WO2001055026A1 - Verfahren zum verdampfen und/oder überhitzen eines brennstoffs - Google Patents

Verfahren zum verdampfen und/oder überhitzen eines brennstoffs Download PDF

Info

Publication number
WO2001055026A1
WO2001055026A1 PCT/EP2000/013210 EP0013210W WO0155026A1 WO 2001055026 A1 WO2001055026 A1 WO 2001055026A1 EP 0013210 W EP0013210 W EP 0013210W WO 0155026 A1 WO0155026 A1 WO 0155026A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fuel
fuel cell
gas
generation system
exhaust gases
Prior art date
Application number
PCT/EP2000/013210
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Rainer Autenrieth
Original Assignee
Daimlerchrysler Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Daimlerchrysler Ag filed Critical Daimlerchrysler Ag
Priority to EP00991633A priority Critical patent/EP1255692A1/de
Priority to US10/181,160 priority patent/US6866091B2/en
Priority to JP2001554977A priority patent/JP2003529896A/ja
Publication of WO2001055026A1 publication Critical patent/WO2001055026A1/de

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/26—Nozzle-type reactors, i.e. the distribution of the initial reactants within the reactor is effected by their introduction or injection through nozzles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01B—BOILING; BOILING APPARATUS ; EVAPORATION; EVAPORATION APPARATUS
    • B01B1/00—Boiling; Boiling apparatus for physical or chemical purposes ; Evaporation in general
    • B01B1/005—Evaporation for physical or chemical purposes; Evaporation apparatus therefor, e.g. evaporation of liquids for gas phase reactions
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D1/00—Evaporating
    • B01D1/0011—Heating features
    • B01D1/0058—Use of waste energy from other processes or sources, e.g. combustion gas
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B01J8/02—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds
    • B01J8/0278—Feeding reactive fluids
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/323—Catalytic reaction of gaseous or liquid organic compounds other than hydrocarbons with gasifying agents
    • 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
    • H01M8/0625—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 in a modular combined reactor/fuel cell structure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2208/00—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor
    • B01J2208/00008—Controlling the process
    • B01J2208/00017—Controlling the temperature
    • B01J2208/00106—Controlling the temperature by indirect heat exchange
    • B01J2208/00168—Controlling the temperature by indirect heat exchange with heat exchange elements outside the bed of solid particles
    • B01J2208/00256—Controlling the temperature by indirect heat exchange with heat exchange elements outside the bed of solid particles in a heat exchanger for the heat exchange medium separate from the reactor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2208/00—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor
    • B01J2208/00008—Controlling the process
    • B01J2208/00017—Controlling the temperature
    • B01J2208/00106—Controlling the temperature by indirect heat exchange
    • B01J2208/00265—Part of all of the reactants being heated or cooled outside the reactor while recycling
    • B01J2208/00274—Part of all of the reactants being heated or cooled outside the reactor while recycling involving reactant vapours
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2208/00—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor
    • B01J2208/00008—Controlling the process
    • B01J2208/00017—Controlling the temperature
    • B01J2208/00106—Controlling the temperature by indirect heat exchange
    • B01J2208/00309—Controlling the temperature by indirect heat exchange with two or more reactions in heat exchange with each other, such as an endothermic reaction in heat exchange with an exothermic reaction
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2208/00—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor
    • B01J2208/00008—Controlling the process
    • B01J2208/00017—Controlling the temperature
    • B01J2208/0053—Controlling multiple zones along the direction of flow, e.g. pre-heating and after-cooling
    • 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
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H01M8/04022—Heating by combustion
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a method for evaporating and / or overheating a fuel or a fuel / water mixture according to the type defined in the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to a device for carrying out the above-mentioned method.
  • Heat exchangers which are suitable for evaporating and / or overheating media are known from the prior art.
  • DE 44 26 692 Cl describes a heat exchanger which is constructed from foils stacked one above the other with reactant channels.
  • DE 196 39 150 C2 shows a central heating device in which a catalytic oxidation of a fuel takes place.
  • the thermal energy generated in this way can then be fed to the heat transfer medium, for example, and thus used to operate the above-mentioned heat exchanger.
  • the fuel used can be any gaseous or liquid medium which can be catalytically oxidized.
  • the above-mentioned document mentions the starting material for the gas production, in this case methanol, the product gas generated in the gas production or a hydrogen-containing exhaust gas from the fuel cell as examples of the fuel.
  • the thermal energy content of the volume flow can be increased with a fast dynamic response, which has the advantage that the catalytic combustion can also deliver a higher thermal energy very quickly.
  • the gas generation system is thus without noteworthy time delay, the amount of vaporized and / or superheated fuel or fuel / water mixture required to generate the required increased power.
