WO2025168366A1 - Wärme- und wasserrückgewinnung bei einem methanol-reformer- bzw. einem methanol-reformer-brennstoffzellen-system - Google Patents

Wärme- und wasserrückgewinnung bei einem methanol-reformer- bzw. einem methanol-reformer-brennstoffzellen-system

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WO2025168366A1
WO2025168366A1 PCT/EP2025/051930 EP2025051930W WO2025168366A1 WO 2025168366 A1 WO2025168366 A1 WO 2025168366A1 EP 2025051930 W EP2025051930 W EP 2025051930W WO 2025168366 A1 WO2025168366 A1 WO 2025168366A1
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heat exchanger
methanol reformer
water
heat
methanol
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Michael Braunecker
Markus Wagner
Andreas Reiner
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
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    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen; Reversible storage of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen; Production of gaseous mixtures containing hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen; Production of gaseous mixtures containing hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide or air
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0618—Reforming processes, e.g. autothermal, partial oxidation or steam reforming

Definitions

  • Fuel cell technology is an innovative energy conversion technology based on the chemical reaction of hydrogen and oxygen to form water. This process releases electrical energy, which can be used, for example, to power vehicles or supply electricity to buildings.
  • a key component in some fuel cell systems is the methanol reformer.
  • Methanol a liquid alcohol
  • methanol a liquid alcohol
  • the use of methanol in fuel cells requires pretreatment, as the cells are typically powered by hydrogen. This is where the methanol reformer comes into play.
  • the methanol reformer is a chemical-technical device that feeds methanol and water into a high-temperature-resistant reaction vessel. There, under the influence of heat, methanol (CH3OH) is reacted with water (H2O) to form carbon dioxide (CO2) and hydrogen (H2). The produced hydrogen is then used to generate electricity in the fuel cell.
  • CH3OH methanol
  • H2O water
  • CO2O carbon dioxide
  • H2 hydrogen
  • the produced hydrogen is then used to generate electricity in the fuel cell.
  • the exhaust gas from a methanol reformer for a fuel cell contains mainly water vapor and carbon dioxide (CO2).
  • the reaction in a methanol reformer is simplified as follows: BACKGROUND D
  • Another possible use of the exhaust gases from a methanol reformer is the utilization of the exhaust heat.
  • the temperature of the exhaust gases is typically approximately 180°C.
  • the object of the invention is to improve the power density of such methanol reformer systems for the recovery of water and heat from the exhaust gases of methanol reformers.
  • a further object of the invention is to provide a methanol reformer fuel cell system with improved water and heat recovery.
  • the object of the invention is also to provide an improved method for heat and water recovery from such methanol reformer fuel cell systems.
  • a methanol reformer system comprising a methanol reformer, a waste heat utilization system with a first heat exchanger, a water recovery system with a second heat exchanger and a water separator and a cooling water system which is connected to the waste heat utilization system and the water recovery system, wherein an exhaust gas line of the methanol reformer is connected to an inlet of a primary side of the first heat exchanger, wherein an outlet of the primary side of the first heat exchanger is connected to an inlet of a primary side of the second heat exchanger and wherein an outlet of the primary side of the second heat exchanger opens into the water separator.
  • the invention By arranging the heat exchangers of the heat recovery system and the water recovery system in series, volume can be saved for the overall system because part of the cooling required for water recovery is already performed in the heat recovery system.
  • the second heat exchanger arranged in the water recovery system can thus be designed smaller without compromising the condensation of sufficient water for the methanol reformer.
  • the invention also enables the advantageous use of the high temperatures in the exhaust stream of the methanol reformer for heat recovery.
  • the first heat exchanger is an evaporator and has a secondary side, downstream of which a turbine, a condenser, and a pump are arranged in the circulation direction, with a pump outlet connected to an inlet of the secondary side of the first heat exchanger.
  • a thermodynamic cycle is also known as a Clausius-Rankine cycle and is used, for example, in steam power plants.
  • a working fluid usually water
  • a closed circuit by the addition of heat at high pressure and, after expansion with the release of work, condensed by heat removal at low pressure.
  • the evaporator is particularly preferably an ORC evaporator.
  • ORC evaporator Organic Rankine Cycle
  • the use of an ORC evaporator brings several advantages, especially in terms of energy efficiency and heat management.
  • the ORC evaporator is part of an Organic Rankine Cycle, i.e. a process that converts heat into mechanical energy (often for electricity generation) by using an organic working fluid (e.g. ammonia or silicone oils) that evaporates at lower temperatures than water. This enables the use of heat sources that would otherwise remain unused.
  • an organic working fluid e.g. ammonia or silicone oils
  • the secondary side of the The ORC evaporator is connected to a turbine, a condenser, and a pump, arranged downstream in a closed-loop arrangement.
