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DE10003275B4 - Vorrichtung zum Verdampfen und/oder Überhitzen eines Brennstoffs - Google Patents

Vorrichtung zum Verdampfen und/oder Überhitzen eines Brennstoffs Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zum Verdampfen und/oder Überhitzen eines Brennstoffs oder eines Wasser/Brennstoff-Gemischs, wobei ein Wärmetauscher wenigstens zwei voneinander getrennte Bereiche aufweist, welche in wärmeleitender Verbindung zueinander stehen, und wobei in dem ersten Bereich der Brennstoff oder das Brennstoff/Wasser-Gemisch verdampft und/oder überhitzt, wobei
der zweite Bereich einen Katalysator für die katalytische Verbrennung aufweist, und wobei zur Zufuhr der Abgase der Brennstoffzelle und/oder des Gaserzeugungssystems zu dem zweiten Bereich des Wärmetauschers für eine katalytische Verbrennung eine Leitung vorgesehen ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Leitung (5) in Strömungsrichtung der zugeführten Abgase der Brennstoffzelle (3) und/oder des Gaserzeugungssystems (2) vor dem Wärmetauscher (1) eine Verengung (9) aufweist, in deren Bereich der für die katalytische Verbrennung benötigte Brennstoff über ein Leitungselement (6) zuführbar ist, und wobei die Leitung (5) in Strömungsrichtung Abgase der Brennstoffzelle und/oder des Gaserzeugungssystems vor der Verengung (9) ein Anschlußelement (7) aufweist, durch welches das sauerstoffhaltige Gas zuführbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verdampfen und/oder Überhitzen eines Brennstoffs oder eines Brennstoff/Wasser-Gemischs nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
  • Die gattungsbildenden Schriften DE 197 54 013 A1 und DE 197 55 815 C2 beschreiben jeweils Verfahren, deren Vorrichtungen im Wesentlichen über alle Merkmale gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 verfügen.
  • Aus dem weiteren Stand der Technik sind Wärmetauscher, welche zum Verdampfen und/oder Überhitzen von Medien geeignet sind, bekannt. So beschreibt beispielsweise die DE 44 26 692 C1 einen Wärmetauscher, welcher aus übereinander gestapelten mit Reaktandenkanälen versehenen Folien aufgebaut ist.
  • Hierbei wird ein Reaktand, welcher in einem ersten Bereich des Wärmetauschers strömt, von einem in einem zweiten in wärmeleitender Verbindung mit dem ersten Bereich stehenden Bereich des Wärmetauschers strömenden Wärmeträgermedium erhitzt und/oder verdampft.
  • Die DE 196 39 150 C2 zeigt eine zentrale Heizvorrichtung, in welcher eine katalytische Oxydation eines Brennmittels stattfindet. Die dabei erzeugte thermische Energie kann dann beispielsweise dem Wärmeträger zugeführt und so zum Betreiben des oben genannten Wärmetauschers genutzt werden. Bei dem eingesetzten Brennmittel kann es sich um ein beliebiges gasförmiges oder flüssiges Medium handeln, welches sich katalytisch oxydieren läßt. Als Beispiele für das Brennmittel nennt die oben genannte Schrift den Ausgangsstoff für die Gaserzeugung, in diesem Fall Methanol, das in der Gaserzeugung erzeugte Produktgas oder ein wasserstoffhaltiges Abgas der Brennstoffzelle.
  • Wird ein derartiger Verdampfer nun in ein entsprechendes Gaserzeugungssystem zur Versorgung einer Brennstoffzellen-Anlage eingesetzt, so ergibt sich insbesondere bei Lastsprüngen ein sehr schlechtes dynamisches Ansprechverhalten, da der Verdampfer das erste Glied der Reaktionskette darstellt, während in dem Heizbereich üblicherweise mit dem Abgas der Brennstoffzelle und/oder des Gaserzeugungssystems die thermische Energie erzeugt wird, kann der Verdampfer dem geforderten Lastsprung nur zögernd folgen.
  • Zwischen dem Verdampfer und der letztendlich die geforderte Leistung erzeugenden Brennstoffzelle liegen mehrere Reaktionsräume des Gaserzeugungssystems, welche aufgrund ihres Aufbaus jeweils unterschiedliche Ansprechzeiten haben, und welche zusammen mit der Brennstoffzelle die für die Erzeugung der thermischen Energie erforderlichen Abgase liefern. Aufgrund dieser Rückkopplung zwischen dem Verdampfungsbereich und dem Verbrennungsbereich kommt es also zu dem sehr unbefriedigenden dynamischen Ansprechverhalten des Gesamtsystems, was sich insbesondere bei einem mobilen Einsatz des Brennstoffzellensystems in einem Kraftfahrzeug als sehr nachteilig erweist.