  • Another advantage results from the fact that the metering, which can take place depending on the required amount of heat and thus the electrical power required by the fuel cell system, takes place before the actual catalytic combustion and thus the combustion and the space in which the Combustion takes place, no further thermal energy for the fine distribution and / or for the evaporation of the added additional fuel is removed.
  • the fuel is atomized when it is introduced into the volume flow from the oxygen-containing gas and the exhaust gases from the fuel cell and / or the gas generation system.
  • the energy required for atomization can be derived as mechanical energy from the pressure or the flow rate of the volume flow and the fuel to be introduced.
  • a fuel distributed in fine particles in the volume flow is sufficient to ensure the function of the catalytic combustion.
  • the device has a gas-assisted nozzle for this purpose, which increases the flow velocity in the volume flow through a constriction and in this area brings the fuel into the volume flow. Due to the flow energy of the volume flow Fuel atomized in the same.
  • the reaction space for the catalytic combustion thus reaches a mixture of the necessary gases and the additional finely divided fuel, which can be catalytically burned without any further significant absorption of thermal energy.
  • This has the advantage that all the thermal energy generated during the combustion is immediately available for the evaporation and / or overheating of the fuel or the fuel / water mixture, and the fuel cell system can thus react very quickly to a required load step.
  • the only attached figure shows a corresponding heat exchanger 1, which is followed by a gas generation system 2 indicated in principle and a fuel cell 3.
  • the heat exchanger 1 has two areas la, lb, which are in heat-conducting contact with one another, but are sealed off from one another for the fluids flowing through.
  • the area 1b of the heat exchanger 1 has a catalytic coating 4, which is indicated in principle, a catalytic filling or the like, which is used for catalytic combustion of the supplied Fabrics is needed.
  • the thermal energy generated in the catalytic combustion in the area lb of the heat exchanger 1 then passes into the other area la of the heat exchanger 1.
  • a liquid fuel or a liquid fuel / water mixture supplied to the area la in the exemplary embodiment shown, it is intended to do so act as a methanol / water mixture (CH 3 OH + H 2 0), is evaporated by the thermal energy from the catalytic combustion in the area la of the heat exchanger 1.
  • the vaporous or gaseous mixture of water and methanol also overheats in the region la of the heat exchanger 1.
  • This mixture of water and methanol then passes into the gas generation system 2, which is indicated in principle and is known per se in its mode of operation, and optionally into the fuel cell 3 after an optional gas cleaning stage (not shown).
  • the fuel cell 3 then outputs the required power P in the form of electrical power.
  • exhaust gases are produced which have combustible residual materials, such as residual methanol or residual hydrogen. These exhaust gases reach at least according to the arrows shown in dashed lines partly to a line 5, via which they can be returned to the area 1b of the heat exchanger 1 for catalytic combustion.
  • the amount of methanol / water mixture evaporated in the heat exchanger 1 must of course also be increased as quickly as possible.
  • the fuel methanol (CH 3 0H) in its liquid form is supplied to the volume flow from the exhaust gases of the gas generation system 2 and / or the fuel cell 3 via a line element 6.
  • these exhaust gases have already been mixed beforehand with oxygen-containing gas (0 2 ) flowing in via a connection element 7, here in particular air or oxygen-containing exhaust gas from an anode compartment of the fuel cell 3.
  • This volume flow now picks up the liquid fuel which can be metered in as a function of the required power P of the fuel cell 3 from the line element 6.
  • the resulting mixture flows into the area lb of the heat exchanger 1 and is catalytically burned there.
  • a gas-assisted nozzle 8 is therefore used, which uses the flow energy of the volume flow to atomize the liquid methanol.
  • the area in which the line element 6 opens into the line 5 has a constriction 9 which, due to the law of continuity, produces an accelerated flow, that is to say a higher flow velocity, in the area of the constriction 9.
  • the methanol supplied via the line element 6 becomes absorbed by the volume flow flowing through the line element 6 and atomized therein.
  • the constriction 9 can be designed in the manner of a Venturi nozzle, as is indicated in principle in the exemplary embodiment, but it can also be formed by a lance-like end of the line element 6 protruding into the line 5 (not shown).
  • the metering of the methanol can take place via a throttle device 10 in the line element 6 or via a corresponding, controllable conveying device (not shown).
  • the volume flow of liquid methanol flowing through the line element 6 is controlled or regulated depending on the power P required by the fuel cell 3.
  • Comparable as for the liquid methanol also applies to the air which reaches the line 5 via the connecting element 7.
  • a narrowing 9 ' can optionally be formed, which is indicated by dashed lines in the single attached figure.
  • the mode of operation of the constriction 9 ' is similar to the mode of operation of the constriction 9 when the liquid methanol is supplied, except that in the case of the constriction 9' two gaseous media are mixed with one another.
  • the air which is supplied to the line 5 via the connection element 7 can also be controlled or regulated as a function of the power required by the fuel cell 3 and thus the thermal energy required in the heat exchanger 1. It is advisable to have a throttle in the connection element 7. Sel flap 11 or the like to use to influence the volume flow of the air.