  • Connecting a turbine to a generator for generating electrical energy enables the efficient conversion of mechanical energy into electrical energy.
  • This electrical energy can then either be used directly or fed into the power grid. This is particularly useful in industrial applications or power plants, where large amounts of waste heat are generated that would otherwise go unused. Converting this waste heat into electrical energy can significantly increase the overall efficiency of a system.
  • a cooling water system can help efficiently lower the temperature of the working fluid in the condenser. This enables faster condensation of the working fluid and thus improves the efficiency of the entire circuit.
  • a cooling water system can also help keep operating temperatures stable in the ORC circuit. This can increase component lifespan and reduce maintenance costs. Furthermore, the use of a cooling water system can help reduce the system's environmental impact, as less heat is lost to the environment.
  • the second heat exchanger is designed to enable the reliable condensation of sufficient water for the operation of the methanol reformer. In a methanol reformer, methanol is converted into hydrogen with water in a catalytic process.
  • This process requires a sufficient and continuous supply of water.
  • a condenser that can ensure this supply contributes to process reliability and the continuity of hydrogen production.
  • An efficiently operating condenser can extract the required amount of water from the steam present in the system. This saves energy and resources compared to the supply of external water, and operating costs are reduced. Furthermore, the reuse of steam generated in the system contributes to reducing water consumption and thus to environmental protection.
  • an inlet of a secondary side of the second heat exchanger is directly connected to the cooling water system, as this enables direct and rapid cooling. This can be particularly useful in situations where rapid heat dissipation is required. Furthermore, such a direct connection can contribute to increasing efficiency.
  • a cooling water line branches off from the cooling water system, and the condenser and the heat exchanger with its secondary side are connected in series into the cooling water line, allowing cooling in the waste heat recovery system and the water recovery system to take place in a single circuit.
  • a single circuit is easier to design, install, and maintain. There are fewer components that could be prone to failure, and the system is less complex overall.
  • a methanol reformer fuel cell system comprising a methanol reformer system and a fuel cell connected to the methanol reformer via a hydrogen line, further comprising a third heat exchanger, the primary side of which is connected to a cooling system of the fuel cell and whose secondary side is connected either between the secondary side of the first heat exchanger and the turbine or between the pump and the secondary side of the first heat exchanger.
  • a fluid is circulated in the waste heat recovery system, wherein the fluid in liquid form absorbs heat from the exhaust gas flow, evaporates and is then expanded in a turbine, wherein the expanded fluid is cooled and condenses.
  • FIG 1 shows schematically a methanol reformer system according to the invention, in which the heat exchanger in the water recovery system is indirectly connected to a cooling water system via the waste heat utilization system
  • FIG. 2 shows a slightly modified embodiment of a methanol reformer system 1 according to the invention. While in the embodiment shown in FIG. 1, an inlet 23 of a secondary side 24 of the second heat exchanger 6 is indirectly connected to the cooling water system 7 via the condenser 18, the embodiment shown in FIG. 2 shows that the inlet 23 of the secondary side 24 of the second heat exchanger 6 can also be directly connected to the cooling water system 7.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Methanol-Reformer-System (1), umfassend einen Methanol- Reformer (2), ein Abwärmenutzungssystem (3) mit einem ersten Wärmeübertrager (4), ein Wasserrückgewinnungssystem (5) mit einem zweiten Wärmeübertrager (6) und einem Wasserabscheider (15) und ein Kühlwassersystem (7), welches mit dem Abwärmenutzungssystem (3) und dem Wasserrückgewinnungssystem (5) verbunden ist, wobei eine Abgasleitung (8) des Methanol-Reformers (2) mit einem Eingang (9) einer Primärseite (10) des ersten Wärmeübertragers (4) verbunden ist, dass ein Ausgang (11) der Primärseite (10) des ersten Wärmeübertragers (4) mit einem Eingang (12) einer Primärseite (13) des zweiten Wärmeübertragers (6) verbunden ist und dass ein Ausgang (14) der Primärseite (13) des zweiten Wärmeübertragers (6) in den Wasserabscheider (15) mündet. Ferner betrifft die Erfindung ein Methanol- Reformer-Brennstoffzellen-System. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Wärme- und Wasserrückgewinnung in einem Methanol-Reformer-System (1).

Description

Beschreibung
JUEL
Wärme- und Wasserrückgewinnung bei einem Methanol-Reformer- bzw. einem Methanol-Reformer-Brennstoffzellen-System
TECH NISCHES GEBIET
[0001] Die Brennstoffzellentechnik ist eine innovative Technologie der Energieumwandlung, die auf der chemischen Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser basiert. In diesem Prozess wird elektrische Energie freigesetzt, die genutzt werden kann, um zum Beispiel Fahrzeuge anzutreiben oder Gebäude mit Strom zu versorgen. Eine Schlüsselkomponente in einigen Brennstoffzellen- Systemen ist der Methanol-Reformer.
