenwärmetauscher ausgebildete Wärmetauscher 1 eine kalte Seite 8 und eine warme Seite 9. Der Wärmetauscher 1 ist mit seiner kalten Seite 8 in einer
Anodenzuführleitung 4 anordenbar und über eine Systemabgasleitung 3 ist Wärme von Systemabgas auf einen in der Anodenzuführleitung 4 geführten wässrigen Brennstoff übertragbar. Der Wärmetauscher 1 ist als Plattenwärmetauscher ausgebildet und umfasst mehrere plattenförmige Wärmeübertragungselemente 2, welche teilweise ein katalytisches Material umfassen. Sowohl der
Verdampfungsbereich 5, der Überhitzungsbereich 6 und der Reformierungsbereich 7 umfassen Wärmeübertragungselement 2, wobei diese Bereiche miteinander strömungsverbunden sind. Der Wärmetauscher 1 ist dazu ausgebildet, ein
Brennstoff-Wasser-Gemisch schrittweise zu verdampfen, zu überhitzen und zu reformieren, wobei die dafür notwendige thermische Energie vom Systemabgas übertagen wird. Da der Wärmetauscher 1 durch die integrale Ausbildung der oben angeführten drei Bereiche kompakt ausbildbar ist, wird in weiterer Folge auch eine Größe eines gesamten Brennstoffzellensystems 100 reduziert. Der Wärmetauscher 1 kann grundsätzlich zur Wärmeübertragung im Gleichstromprinzip, Gegenstromprinzip oder Kreuzstromprinzip ausgebildet sein. Dabei ist eine Fließrichtung des
Brennstoffes in der Anodenzuführleitung 4 immer dieselbe: in Strömungsrichtung des Brennstoffes zuerst in den Verdampfungsbereich 5, dann in den Überhitzungsbereich 6 und schließlich in den Reformierungsbereich 7. Der in Fig. 1 gezeigte
Wärmetauscher 1 wird im Gegenstromprinzip betrieben. Soll dieser im
Gleichstromprinzip oder Kreuzstromprinzip betrieben werden, wird folglich eine Führung der Systemabgasleitung 3 bzw. eine Duchrströmreihenfolge der Bereiche vom Systemabgas entsprechend angepasst.
In Fig. 2 ist ein Blockdiagramm zur Darstellung eines erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems (100) gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform gezeigt. Neben dem Wärmetauscher 1 umfasst dieses weiter einen
Brennstoffzellenstapel 120 mit einem Anodenabschnitt 110 und einem
Kathodenabschnitt 130. Darüber hinaus ist ein Startbrenner 140, ein Nachbrenner 150, ein weiterer Wärmetauscher 160 sowie eine Brennstoffquelle 170 und eine Luftquelle 180. Die genannten Elemente sind über eine Anodenzuführleitung 4, eine Kathodenzuführleitung 12 und eine Systemabgasleitung 3 miteinander verbunden. Zur Schaltung dieser Leitungen 3, 4, 12 sind verschiedene Ventile 13 vorgesehen. Zum Zuführen von Luft zum Kathodenabschnitt 130 ist ein Kathodengebläse 200 vorgesehen, welcher in der Kathodenzuführleitung 12 in Strömungsrichtung der Luft stromabwärts der Luftquelle 180 und stromaufwärts des weiteren Wärmetauschers 160 angeordnet. Der weitere Wärmetauscher 160 ist mit dessen kalten Seite in der Kathodenzuführleitung 12 angerordnet und zum Erwärmen der Luft, welche dem Kathodenabschnitt 130 zugeführt wird, ausgebildet. Eine warme Seite des weiteren Wärmetauschers 160 wird stromaufwärts des Wärmetauschers 1 vom Systemabgas durchströmt.
Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 100, wobei der Wärmetauscher 1 im Gegenstromprinzip durchströmt wird.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines
Brennstoffzellensystems 100 gemäß Fig. 3 wird im regulären Betrieb ein flüssiges Wasser-Brennstoff-Gemisch von der Brennstoffquelle 170 durch die
Brennstoffpumpe 210 und ein Ventil 13a in offener Stellung in der
Anodenzuführleitung 4 in Richtung des Wärmetauschers 1 geführt. Im
Wärmetauscher 1 wird das Wasser-Brennstoff-Gemisch in einem ersten Schritt im Verdampfungsbereich 5 vollständig verdampft, wobei dieses bei einem Austritt aus dem Verdampfungsbereich 5 eine Temperatur von über 100 °C, bevorzugt über 1 10 °C, insbesondere von etwa 120 °C aufweist. In einem zweiten wird die
Temperatur des nun gasförmigen Wasser-Brennstoff-Gemisches Schritt im
Überhitzungsbereich 6 auf etwa 200 °C oder 300 °C und in einem dritten Schritt im Reformierungsbereich 7 vollständig reformiert. Im Überhitzungsbereich 6 wird das gasförmige Wasser-Brennstoff-Gemisch also zur Verwendung im
Reformierungsbereich vorkonditioniert. Die für diese Prozesse im Wärmetauscher 1 notwendige thermische Energie wird über die Wärmeübertragungselemente 2 mittels des Systemabgas in der Systemabgasleitung 3 übertragen. Das nun als
Synthesegas vorliegende Wasser-Brennstoff-Gemisch wird stromabwärts des Wärmetauschers 1 in der Anodenzuführleitung 4 zum Brennstoffzellenstapel 120, genauer gesagt zum Anodenabschnitt 110, geführt.