Abstract

Ein Verfahren dient zum Verdampfen und/oder Überhitzen eines Brennstoff/Wasser-Gemischs, wobei der Brennstoff insbesondere Methanol ist, zur Versorgung eines Gaserzeugungssystems (2) einer Brennstoffzellen-Anlage (3). Dabei werden Abgase der Brennstoffzelle und/oder des Gaserzeugungssystems zusammen mit einem sauerstoffhaltigen Gas zur Erzeugung der hierfür erforderlichen thermischen Energie katalytisch verbrannt (16). Der Brennstoff wird in den Volumenstrom aus dem sauerstoffhaltigen Gas und den Abgasen der Brennstoffzelle und/oder des Gaserzeugungssystems in Strömungsrichtung vor der katalytischen Verbrennung zudosiert.

Description

Verfahren zum Verdampfen und/oder Überhitzen eines
Brennstoffs
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verdampfen und/oder Überhitzen eines Brennstoffs oder eines Brennstoff/Wasser-Gemischs nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des oben genannten Verfahrens.
Aus dem Stand der Technik sind Wärmetauscher, welche zum Verdampfen und/oder Überhitzen von Medien geeignet sind, bekannt. So beschreibt beispielsweise die DE 44 26 692 Cl 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 kataly- tisch 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 wasser- stoffhaltiges 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 BrennstoffZeilensystems in einem Kraftfahrzeug als sehr nachteilig erweist.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren 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 das im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 beschriebene Verfahren 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 sauer- stoffhaltiges Kathodenabgas der Brennstoffzelle oder einem 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 verzöge- rungsfreies 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 verdampften und/oder überhitzten Brennstoff oder Brennstoff/Wasser-Gemisch zur Verfügung.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, daß die Zudo- sierung, welche in Abhängigkeit der erforderlichen Wärmemenge und damit der von dem Brennstoffzellensys- tem 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 .
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung 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 entnehmen. Ein in feinen Partikel in dem Volumenstrom verteilter Brennstoff reicht nämlich aus, die Funktion der katalytischen Verbrennung sicherzustellen.
In der oben genannten Ausgestaltung 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 zerstaubt.
Den Reaktionsraum für die katalytische Verbrennung erreicht damit ein Gemisch aus den erforderlichen Gasen und dem zusatzlichen fein verteilten Brennstoff, welches ohne weitere nennenswerte Aufnahme von thermischer Energie katalytisch verbrannt werden kann. Damit ergibt sich der Vorteil, daß samtliche bei der Verbrennung entstehende thermische Energie unmittelbar zum Verdampfen und/oder überhitzen des Brennstoffs oder des Brennstoff/Wasser-Gemischs zur Verfugung steht und die Brennstoffzellen-Anlage somit sehr schnell auf einen geforderten Lastsprung zu reagieren vermag.
Weiter vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung und mögliche Vorrichtungen zur Durchfuhrung des erfin- dungsgemaßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteran- spruchen und dem anhand der Zeichnung nachfolgend prinzipmaßig dargestellten Ausfuhrungsbeispiel.
Die einzige beigefugte Figur zeigt einen entsprechenden Wärmetauscher 1, an welchen sich ein prinzipmaßig angedeutetes Gaserzeugungssystem 2 sowie eine Brennstoffzelle 3 anschließt. Der Wärmetauscher 1 weist dabei zwei Bereiche la, lb auf, welche in wärmeleitendem Kontakt zueinander stehen, f r die jeweils durchströmenden Fluide jedoch gegeneinander abgedichtet sind.
Der Bereich lb des Wärmetauschers 1 weist dabei eine prinzipmaßig angedeutete katalytische Beschichtung 4, eine katalytische Füllung oder dergleichen auf, welche für eine katalytische Verbrennung der zugefuhrten Stoffe benötigt wird. Die bei der katalytischen Verbrennung in dem Bereich lb des Wärmetauschers 1 entstehende thermische Energie gelangt dann in den anderen Bereich la des Wärmetauschers 1. Ein dem Bereich la zugeführter flüssiger Brennstoff oder ein flüssiges Brennstoff-/Wasser-Gemisch, im dargestellten Ausführungsbeispiel soll es sich dabei um ein Methanol/Wasser-Gemisch (CH3OH + H20) handeln, wird durch die aus der katalytischen Verbrennung stammende thermische Energie in dem Bereich la des Wärmetauschers 1 verdampft .