  • Aus dem weiteren allgemeinen Stand der Technik, wie er durch die US 3,607,419 im Bereich der Brennstoffzelle oder der US 3,689,237 bzw. der DE 33 20 688 C2 allgemein beschrieben ist, sind außerdem Venturidüsen bekannt.
    •
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zum Verdampfen und/oder Überhitzen eines Brennstoffs oder eines Brennstoff/Wasser-Gemischs zur Versorgung eines Gaserzeugungssystem einer Brennstoffzellen-Anlage zu schaffen, bei dem ein sehr schnelles dynamisches Ansprechverhalten zu erzielen ist.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 beschriebene Vorrichtung gelöst.
  • Dadurch, daß ein Teil des Brennstoffs selbst in den Volumenstrom aus dem sauerstoffhaltigen Gas, bei dem es sich insbesondere um Luft, jedoch auch um sauerstoffhaltiges Kathodenabgas der Brennstoffzelle oder ein Gemisch der beiden handeln kann, und den Abgasen der Brennstoffzelle und/oder des Gaserzeugungssystems zudosiert wird, läßt sich der thermische Energieinhalt des Volumenstroms mit einem schnellen dynamischen Ansprechverhalten erhöhen, wodurch sich der Vorteil ergibt, daß auch die katalytische Verbrennung sehr schnell eine höhere thermische Energie zu liefern vermag. Dadurch ist ein wenigstens annähernd verzögerungsfreies Verdampfen und/oder Überhitzen des Brennstoffs oder des Brennstoff/Wasser-Gemischs möglich, wodurch auf eine erhöhte Leistungsanforderung sehr schnell reagiert werden kann. In besonders vorteilhafter Weise steht dem Gaserzeugungssystem damit, ohne nennenswerte zeitliche Verzögerung, die zur Erzeugung der geforderten erhöhten Leistung benötigte Menge an verdampftem und/oder überhitztem Brennstoff oder Brennstoff/Wasser-Gemisch zur Verfügung.
  • Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, daß die Zudosierung, welche in Abhängigkeit der erforderlichen Wärmemenge und damit der von dem Brennstoffzellensystem geforderten elektrischen Leistung erfolgen kann, vor der eigentlichen katalytischen Verbrennung stattfindet und somit der Verbrennung und dem Raum, in welchem die Verbrennung stattfindet, keine weitere thermische Energie für die Feinverteilung und/oder für das Verdampfen des zugefügten zusätzlichen Brennstoffs entzieht.
  • Dabei wird der Brennstoff beim Einbringen in den Volumenstrom aus dem sauerstoffhaltigen Gas und den Abgasen der Brennstoffzelle und/oder des Gaserzeugungssystems zerstäubt. Die für die Zerstäubung erforderliche Energie läßt sich dabei als mechanische Energie aus dem Druck bzw. der Strömungsgeschwindigkeit des Volumenstroms und des einzubringenden Brennstoffs entneh men. Ein in feinen Partikel in dem Volumenstrom verteilter Brennstoff reicht nämlich aus, die Funktion der katalytischen Verbrennung sicherzustellen.
  • In der Erfindung weist die Vorrichtung hierzu eine gasunterstützte Düse auf, welche in den Volumenstrom durch eine Verengung die Strömungsgeschwindigkeit anhebt und in diesem Bereich den Brennstoff in den Volumenstrom einbringt. Durch die Stömungsenergie des Volumenstroms wird der Brennstoff dabei in demselben zerstäubt.
  • Den Reaktionsraum für die katalytische Verbrennung erreicht damit ein Gemisch aus den erforderlichen Gasen und dem zusätzlichen fein verteilten Brennstoff, welches ohne weitere nennenswerte Aufnahme von thermischer Energie katalytisch verbrannt werden kann. Damit ergibt sich der Vorteil, daß sämtliche bei der Verbrennung entstehende thermische Energie unmittelbar zum Verdampfen und/oder Überhitzen des Brennstoffs oder des Brennstoff/Wasser-Gemischs zur Verfügung steht und die Brennstoffzellen-Anlage somit sehr schnell auf einen geforderten Lastsprung zu reagieren vermag.
    •
  • Weiter vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem anhand der Zeichnung nachfolgend prinzipmäßig dargestellten Ausführungsbeispiel.
  • Die einzige beigefügte Figur zeigt einen entsprechenden Wärmetauscher 1, an welchen sich ein prinzipmäßig angedeutetes Gaserzeugungssystem 2 sowie eine Brenn stoffzelle 3 anschließt. Der Wärmetauscher 1 weist dabei zwei Bereiche 1a, 1b auf, welche in wärmeleitendem Kontakt zueinander stehen, für die jeweils durchströmenden Fluide jedoch gegeneinander abgedichtet sind.