[0002] Methanol, ein flüssiger Alkohol, ist leicht zu transportieren und zu speichern, was ihn zu einer attraktiven Energiequelle für Brennstoffzellen macht. Jedoch erfordert die Nutzung von Methanol in Brennstoffzellen eine Vorbehandlung, da die Zellen typischerweise mit Wasserstoff betrieben werden. Hier kommt der Methanol- Reformer ins Spiel.
[0003] Der Methanol-Reformer ist ein chemisch-technisches Gerät, das Methanol und Wasser in ein hochtemperaturbeständiges Reaktionsgefäß leitet. Dort wird unter Wärmezufuhr Methanol (CH3OH) mit Wasser (H2O) zu Kohlendioxid (CO2) und Wasserstoff (H2) umgesetzt. Der erzeugte Wasserstoff wird dann zur Stromerzeugung in der Brennstoffzelle genutzt. Das Abgas eines Methanol- Reformers für eine Brennstoffzelle enthält hauptsächlich Wasserdampf und Kohlendioxid (CO2). Die Reaktion in einem Methanol-Reformer lautet vereinfacht: HINTERGRUN D
[0004] Um das Wasser nicht als zusätzlichen Ballast auf z.B. einem Schiff mittransportieren zu müssen, wird in manchen Fällen Wasser aus den Abgasen des Methanol-Reformers zurückgewonnen.
[0005] Eine weitere, mögliche Nutzung der Abgase eines Methanol-Reformers liegt in der Nutzung der Abgaswärme. Die Temperatur der Abgase liegt typischerweise bei ca. 180°C.
[0006] Auch wenn die Nutzung der Abgase prinzipiell sinnvoll erscheint, ist ein großer Nachteil der Systeme für die Wasserrückgewinnung und die Wärmerückgewinnung deren Volumen, welches die Leistungsdichte derartiger Systeme verringert.
ZUSAMM ENFASSU NG DER ERFINDUNG
[0007] Aufgabe der Erfindung ist es, die Leistungsdichte derartiger Methanol- Reformer-Systeme für die Rückgewinnung von Wasser und Wärme aus den Abgasen von Methanol-Reformern zu verbessern. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein im Hinblick auf die Rückgewinnung von Wasser und Wärme verbessertes Methanol-Reformer-Brennstoffzellen System bereitzustellen. Aufgabe der Erfindung ist es auch, ein verbessertes Verfahren zur Wärme- und Wasserrückgewinnung derartiger Methanol-Reformer-Brennstoffzellen-Systeme anzugeben.
[0008] Die auf ein Methanol-Reformer-System gerichtete Aufgabe wird gelöst durch ein Methanol-Reformer-System, umfassend einen Methanol-Reformer, ein Abwärmenutzungssystem mit einem ersten Wärmeübertrager, ein Wasserrückgewinnungssystem mit einem zweiten Wärmeübertrager und einem Wasserabscheider und ein Kühlwassersystem, welches mit dem Abwärmenutzungssystem und dem Wasserrückgewinnungssystem verbunden ist, wobei eine Abgasleitung des Methanol-Reformers mit einem Eingang einer Primärseite des ersten Wärmeübertragers verbunden ist, wobei ein Ausgang der Primärseite des ersten Wärmeübertragers mit einem Eingang einer Primärseite des zweiten Wärmeübertragers verbunden ist und wobei ein Ausgang der Primärseite des zweiten Wärmeübertragers in den Wasserabscheider mündet.
Durch die hintereinander angeordneten Wärmeübertrager des Wärmerückgewinnungssystems und des Wasserrückgewinnungssystems kann Volumen für das Gesamtsystem eingespart werden, weil ein Teil der für die Wasserrückgewinnung erforderlichen Abkühlung bereits im Wärmerückgewinnungssystem erfolgt ist und der im Wasserrückgewinnungssystem angeordnete zweite Wärmeübertrager somit kleiner ausgelegt werden kann, ohne die Kondensation von ausreichend Wasser für den Methanol-Reformer zu gefährden. Gleichzeitig ermöglicht die Erfindung weiterhin die vorteilhafte Nutzung der hohen Temperaturen im Abgasstrom des Methanol-Reformers für die Wärmerückgewinnung.
[0010] In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der erste Wärmeübertrager ein Verdampfer und weist eine Sekundärseite auf, der in Kreislaufrichtung eine Turbine, ein Kondensator und eine Pumpe nachgeschaltet sind, wobei ein Pumpenausgang mit einem Eingang der Sekundärseite des ersten Wärmeübertragers verbunden ist. Ein solcher thermodynamischer Kreisprozess ist auch als Clausius-Rankine-Kreisprozess bekannt und findet seine Anwendung beispielsweise in Dampfkraftwerken. Dabei wird ein Arbeitsmittel (meist Wasser) in einem geschlossenen Kreislauf abwechselnd durch Wärmezufuhr bei hohem Druck verdampft und nach Entspannung unter Abgabe von Arbeit durch Wärmeabfuhr bei niedrigem Druck kondensiert.