Wenn die thermische Energie ausreicht, kommt es in dem Bereich la des Wärmetauschers 1 außerdem zu einem Ü- berhitzen 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 einen 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 lb 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 aufgrund 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 (CH30H) 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 sauerstoffhaltigen Gas (02) , 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 lb des Wärmetauschers 1 und wird dort katalytisch verbrannt.
Dabei ist es wichtig, daß in den Bereich lb 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 lb des Wärmetauschers 1 keine thermische Energie zu entziehen, welche für die Verdampfung des Methanol/Wasser-Gemischs in dem Bereich lb 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 Dros- selklappe 11 oder dergleichen einzusetzen, um den Volumenstrom der Luft beeinflussen zu können.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Verdampfen und/oder Überhitzen eines Brennstoffs oder eines Brennstoff/Wasser-Gemischs, wobei der Brennstoff insbesondere Methanol ist, zur Versorgung eines Gaserzeugungssystems einer Brennstoffzellen-Anlage, wobei Abgase der Brennstoffzelle und/oder des Gaserzeugungssystems zusammen mit einem sauerstoffhaltigen Gas zur Erzeugung der hierfür erforderlichen thermischen Energie katalytisch verbrannt werden, dadur ch ge kenn z e i chne t , daß der Brennstoff in den Volumenstrom aus dem sauerstoffhaltigen Gas und den Abgasen der Brennstoffzelle (3) und/oder des Gaserzeugungssystems (2) in Strömungsrichtung vor der katalytischen Verbrennung zudosiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadur ch ge kenn z e i chn e t , daß der Brennstoff mittels einer gasunterstützten Düse in dem Volumenstrom aus dem sauerstoffhaltigen Gas und den Abgasen der Brennstoffzelle (3) und/oder des Gaserzeugungssystems (2) zerstäubt wird.
3 . Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Menge des Brennstoffs sowie die Menge an in dem Volumenstrom enthaltenem sauerstoffhaltigen Gas in Abhängigkeit der für die Verdampfung erforderlichen thermischen Energie dem Volumenstrom der Abgase der Brennstoffzelle (3) und/oder des Gaserzeugungssystems (2) zudosiert wird.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Verdampfen und/oder Überhitzen eines Brennstoffs oder eines Wasser/Brennstoff-Gemischs nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, 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, dadur ch ge kenn z e i chne t , daß der zweite Bereich einen Katalysator (4) für die katalytische Verbrennung aufweist, und daß zur Zufuhr der Abgase der Brennstoffzelle (3) und/oder des Gaserzeugungssystems (2) zur katalytischen Verbrennung eine Leitung (5) vorgesehen ist, wobei 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 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.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Leitungselement (6) eine Einrichtung (10) zur Steuerung oder Regelung des sie durchströmenden Brennstoff-Volumenstroms aufweist .
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Bereich der Verengung (9) in der Art einer Venturi-Düse ausgebildet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Leitungselement (6) als eine Art Lanze ausgebildet ist, welche im Bereich der Verengung (9) in die Leitung (5) ragt.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Anschlußelement (7) eine Drosseleinrichtung (11) aufweist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Anschlußelement (7) im Bereich einer weiteren Verengung (9') in die Leitung (5) mündet.
PCT/EP2000/013210 2000-01-26 2000-12-22 Verfahren zum verdampfen und/oder überhitzen eines brennstoffs WO2001055026A1 (de)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP00991633A EP1255692A1 (de) 2000-01-26 2000-12-22 Verfahren zum verdampfen und/oder überhitzen eines brennstoffs
US10/181,160 US6866091B2 (en) 2000-01-26 2000-12-22 Device for vaporizing and/or superheating a combustible
JP2001554977A JP2003529896A (ja) 2000-01-26 2000-12-22 燃料を気化及び／又は過熱する方法