  • Der Bereich 1b des Wärmetauschers 1 weist dabei eine prinzipmäßig angedeutete katalytische Beschichtung 4 eine katalytische Füllung oder auf, welche für eine katalytische Verbrennung der zugeführten Stoffe benötigt wird. Die bei der katalytischen Verbrennung in dem Bereich 1b des Wärmetauschers 1 entstehende thermische Energie gelangt dann in den anderen Bereich 1a des Wärmetauschers 1. Ein dem Bereich 1a zugeführter flüssiger Brennstoff oder ein flüssiges Brennstoff-/Wasser-Gemisch, im dargestellten Ausführungsbeispiel soll es sich dabei um ein Methanol/Wasser-Gemisch (CH3OH + H2O) handeln, wird durch die aus der katalytischen Verbrennung stammende thermische Energie in dem Bereich 1a des Wärmetauschers 1 verdampft.
  • Wenn die thermische Energie ausreicht, kommt es in dem Bereich 1a des Wärmetauschers 1 außerdem zu einem Überhitzen des dampfförmigen bzw. gasförmigen Gemischs aus Wasser und Methanol. Dieses Gemisch aus Wasser und Methanol gelangt dann in das prinzipmäßig angedeutete, in seiner Funktionsweise an sich bekannte Gaserzeugungssystem 2, und gegebenenfalls nach einer optionalen Gasreinigungsstufe (nicht dargestellt) in die Brennstoffzelle 3.
  • Da die Funktionsweise dieser Komponenten 2, 3 an sich bekannt und für die Erfindung von keinerlei weiterer Bedeutung ist, soll darauf nicht näher eingegangen werden.
  • Die Brennstoffzelle 3 gibt dann die geforderte Leistung P in Form von elektrischer Leistung ab. In beiden Komponenten 2, 3, überwiegend jedoch in einem Anodenraum der Brennstoffzelle 3, fallen Abgase an, welche brennbare Reststoffe, wie Restmethanol oder Restwasserstoff, aufweisen. Diese Abgase gelangen gemäß den gestrichelt dargestellten Pfeilen zumindest teilweise zu einer Leitung 5, über welche sie wieder dem Bereich 1b des Wärmetauschers 1 zur katalytischen Verbrennung zugeführt werden können.
  • Wird nun schlagartig eine höhere Leistung P von der Brennstoffzelle 3 gefordert, so muß selbstverständlich auch die Menge an in dem Wärmetauscher 1 verdampftem Methanol/Wasser-Gemisch schnellstmöglich erhöht werden.
  • Für die reibungslose Funktion der gesamten Anlage ist es dabei erforderlich, daß diese zusätzlich zugeführte Menge an Methanol/Wasser-Gemisch wenigstens annähernd verzögerungsfrei verdampft wird.
  • Nun stellt sich allerdings das Problem, daß zur Erzeugung der thermischen Energie für die Verdampfung überwiegend die Abgase der Brennstoffzelle 3 und des Gaserzeugungssystems 2 genutzt werden. Da zum Zeitpunkt der erhöhten Leistungsanforderung die Menge an Abgas jedoch noch nicht erhöht worden ist, weil noch keine erhöhte Dampfmenge zur Verfügung steht, kommt es auf grund dieser Rückkopplung zu einer zeitlichen Verzögerung bei der Verdampfung des Methanol/Wasser-Gemischs und damit zu einer zeitlichen Verzögerung zwischen der Leistungsanforderung und der tatsächlich möglichen Abgabe der geforderten Leistung P durch die Brennstoffzelle 3.
  • Dieses Problem wird dadurch gelöst, daß über ein Leitungselement 6 der Brennstoff Methanol (CH3OH) in seiner flüssigen Form dem Volumenstrom aus den Abgasen des Gaserzeugungssystems 2 und/oder der Brennstoffzelle 3 zugeführt wird.
  • Zur Verbesserung der Verbrennung sind diese Abgase zuvor bereits mit über ein Anschlußelement 7 einströmendem sauerstoffhaltigem Gas (O2), hier insbesondere Luft oder sauerstoffhaltigem Abgas eines Anodenraums der Brennstoffzelle 3, vermischt worden. Dieser Volumenstrom nimmt nun den in Abhängigkeit der geforderten Leistung P der Brennstoffzelle 3 zudosierbaren flüssigen Brennstoff aus dem Leitungselement 6 auf. Das so entstandene Gemisch strömt in den Bereich 1b des Wärmetauschers 1 und wird dort katalytisch verbrannt.
  • Dabei ist es wichtig, daß in den Bereich 1b bereits ein gleichmäßig verteiltes Gemisch aus den Abgasen, der Luft und dem Methanol eintritt, um für die Vermischung und/oder Verdampfung der einzelnen Komponenten in dem Volumenstrom in dem Bereich 1b des Wärmetauschers 1 keine thermische Energie zu entziehen, welche für die Verdampfung des Methanol/Wasser-Gemischs in dem Bereich 1b des Wärmetauschers 1 genutzt werden könnte.