Stromabwärts des Brennstoffzellenstapels 120 werden das Anodenabgas und das Kathodenabgas zum Systemabgas zusammengeführt, wobei das Anodenabgas unter Beimischung des Kathodenabgases in einem katalytischen Nachbrenner 150 verbrannt wird. Stromabwärts des Nachbrenners 150 wird das nun zur Gänze verbrannte Systemabgas in der Systemabgasleitung 3 in Richtung des weiteren Wärmetauschers 160 geführt. Über den weiteren Wärmetauscher 160 wird
thermische Energie vom Systemabgas zur Luft übertragen, welche in der
Kathodenzuführleitung dem Kathodenabschnitt 130 zugeführt wird. Stromabwärts des weiteren Wärmetauschers 160 ist er Wärmetauscher 1 angeordnet, welchem das Systemabgas zugeführt wird. Der Wärmetauscher 1 wird gemäß Fig. 3 im
Gegenstromprinzip durchströmt, weshalb zuerst Wärme auf den
Reformierungsbereich 7 übertragen wird. Gemäß Fig. 3 sind der
Reformierungsbereich 7 und der Überhitzungsbereich 6 im Wesentlichen als ein gemeinsamer Bereich ausgebildet. Das heißt, die beiden Schritte der Überhitzung und der Reformierung im Wärmetauscher 1 erfolgen im Wesentlichen zeitgleich oder mit einem sehr kurzen zeitlichen Abstand zueinander. Stromabwärts des
Reformierungsbereiches 7 bzw. Überhitzungsbereiches 6 wird das Systemabgas dem damit strömungsverbundenen Verdampfungsbereich 5 zugeführt. Die restliche Wärme des Systemabgases wird also zum Verdampfen des Wasser-Brennstoff- Gemisches genutzt. Das nun ausgekühlte Systemabgas wird stromabwärts des Wärmetauschers 1 in die Umgebung 220 abgeführt.
Vor dem oben beschriebenen regulären Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 muss dieses und/oder die darin angeordneten Elemente in der Regel auf eine vorbestimmte Temperatur aufgeheizt werden. Hierfür umfass das
Brennstoffzellensystem 100 einen Startbrenner 140. Dieser ist einer Teilleitung 14 des Brennstoffzellensystems 100 angeordnet. Über zwei Teilabschnitte 14a, 14b der Teilleitung 14 wird dem Startbrenner 140 Brennstoff von der Brennstoffquelle 170 und Luft von der Luftquelle 180 zugeführt. Der erste Teilabschnitt 14a trennt sich stromabwärts der Brennstoffquelle 170 von der Anodenzuführleitung 4 ab, wobei im ersten Teilabschnitt ein Ventil 13b angeordnet ist. Der zweite Teilabschnitt 14b trennt sich stromabwärts der Luftquelle 180 von der Kathodenzuführleitung 12 ab, wobei der erste Teilabschnitt 14a und der zweite Teilabschnitt 14b stromaufwärts des Startbrenners 140 zusammengeführt werden. Im Startbrenner 140 wird der
Brennstoff folglich unter Zuführung von Luft zu einem heißen Gas verbrannt. Das Gas wird stromabwärts des Startbrenners 140 bei einer Aufwärmphase des
Brennstoffzellensystems 100 in Strömungsrichtung zuerst dem weiteren
Wärmetauscher 160 und dann dem Wärmetauscher 1 zugeführt, wobei die Wärme des Gases auf diese übertragen wird. Sobald das Brennstoffzellensystem 100 bzw. die einzelnen Elemente desselben die vorbestimmte Betriebstemperatur erreicht haben, erfolgt der Wärmeübertag auf die Wärmetauscher 1 , 160 wie oben
beschrieben über das Systemabgas.