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10003275A DE10003275B4 (de) 2000-01-26 2000-01-26 Vorrichtung zum Verdampfen und/oder Überhitzen eines Brennstoffs
DE10003275.3 2000-01-26

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2001055026A1 true WO2001055026A1 (de) 2001-08-02

Family

ID=7628757

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2000/013210 WO2001055026A1 (de) 2000-01-26 2000-12-22 Verfahren zum verdampfen und/oder überhitzen eines brennstoffs

Country Status (5)

Country Link
US (1) US6866091B2 (de)
EP (1) EP1255692A1 (de)
JP (1) JP2003529896A (de)
DE (1) DE10003275B4 (de)
WO (1) WO2001055026A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6872481B2 (en) * 2002-06-28 2005-03-29 General Motors Corporation Process for utilization of a cold-flame vaporizer in auto-thermal reforming of liquid fuel

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7008707B2 (en) * 2002-02-15 2006-03-07 General Motors Corporation Direct water vaporization for fuel processor startup and transients
EP1784883B1 (de) * 2004-07-28 2012-12-12 Ceramic Fuel Cells Limited Brennstoffzellensystem
US20080075655A1 (en) * 2006-09-21 2008-03-27 Lev Davydov Gas mixing device and methods of use
KR20090069192A (ko) * 2006-10-17 2009-06-29 캐논 가부시끼가이샤 배출연료의 희석기구 및 배출연료의 희석기구를 가진 연료전지시스템
US8858223B1 (en) 2009-09-22 2014-10-14 Proe Power Systems, Llc Glycerin fueled afterburning engine

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4670359A (en) * 1985-06-10 1987-06-02 Engelhard Corporation Fuel cell integrated with steam reformer
WO1994023813A1 (en) * 1993-04-22 1994-10-27 Imperial Chemical Industries Plc Vaporisation of liquids
WO1999019456A1 (en) * 1997-10-15 1999-04-22 Northwest Power Systems, Llc Steam reformer with internal hydrogen purification
EP0920064A1 (de) * 1997-11-26 1999-06-02 General Motors Corporation Brennstoffzellensystem mit einem durch eine Verbrennungseinrichtung geheizten Reformierungsreaktor
EP0924163A2 (de) * 1997-12-16 1999-06-23 dbb fuel cell engines GmbH Verfahren zur Wasserdampfreformierung eines Kohlenwasserstoffs oder Kohlenwasserstoffderivats, damit betreibbare Reformierungsanlage und Brennstoffzellen-Betriebsverfahren

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3607419A (en) * 1969-10-01 1971-09-21 United Aircraft Corp Fuel cell system control
US3689237A (en) * 1970-02-19 1972-09-05 North American Utility Constru Fuel gas pipeline system
US4483805A (en) * 1982-06-09 1984-11-20 Adl-Innovation Kb Process for injection of fluid, e.g. slurry in e.g. flue gases and a nozzle device for the accomplishment of the process
US4650727A (en) * 1986-01-28 1987-03-17 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Fuel processor for fuel cell power system
DE4426692C1 (de) * 1994-07-28 1995-09-14 Daimler Benz Ag Zweistufige Verdampfereinheit für einen Reaktant-Massenstrom und Verfahren zur Herstellung desselben
DE19639150C2 (de) * 1996-09-24 1998-07-02 Daimler Benz Ag Zentrale Heizvorrichtung für ein Gaserzeugungssystem
JPH1179703A (ja) * 1997-09-04 1999-03-23 Aisin Seiki Co Ltd 燃料電池用改質装置
DE19754013C2 (de) * 1997-12-05 2000-10-26 Dbb Fuel Cell Engines Gmbh Vorrichtung und Verfahren zur Wasserdampfreformierung eines Kohlenwasserstoffs