  • Um das über das Leitungselement 6 zugefügte flüssige Methanol in dem Volumenstrom möglichst gleichmäßig zu verteilen, wird daher eine gasunterstützte Düse 8 eingesetzt, welche die Strömungsenergie des Volumenstroms zur Zerstäubung des flüssigen Methanols nutzt.
  • Dazu weist der Bereich, in welchem das Leitungselement 6 in die Leitung 5 mündet, eine Verengung 9 auf, welche aufgrund des Kontinuitätsgesetzes eine beschleunigte Strömung, also eine höhere Strömungsgeschwindigkeit, in dem Bereich der Verengung 9 erzeugt. Das über das Leitungselement 6 zugeführte Methanol wird dabei von dem das Leitungselement 6 durchströmenden Volumenstrom aufgenommen und in diesem zerstäubt.
  • Die Verengung 9 kann dabei in der Art einer Venturi-Düse ausgebildet sein, wie dies im Ausführungsbeispiel prinzipmäßig angedeutet ist, sie kann jedoch auch durch ein in die Leitung 5 ragendes lanzenartiges Ende des Leitungselements 6 ausgebildet sein (nicht dargestellt).
  • Die Dosierung des Methanols kann dabei über eine Drosseleinrichtung 10 in dem Leitungselement 6 oder über eine entsprechende, regelbare Fördereinrichtung (nicht dargestellt) erfolgen. Dabei wird jeweils der durch das Leitungselement 6 strömende Volumenstrom des flüssigen Methanols in Abhängigkeit der von der Brennstoffzelle 3 geforderten Leistung P gesteuert bzw. geregelt.
  • Vergleichbares wie für das flüssige Methanol gilt auch für die Luft, welche über das Anschlußelement 7 in die Leitung 5 gelangt. Auch hier kann optional eine Verengung 9' ausgebildet sein, welche in der einzigen beiliegenden Figur gestrichelt angedeutet ist. Die Wirkungsweise der Verengung 9' ist dabei ähnlich wie die Wirkungsweise der Verengung 9 bei der Zufuhr des flüssigen Methanols, nur daß bei der Verengung 9' zwei gasförmige Medien miteinander vermischt werden. Auch die Luft, welche über das Anschlußelement 7 der Leitung 5 zugeführt wird, kann dabei in Abhängigkeit der von der Brennstoffzelle 3 geforderten Leistung und damit der in dem Wärmetauscher 1 erforderlichen thermischen Energie gesteuert bzw. geregelt werden. Dabei bietet es sich an, in dem Anschlußelement 7 eine Drosselklappe 11 oder dergleichen einzusetzen, um den Volumenstrom der Luft beeinflussen zu können.

Claims (6)

  1. Vorrichtung zum Verdampfen und/oder Überhitzen eines Brennstoffs oder eines Wasser/Brennstoff-Gemischs, wobei ein Wärmetauscher wenigstens zwei voneinander getrennte Bereiche aufweist, welche in wärmeleitender Verbindung zueinander stehen, und wobei in dem ersten Bereich der Brennstoff oder das Brennstoff/Wasser-Gemisch verdampft und/oder überhitzt, wobei der zweite Bereich einen Katalysator für die katalytische Verbrennung aufweist, und wobei zur Zufuhr der Abgase der Brennstoffzelle und/oder des Gaserzeugungssystems zu dem zweiten Bereich des Wärmetauschers für eine katalytische Verbrennung eine Leitung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (5) in Strömungsrichtung der zugeführten Abgase der Brennstoffzelle (3) und/oder des Gaserzeugungssystems (2) vor dem Wärmetauscher (1) eine Verengung (9) aufweist, in deren Bereich der für die katalytische Verbrennung benötigte Brennstoff über ein Leitungselement (6) zuführbar ist, und wobei die Leitung (5) in Strömungsrichtung Abgase der Brennstoffzelle und/oder des Gaserzeugungssystems vor der Verengung (9) ein Anschlußelement (7) aufweist, durch welches das sauerstoffhaltige Gas zuführbar ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitungselement (6) eine Einrichtung (10) zur Steuerung oder Regelung des sie durchströmenden Brennstoff-Volumenstroms aufweist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich der Verengung (9) in der Art einer Venturi-Düse ausgebildet ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitungselement (6) als eine Art Lanze ausgebildet ist, welche im Bereich der Verengung (9) in die Leitung (5) ragt.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Anschlußelement (7) eine Drosseleinrichtung (11) aufweist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Anschlußelement (7) im Bereich einer weiteren Verengung (9') in die Leitung (5) mündet.
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