Ferner ist es günstig, wenn eine Zuführleitung 10 von Luft Verdampfungsbereich 5 oder Überhitzungsbereich 6 vorgesehen ist. Gemäß Fig. 2 und 3 ist über die
Zuführleitung 10 Luft oder ein sauerstoffhaltiges Fluid zum Verdampfungsbereich 5 zuführbar, um bei einem Aufheizbetrieb des Brennstoffzellensystems 100 den Brennstoffzellenstapel 120 über eine katalytische partielle Oxidation aufzuwärmen. Sobald das Brennstoffzellensystem 100 eine Betriebstemperatur erreicht hat, kann die Luftzufuhr über ein nicht dargestelltes Ventil eingestellt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Wärmetauscher (1 ) für ein Brennstoffzellensystem (100), insbesondere ein mit einem flüssigen Brennstoff betriebenes SOFC-System, mit mehreren
Wärmeübertragungselementen (2), wobei durch den Wärmetauscher (1 ) thermische Energie zwischen einer Systemabgasleitung (3) und einer Anodenzuführleitung (4) eines Brennstoffzellensystems (100) übertragbar ist, aufweisend einen
Verdampfungsbereich (5), einen Überhitzungsbereich (6) und einen
Reformierungsbereich (7), welche miteinander strömungsverbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungselemente (2) zumindest teilweise ein katalytisches Material umfassen.
2. Wärmetauscher (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenzuführleitung (4) mit dem Verdampfungsbereich (5) strömungsverbunden ist, wobei über die mit einer kalten Seite (8) des Wärmetauschers (1 ) verbundenen Anodenzuführleitung (4) Brennstoff, insbesondere ein Brennstoff-Wasser-Gemisch, zu einem Anodenabschnitt (1 10) des Brennstoffzellensystems (100) führbar ist.
3. Wärmetauscher (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Systemabgasleitung (3) zum Zuführen von Systemabgas des
Brennstoffzellensystems (100) zum Überhitzungsbereich (6) und/oder zum
Reformierungsbereich (7) vorgesehen ist, wobei das insbesondere vollständig verbrannte Systemabgas über eine warme Seite (9) des Wärmetauschers (1 ) führbar ist.
4. Wärmetauscher (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass der Überhitzungsbereich (6) und der Reformierungsbereich (7) als gemeinsamer Bereich ausgebildet sind.
5. Wärmetauscher (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (1 ) als Plattenwärmetauscher ausgebildet ist.
6. Wärmetauscher (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass die katalytische Beschichtung als katalytisches Gewebe oder katalytisch beschichtetes, insbesondere metallisches, Gitter ausgebildet ist.
7. Wärmetauscher (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformierungsbereich (7) zur Durchführung einer
Dampfreformierung ausgebildet und abgeordnet ist.
8. Wärmetauscher (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, dass eine Zuführleitung (10) von Luft zum Verdampfungsbereich (5) oder Überhitzungsbereich (6) vorgesehen ist.
9. Wärmetauscher (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, dass eine elektrische Heizeinrichtung vorgesehen ist.
10. Verwendung eines Wärmetauschers (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Verdampfen, Überhitzten und Reformieren eines flüssigen Brennstoffes in einem SOFC-System.
1 1. Brennstoffzellensystem, insbesondere SOFC-System, mit einem
Wärmetauscher (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend einen
Brennstoffzellenstapel (120) mit einem Anodenabschnitt (1 10) und einem
Kathodenabschnitt (130), dadurch gekennzeichnet, dass ferner ein Startbrenner (140), ein Nachbrenner (150) und zumindest ein weiterer Wärmetauscher (160) vorgesehen sind.
12. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines SOFC-Systems, umfassend die Schritte:
- Leiten eines flüssigen Brennstoffes, insbesondere eines flüssigen Brennstoff- Wasser-Gemisches in Richtung eines in einer Anodenzuführleitung (4) angeordneten Wärmetauschers (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
- Verdampfen, Überhitzten und Reformieren des Brennstoffes im
Wärmetauscher (1 ), wobei der Wärmetauscher (1 ) über, insbesondere vollständig verbranntem, Systemabgas erwärmt wird, wobei Wärme vom in einer Systemabgasleitung (3) geführten Systemabgas auf den Brennstoff übertragen wird,
- Zuführen des verdampften, überhitzten und reformierten Brennstoffs zu einem Anodenabschnitt (1 10) des Brennstoffzellensystems (100).
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff im Wärmetauscher (1 ) dampfreformiert wird, wobei der Wärmetauscher (1 ) ein katalytisches Material umfasst.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (1 ) vom Brennstoff und vom Systemabgas im Gegenstromprinzip durchströmt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verdampfungsbereich (5) des Wärmetauschers (1 ) stromabwärts eines Reformierungsbereiches (7) des Wärmetauschers (1 ) vom Systemabgas durchströmt wird, wobei der Reformierungsbereich (7) stromaufwärts eines
Überhitzungsbereiches (6) des Wärmetauschers (1 ) vom Systemabgas durchströmt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verdampfungsbereich (5) des Wärmetauschers (1 ) stromaufwärts eines Überhitzungsbereiches (6) des Wärmetauschers (1 ) vom Brennstoff durchströmt wird, wobei ein Reformierungsbereich (7) des Wärmetauschers (1 ) stromabwärts des Überhitzungsbereiches (6) vom Brennstoff durchströmt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass Luft über eine Kathodenzuführleitung (12) zu einem Kathodenabschnitt (130) des Brennstoffzellensystems (1 10) geleitet wird.
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