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4670359A (en) * 1985-06-10 1987-06-02 Engelhard Corporation Fuel cell integrated with steam reformer
WO1994023813A1 (en) * 1993-04-22 1994-10-27 Imperial Chemical Industries Plc Vaporisation of liquids
WO1999019456A1 (en) * 1997-10-15 1999-04-22 Northwest Power Systems, Llc Steam reformer with internal hydrogen purification
EP0920064A1 (de) * 1997-11-26 1999-06-02 General Motors Corporation Brennstoffzellensystem mit einem durch eine Verbrennungseinrichtung geheizten Reformierungsreaktor
EP0924163A2 (de) * 1997-12-16 1999-06-23 dbb fuel cell engines GmbH Verfahren zur Wasserdampfreformierung eines Kohlenwasserstoffs oder Kohlenwasserstoffderivats, damit betreibbare Reformierungsanlage und Brennstoffzellen-Betriebsverfahren

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6872481B2 (en) * 2002-06-28 2005-03-29 General Motors Corporation Process for utilization of a cold-flame vaporizer in auto-thermal reforming of liquid fuel

Also Published As

Publication number Publication date
EP1255692A1 (de) 2002-11-13
US20030059729A1 (en) 2003-03-27
JP2003529896A (ja) 2003-10-07
DE10003275B4 (de) 2007-05-03
DE10003275A1 (de) 2001-08-09
US6866091B2 (en) 2005-03-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE10118148B4 (de) Verbrennungserwärmungsvorrichtung, Brennstoffreformierapparat mit Verbrennungserwärmungsvorrichtung und Brennstoffzellensystem
EP0878442A1 (de) Reformierungsreaktor und Betriebsverfahren hierfür
DE19840216A1 (de) Reformierungseinrichtung für eine Brennstoffzelle
DE2232506C2 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines durch katalytische Umsetzung von Brennstoff und einem als Sauerstoffträger dienenden Gas zu bildenden Gasgemisches
DE19727588C1 (de) Vorrichtung zur Erzeugung eines wasserstoffreichen und kohlenmonoxidarmen Gases
DE60311029T2 (de) System zur Erzeugung von Wasserstoff und damit betriebene Brennstoffzelle
DE102005058530A1 (de) Reformeranordnung, Funktionssystem aus Reformeranordnung und Wasserstoff verbrauchendem System und Verfahren zum Betreiben einer Reformeranordnung
WO2001055026A1 (de) Verfahren zum verdampfen und/oder überhitzen eines brennstoffs
WO2020102841A1 (de) Brennstoffzellensystem und verfahren zum temperieren eines brennstoffzellensystems
EP1256141B1 (de) System zur vorsorgung von wenigstens zwei komponenten eines gaserzeugungssystems
WO2008009250A1 (de) Reformer und verfahren zum umsetzen von brennstoff und oxidationsmittel zu gasförmigem reformat
DE10136970A1 (de) Vorrichtung zur Erzeugung von wasserstoffhaltigem Gas für eine Brennstoffzellenanlage
AT520719B1 (de) Reversibel betreibbarer Energiewandler und Verfahren zum Betreiben desselben
DE102007018311B4 (de) Zweistufiger Reformer und Verfahren zum Betreiben eines Reformers
DE10054921A1 (de) Verdampfer-Rohbrennstoff-Einspritzvorrichtung
DE10350039B4 (de) Brenner für einen Reformer in einem Brennstoffzellensystem
WO2008006334A1 (de) Brennstoff zellensystem mit reformer und nachbrenner
EP1261993A2 (de) Vorrichtung und verfahren zum erhitzen und/oder verdampfen flüssiger oder gasförmiger medien
EP1693916A1 (de) Vorwärmer für eine Brennstoffzelle
DE19956378B4 (de) Verfahren zum Einbringen von verschiedenen gasförmigen und/oder flüssigen Betriebsstoffen in einen Reaktionsraum
DE10127349B4 (de) Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage und Brennstoffzellenanlage
WO2019068123A1 (de) Verfahren zum schnellen aufheizen eines brennstoffzellensystems
DE10243275A1 (de) Reformereinrichtung für ein Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Erzeugen von Wasserstoff durch Reformieren eines Betriebsmediums
DE10296673T5 (de) Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage
EP1139473A2 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): JP US

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE CH CY DE DK ES FI FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE TR

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
DFPE Request for preliminary examination filed prior to expiration of 19th month from priority date (pct application filed before 20040101)
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2000991633

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 10181160

Country of ref document: US

ENP Entry into the national phase

Ref country code: JP

Ref document number: 2001 554977

Kind code of ref document: A

Format of ref document f/p: F

WWP Wipo information: published in national office

Ref document number: 2000991633

Country of ref document: EP