[0011] Besonders bevorzugt ist der Verdampfer ein O RC-Verdampfer. Die Verwendung eines O RC-Verdampfers (Organic Rankine Cycle) bringt mehrere Vorteile mit sich, vor allem in Bezug auf die Energieeffizienz und das Wärmemanagement. Der ORC-Verdampfer ist Teil eines Organic Rankine Cycle, also eines Prozesses, der Wärme in mechanische Energie (oftmals zur Stromerzeugung) umwandelt, indem er ein organisches Arbeitsmedium (z. B. Ammoniak oder Silikonöle) verwendet, das bei niedrigeren Temperaturen verdampft als Wasser. Dies ermöglicht die Nutzung von Wärmequellen, die sonst ungenutzt bleiben würden. Wie beim Clausius-Rankine-Kreisprozess ist die Sekundärseite des ORC-Verdampfers mit einer Turbine, einem Kondensator und einer Pumpe verbunden, die in einer Kreislaufanordnung nachgeschaltet sind. Dies bedeutet, dass die Wärmeenergie, die vom Arbeitsmedium im 0 RC-Verdampfer aufgenommen wurde, genutzt wird, um die Turbine anzutreiben. Die Turbine wandelt diese thermische Energie in mechanische Energie um. Der Kondensator kondensiert dann das Arbeitsmedium zurück in eine Flüssigkeit, die von der Pumpe aufgenommen und zurück zum Eingang der Sekundärseite des ersten Wärmeübertragers gepumpt wird. Dieser Kreislaufprozess erhöht die Effizienz der Wärmenutzung und ermöglicht eine kontinuierliche Energieerzeugung. Die Verbindung des Pumpenausgangs mit dem Eingang der Sekundärseite des ersten Wärmeübertragers stellt sicher, dass das Arbeitsmedium kontinuierlich durch den Systemkreislauf zirkuliert, was die Effizienz des Prozesses weiter erhöht und die Notwendigkeit minimiert, zusätzliches Arbeitsmedium hinzuzufügen. Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Turbine mit einem Generator zur Erzeugung elektrischer Energie verbunden ist. Die Verbindung einer Turbine mit einem Generator zur Erzeugung elektrischer Energie ermöglicht eine effiziente Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie. Diese elektrische Energie kann dann entweder direkt genutzt oder ins Stromnetz eingespeist werden. Dies ist besonders nützlich in industriellen Anwendungen oder in Kraftwerken, wo große Mengen an Abwärme erzeugt werden, die sonst ungenutzt bleiben würde. Durch die Umwandlung dieser Abwärme in elektrische Energie kann die Gesamteffizienz eines Systems erheblich gesteigert werden.
[0013] Es ist vorteilhaft, wenn der Kondensator mit dem Kühlwassersystem verbunden ist. Ein Kühlwassersystem kann helfen, die Temperatur des Arbeitsmediums im Kondensator effizient zu senken. Dies ermöglicht eine schnellere Kondensation des Arbeitsmediums und verbessert somit die Effizienz des gesamten Kreislaufs. Ein Kühlwassersystem kann auch dazu beitragen, die Betriebstemperaturen im ORC-Kreislauf stabil zu halten. Dies kann die Lebensdauer der Komponenten erhöhen und die Wartungskosten senken. Außerdem kann die Nutzung eines Kühlwassersystems dazu beitragen, die Umweltauswirkungen des Systems zu reduzieren, da weniger Wärme an die Umgebung abgegeben wird. [0014] Dabei ist es zweckmäßig, wenn der zweite Wärmeübertrager so ausgestaltet ist, dass er eine sichere Kondensation von ausreichend Wasser für den Betrieb des Methanol-Reformers ermöglicht. In einem Methanol-Reformer wird Methanol mit Wasser in einem katalytischen Prozess zu Wasserstoff umgewandelt. Für diesen Prozess ist eine ausreichende und kontinuierliche Versorgung mit Wasser notwendig. Ein Kondensator, der diese Versorgung sicherstellen kann, trägt zur Prozesssicherheit und zur Kontinuität der Wasserstoffproduktion bei. Ein effizient arbeitender Kondensator kann die benötigte Wassermenge aus dem im System vorhandenen Dampf gewinnen. Dies spart Energie und Ressourcen im Vergleich zur Zuführung von externem Wasser und die Betriebskosten sinken. Davon abgesehen trägt die Wiederverwendung von im System erzeugtem Dampf zur Reduzierung des Wasserverbrauchs und damit zum Umweltschutz bei.
[0015] In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein Eingang einer Sekundärseite des zweiten Wärmeübertragers direkt mit dem Kühlwassersystem verbunden, weil dies eine direkte und schnelle Kühlung ermöglicht. Dies kann besonders in Situationen nützlich sein, in denen eine schnelle Wärmeabfuhr erforderlich ist. Zudem kann ein solcher direkter Anschluss dazu beitragen, die Effizienz zu steigern.
[0016] In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung zweigt eine Kühlwasserleitung vom Kühlwassersystem ab und der Kondensator und der Wärmeübertrager mit seiner Sekundärseite sind hintereinander in die Kühlwasserleitung geschaltet, wodurch die Kühlung im Abwärmenutzungssystem und im Wasserrückgewinnungssystem in einem einzelnen Kreislauf erfolgen kann. Ein einzelner Kreislauf ist einfacher zu entwerfen, zu installieren und zu warten. Es gibt weniger Komponenten, die fehleranfällig sein könnten, und das System ist insgesamt weniger komplex.
[0017] Die auf ein Methanol-Reformer-Brennstoffzellen-System gerichtete Aufgabe wird gelöst durch ein Methanol-Reformer-Brennstoffzellen-System, umfassend ein Methanol-Reformer-System und eine über eine Wasserstoffleitung mit dem Methanol-Reformer verbundene Brennstoffzelle, weiter umfassend einen dritten Wärmeübertrager, dessen Primärseite mit einem Kühlsystem der Brennstoffzelle verbunden ist und dessen Sekundärseite entweder zwischen die Sekundärseite des ersten Wärmeübertragers und die Turbine oder zwischen die Pumpe und die Sekundärseite des ersten Wärmeübertragers geschaltet ist. Durch die zusätzliche Kopplung des Kühlsystems der Brennstoffzelle in das Abwärmenutzungssystem kann die gesamte Abwärme einer Methanol-Reformer-Brennstoffzelleneinheit für die Wärmerückgewinnung genutzt werden. Die Kopplung kann direkt oder über einen Zwischenkreislauf erfolgen.
[0018] Die auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Wärme- und Wasserrückgewinnung in einem Methanol-Reformer-Brennstoffzellen- System, wobei ein Abgasstrom aus einem Methanol-Reformer zuerst in einem Abwärmenutzungssystem und anschließend in einem Wasserrückgewinnungssystem gekühlt wird und das aus dem Wasserrückgewinnungssystem gewonnene Wasser zur Herstellung eines für den Methanol-Reformer benötigten Methanol-Wasser- Gemisches genutzt wird.
[0019] Vorteilhafter Weise wird im Abwärmenutzungssystem ein Fluid im Kreis geführt, wobei das Fluid in flüssiger Form Wärme des Abgasstroms aufnimmt, dabei verdampft und anschließend in einer Turbine entspannt wird, wobei das entspannte Fluid gekühlt wird und dabei kondensiert.
[0020] Es ist zweckmäßig, wenn die Turbine einen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie antreibt.
[0021] Vorteilhafter Weise durchströmt Kühlwasser aus einem Kühlwassersystem einen Kondensator im Abwärmenutzungssystem und einen zweiten Wärmeübertrager im Wasserrückgewinnungssystem entweder nacheinander oder parallel.
[0022] Auch ist es vorteilhaft, wenn Kühlwasser aus einem Kühlsystem einer Brennstoffzelle zumindest einen Teil seiner Wärme an das verdampfte Fluid im Abwärmenutzungssystem überträgt. KU RZBESCH REI BU NG DER ZEICH N U NGEN
[0023] FIG 1 zeigt schematisch ein Methanol-Reformer-System gemäß der Erfindung, bei dem der Wärmeübertrager im Wasserrückgewinnungssystem indirekt über das Abwärmenutzungssystem mit einem Kühlwassersystem verbunden ist
[0024] FIG 2 zeigt schematisch ein Methanol-Reformer-System gemäß der Erfindung, bei dem der Wärmeübertrager im Wasserrückgewinnungssystem direkt mit einem Kühlwassersystem verbunden ist,
[0025] FIG 3 zeigt schematisch ein Methanol-Reformer-Brennstoffzellen-System umfassend das Methanol-Reformer-System der FIG 1 mit einer zusätzlichen Wärmeeinkopplung aus dem Kühlsystem einer Brennstoffzelle in das Abwärmenutzungssystem und
[0026] FIG 4 zeigt schematisch ein Methanol-Reformer-Brennstoffzellen-System umfassend das Methanol-Reformer-System der FIG 2 mit einer zusätzlichen Wärmeeinkopplung aus dem Kühlsystem einer Brennstoffzelle in das Abwärmenutzungssystem.
BESCH REI BU NG DER AUSFÜ H RU NGSFORM EN
[0027] In der FIG 1 ist ein Methanol-Reformer-System 1 gemäß der Erfindung dargestellt. Es umfasst neben einem Methanol-Reformer 2 ein Abwärmenutzungssystem 3 und ein Wasserrückgewinnungssystem 5.
[0028] Ein Abgasstrom 31 des Methanol-Reformers 2 wird einem ersten Wärmeübertrager 4 des Abwärmenutzungssystems 3 zugeleitet und von dort an einen zweiten Wärmeübertrager 6 im Wasserrückgewinnungssystem 5 weitergeleitet. Zu diesem Zweck ist eine Abgasleitung 8 des Methanol-Reformers 2 mit einem Eingang 9 einer Primärseite 10 des ersten Wärmeübertragers 4 verbunden. Im Ausführungsbeispiel der FIG 1 sind drei Methanol-Reformer 2 gezeigt, deren Abgasströme 31 zusammengeführt und über eine gemeinsame Abgasleitung 8 dem ersten Wärmeübertrager 4 zugeführt werden. Ferner ist ein Ausgang 11 der Primärseite 10 des ersten Wärmeübertragers 4 mit einem Eingang 12 einer Primärseite 13 des zweiten Wärmeübertragers 6 verbunden und schließlich mündet ein Ausgang 14 der Primärseite 13 des zweiten Wärmeübertragers 6 in einen Wasserabscheider 15. Dabei ist der zweite Wärmeübertrager s so ausgestaltet, dass er eine sichere Kondensation von ausreichend Wasser für den Betrieb des Methanol- Reformers 2 ermöglicht.
[0029] Ein Kühlwassersystem 7 ist über einen Kondensator 18 mit dem Abwärmenutzungssystem 3 und über den zweiten Wärmeübertrager 6 mit dem Wasserrückgewinnungssystem 5 verbunden. Im Ausführungsbeispiel der Figur 1 zweigt eine Kühlwasserleitung 34 vom Kühlwassersystem 7 ab und der Kondensator 18 und der Wärmeübertrager 6 mit seiner Sekundärseite 24 sind hintereinander in die Kühlwasserleitung 34 geschaltet, wobei im Betrieb das Kühlwasser zuerst den Kondensator 18 und dann den zweiten Wärmeübertrager s durchströmt. Je nach Auslegung des Methanol-Reformer-Systems 1 kann aber auch eine Durchströmung von Kondensator 18 und zweitem Wärmeübertrager s in umgekehrter Reihenfolge zweckmäßig sein.
Das Abwärmenutzungssystem 3 des Ausführungsbeispiels in FIG 1 ist aufgrund der zu erwartenden Temperaturen von etwa 150°C typischerweise eher nach dem Prinzip eines Organic Rankine Cycle (ORC) konstruiert. Ein solcher organischer Rankine-Kreisprozess ist ein thermodynamischer Prozess, der Wärme in mechanische Arbeit umwandelt, die dann oft zur Stromerzeugung genutzt wird. Der organische Rankine-Kreisprozess ist dem traditionellen Rankine-Kreisprozess sehr ähnlich, verwendet aber organische Fluide mit einer niedrigeren Verdampfungstemperatur anstelle von Wasser und Dampf. Der organische Rankine- Kreisprozess ist somit besonders vorteilhaft für die Nutzung von Wärmequellen mit vergleichsweise niedriger Temperatur, die sonst ungenutzt bleiben würden, wie z. B. industrielle Abwärme, geothermische Wärme, Solarenergie oder eben Abwärme eines Methanol-Reformers 2.
[0031] Wie der Rankine-Kreisprozess besteht der organische Rankine-Kreisprozess aus vier Hauptprozessen: a) Verdampfung: Das organische Fluid wird durch Wärmezufuhr (hier Wärme des Abgasstroms 31 des Methanol-Reformers 2) in einen gasförmigen Zustand gebracht, b) Expansion: Das gasförmige Fluid treibt eine Turbine 17 oder einen Expander an, was mechanische Arbeit erzeugt, c) Kondensation: Das gasförmige Fluid wird durch Wärmeabgabe wieder zu einer Flüssigkeit kondensiert und d) Pumpen: Das flüssige Fluid wird wieder auf den Druck erhöht, bei dem es verdampft werden kann, was den Kreislauf schließt. Das Abwärmenutzungssystem 3 der FIG 1 umfasst daher den ersten Wärmeübertrager 4, der ein ORC-Verdampfer ist. Dieser weist eine Sekundärseite 16 auf, der in Kreislaufrichtung die mit einem Generator 22 zur Erzeugung elektrischer Energie verbundene Turbine 17, der Kondensator 18 und eine Pumpe 19 nachgeschaltet sind, wobei ein Pumpenausgang 20 mit einem Eingang 21 der Sekundärseite 16 des ersten Wärmeübertragers 4 verbunden ist.
[0032] In FIG 2 ist eine leicht abgewandelte Ausführungsform eines Methanol- Reformer-Systems 1 gemäß der Erfindung gezeigt. Während im Ausführungsbeispiel in FIG 1 ein Eingang 23 einer Sekundärseite 24 des zweiten Wärmeübertragers 6 über den Kondensator 18 indirekt mit dem Kühlwassersystem 7 verbunden ist, zeigt das Ausführungsbeispiel von FIG 2, dass der Eingang 23 der Sekundärseite 24 des zweiten Wärmeübertragers 6 auch direkt mit dem Kühlwassersystem 7 verbunden sein kann.
[0033] FIG 3 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Methanol- Reformer-Brennstoffzellen-Systems 32. Ausgehend vom Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Methanol-Reformer-System 1 von FIG 1 umfasst das Methanol- Reformer-Brennstoffzellen-Systems 32 von FIG 3 weiter eine Brennstoffzelle 30, die über eine Wasserstoffleitung 29 mit dem Methanol-Reformer 2 verbunden ist. Im Ausführungsbeispiel der FIG 3 sind Methanol-Reformer 2 und Brennstoffzelle 30 in einer Methanol-Reformer-Brennstoffzellen-Einheit 33 integriert. FIG 3 zeigt drei Methanol-Reformer-Brennstoffzellen-Einheiten 33. Alternativ wäre natürlich auch eine Kopplung zwischen einem separaten Methanol-Reformer 2 und einer separaten Brennstoffzelle 30 möglich.
[0034] Um die Abwärme der Brennstoffzelle zu nutzen ist ein dritter Wärmeübertrager 25 vorgesehen, dessen Primärseite 26 mit einem Kühlsystem 27 der Brennstoffzelle 30 verbunden ist und dessen Sekundärseite 28 zwischen die Sekundärseite 16 des ersten Wärmeübertragers 4 und die Turbine 17 geschaltet ist. Alternativ könnte der dritte Wärmeübertrager 25 auch zwischen der Pumpe 19 und der Sekundärseite 16 des ersten Wärmeübertragers 4 angeordnet sein, je nach Auslegung des Methanol-Reformer-Brennstoffzellen-Systems 32.
Im Ausführungsbeispiel der FIG 3 wird, analog zum Abgasstrom 31 in der Abgasleitung 8 auch das Kühlwasser aus den drei Brennstoffzellen 30 gesammelt dem dritten Wärmeübertrager 25 zugeführt und anschließend wieder auf die Brennstoffzellen 30 verteilt.
[0036] In FIG 4 wird analog zu FIG 3, aber ausgehend vom FIG 2 ebenfalls ein Ausführungsbeispiel für ein Methanol-Reformer-Brennstoffzellen-System 32 gezeigt, das einen dritten Wärmeübertrager 25 aufweist, dessen Primärseite 26 mit einem Kühlsystem 27 der Brennstoffzelle 30 verbunden ist und dessen Sekundärseite 28 zwischen die Sekundärseite 16 des ersten Wärmeübertragers 4 und die Turbine 17 geschaltet ist. Auch hier kann die Anordnung des dritten Wärmeübertragers 25 alternativ im Kreislauf vor dem ersten Wärmeübertrager 4 je nach Auslegung des Methanol-Reformer-Brennstoffzellen-Systems 32 erfolgen.
BEZUGSZEICH ENLISTE
1 Methanol-Reformer-System
2 Methanol-Reformer
3 Abwärmenutzungssystem
4 erster Wärmeübertrager
5 Wasserrückgewinnungssystem
6 zweiter Wärmeübertrager
7 Kühlwassersystem
8 Abgasleitung
9 Eingang einer Primärseite des ersten Wärmeübertragers
10 Primärseite des ersten Wärmeübertragers
11 Ausgang der Primärseite des ersten Wärmeübertragers
12 Eingang einer Primärseite des zweiten Wärmeübertragers
13 Primärseite des zweiten Wärmeübertragers
14 Ausgang der Primärseite des zweiten Wärmeübertragers
15 Wasserabscheider
16 Sekundärseite des ersten Wärmeübertragers
17 Turbine
18 Kondensator
19 Pumpe
20 Pumpenausgang
21 Eingang der Sekundärseite des ersten Wärmeübertragers
22 Generator
23 Eingang der Sekundärseite des zweiten Wärmeübertragers
24 Sekundärseite des zweiten Wärmeübertragers
25 dritter Wärmeübertrager
26 Primärseite des dritten Wärmeübertragers
27 Kühlsystem der Brennstoffzelle
28 Sekundärseite des dritten Wärmeübertragers
29 Wasserstoffleitung
30 Brennstoffzelle
31 Abgasstrom 32 Methanol-Reformer-Brennstoffzellen-System
33 Methanol-Reformer-Brennstoffzelleneinheit
34 Kühlwasserleitung

Claims

Ansprüche Was beansprucht wird:
1. Ein Methanol-Reformer-System (1 ), umfassend einen Methanol-Reformer (2), ein Abwärmenutzungssystem (3) mit einem ersten Wärmeübertrager (4), ein Wasserrückgewinnungssystem (5) mit einem zweiten Wärmeübertrager (6) und einem Wasserabscheider (15) und ein Kühlwassersystem (7), welches mit dem Abwärmenutzungssystem (3) und dem Wasserrückgewinnungssystem (5) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abgasleitung (8) des Methanol-Reformers (2) mit einem Eingang (9) einer Primärseite (10) des ersten Wärmeübertragers (4) verbunden ist, dass ein Ausgang (11 ) der Primärseite (10) des ersten Wärmeübertragers (4) mit einem Eingang (12) einer Primärseite (13) des zweiten Wärmeübertragers (6) verbunden ist und dass ein Ausgang (14) der Primärseite (13) des zweiten Wärmeübertragers (6) in den Wasserabscheider (15) mündet.
2. Das Methanol-Reformer-System (1 ) nach Anspruch 1 , wobei der erste Wärmeübertrager (4) ein Verdampfer ist und wobei der erste Wärmeübertrager (4) eine Sekundärseite (16) aufweist, der in Kreislaufrichtung eine Turbine (17), ein Kondensator (18) und eine Pumpe (19) nachgeschaltet sind, wobei ein Pumpenausgang (20) mit einem Eingang (21 ) der Sekundärseite (16) des ersten Wärmeübertragers (4) verbunden ist.
3. Das Methanol-Reformer-System (1 ) nach Anspruch 2, wobei der erste Wärmeübertrager (4) ein ORC-Verdampfer ist.
4. Das Methanol-Reformer-System (1 ) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei die Turbine (17) mit einem Generator (22) zur Erzeugung elektrischer Energie verbunden ist.
5. Das Methanol-Reformer-System (1 ) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Kondensator (18) mit dem Kühlwassersystem (7) verbunden ist.
6. Das Methanol-Reformer-System (1 ) nach Anspruch 5, wobei der zweite Wärmeübertrager (6) so ausgestaltet ist, dass er eine sichere Kondensation von ausreichend Wasser für den Betrieb des Methanol-Reformers (2) ermöglicht.
7. Das Methanol-Reformer-System (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Eingang (23) einer Sekundärseite (24) des zweiten Wärmeübertragers (6) direkt mit dem Kühlwassersystem (7) verbunden ist.
8. Das Methanol-Reformer-System (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Kühlwasserleitung (34) vom Kühlwassersystem (7) abzweigt und der Kondensator (18) und der Wärmeübertrager (6) mit seiner Sekundärseite (24) hintereinander in die Kühlwasserleitung (34) geschaltet sind.
9. Ein Methanol-Reformer-Brennstoffzellen-System (32), umfassend ein Methanol- Reformer-System (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und eine über eine Wasserstoffleitung (29) mit dem Methanol-Reformer (2) verbundene Brennstoffzelle (30), weiter umfassend einen dritten Wärmeübertrager (25), dessen Primärseite (26) mit einem Kühlsystem (27) der Brennstoffzelle (30) verbunden ist und dessen Sekundärseite (28) entweder zwischen die Sekundärseite (16) des ersten Wärmeübertragers (4) und die Turbine (17) oder zwischen die Pumpe (19) und die Sekundärseite (16) des ersten Wärmeübertragers (4) geschaltet ist.
10. Verfahren zur Wärme- und Wasserrückgewinnung in einem Methanol- Reformer-Brennstoffzellen-System (32), dadurch gekennzeichnet, dass ein Abgasstrom (31 ) aus einem Methanol-Reformer (2) zuerst in einem Abwärmenutzungssystem (3) und anschließend in einem Wasserrückgewinnungssystem (5) gekühlt wird und das aus dem Wasserrückgewinnungssystem (5) gewonnene Wasser zur Herstellung eines für den Methanol-Reformer (2) benötigten Methanol-Wasser-Gemisches genutzt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei im Abwärmenutzungssystem (3) ein Fluid im Kreis geführt wird, wobei das Fluid in flüssiger Form Wärme des Abgasstroms (31 ) aufnimmt, dabei verdampft und anschließend in einer Turbine (17) entspannt wird, wobei das entspannte Fluid gekühlt wird und dabei kondensiert.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , wobei die Turbine (17) einen Generator (22) zur Erzeugung elektrischer Energie antreibt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei Kühlwasser aus einem Kühlwassersystem (7) einen Kondensator (18) im Abwärmenutzungssystem (3) und einen zweiten Wärmeübertrager (6) im Wasserrückgewinnungssystem (5) entweder nacheinander oder parallel durchströmt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei Kühlwasser aus einem Kühlsystem (27) einer Brennstoffzelle (30) zumindest einen Teil seiner Wärme an das Fluid im Abwärmenutzungssystem (3) überträgt.
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