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Dokumentenidentifikation DE102006039039A1 29.11.2007
Titel Verfahren zum Aufheizen einer Katalysatorstufe sowie Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens
Anmelder Zentrum für Brennstoffzellen-Technik GmbH, 47057 Duisburg, DE
Erfinder Kalk, Thorsten, 47057 Duisburg, DE;
Mathiak, Jens, Dr., 44579 Castrop-Rauxel, DE
Vertreter Viering, Jentschura & Partner, 46047 Oberhausen
DE-Anmeldedatum 19.08.2006
DE-Aktenzeichen 102006039039
Offenlegungstag 29.11.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.11.2007
IPC-Hauptklasse C01B 3/38(2006.01)A, F, I, 20060819, B, H, DE
Zusammenfassung Bei einem Verfahren zum Aufheizen mindestens einer einem Reformer nachgeschalteten Katalysatorstufe, wobei dem Reformer ein Wärmeträgermedium über mindestens eine Zuleitung zugeleitet und dieses mittels mindestens einer Heizvorrichtung aufgeheizt wird, soll der Reformer und die mindestens eine nachgeschaltete Katalysatorstufe effektiv aufgeheizt werden, wobei ein Einsatz konventioneller Katalysatoren weiterhin möglich ist. Dies wird dadurch erreicht, dass eine thermische Einkopplung des aufgeheizten Wärmeträgermediums in die mindestens eine nachgeschaltete Katalysatorstufe mittels einer indirekten Wärmeübertragung durchgeführt wird.

Beschreibung[de]

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zum Aufheizen mindestens einer einem Reformer nachgeschalteten Katalysatorstufe, wobei dem Reformer ein Wärmeträgermedium über mindestens eine Zuleitung zugeleitet und dieses mittels mindestens einer Heizvorrichtung aufgeheizt wird. Die Erfindung richtet sich auch auf eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens, wobei die Vorrichtung mindestens einen Reformer, eine dem Reformer zugeordnete Zuleitung, eine dem Reformer zugeordnete Ausleitung, eine dem Reformer zugeordnete Heizvorrichtung und mindestens eine dem Reformer nachgeschaltete Katalysatorstufe aufweist.

Es ist bekannt, dass durch Reformieren von kohlenwasserstoffhaltigen Energieträgern wie Benzin, Diesel, Erdgas oder LPG, ein wasserstoffhaltiges Produktgas hergestellt werden kann. Beispielsweise läuft die Wasserdampf-Reformierung für Methan als Hauptbestandteil von Erdgas im Wesentlichen nach den zwei unabhängigen Reaktionsgleichungen CH4 + H2O ⇔ CO + 3H2; &Dgr;h0 = 206kJ/mol und CH4 + 2H2O ⇔ CO2 + 4H2 &Dgr;h0 = 165kJ/mol unter Wärmezuleitung an einem Katalysator ab. Ein solches bei der Wasserdampfreformierung hergestelltes Wasserstoffgemisch stellt sich im Wesentlichen beispielsweise wie folgt zusammen:

7% CO2, 9% CO, 1% CH4, 27% H2O sowie 56% H2. Ein solches Gasgemisch ist für die Verwendung bei vielen Brennstoffzellen ungeeignet, da das vorhandene Kohlenmonoxid die Katalysatoren der Brennstoffzellen angreift und die Geschwindigkeit der zur Stromgewinnung notwendigen Oxidation deutlich herabsetzt. Aus diesem Grunde ist es erforderlich, das Gasgemisch vor der Verwendung derart zu reinigen, dass der Kohlenmonoxid-Anteil abhängig von den nachgeschalteten Brennstoffzellen auf 10–100 ppm reduziert wird. Dies geschieht in sogenannten Shift-Konvertern, wobei die Konvertierung entsprechend der exothermen homogenen Wasser-Gas-Shift-Reaktion CO + H2O ⇔ CO2 + H2 &Dgr;h0 = –41kJ/mol abläuft. In der Regel wird in zwei Temperaturstufen, dem Hochtemperatur-Shift (HT-Shift) beispielsweise an einem Fe-Cr-Katalysator bei Temperaturen zwischen 300–500°C und dem Niedertemperatur-Shift (NT-Shift) beispielsweise an einem Cu-Zn-Katalysator bei Temperaturen von 200–300°C, konvertiert. Bei der hohen Temperatur des HT-Shifts ist die Reaktionsgeschwindigkeit der Wasser-Gas-Reaktion hoch, allerdings liegt das Gleichgewicht weit links, also bei hohen Kohlenmonoxid-Konzentrationen. Bei den niedrigen Temperaturen des NT-Shifts liegt das Gleichgewicht günstiger, allerdings ist hier die Reaktionsgeschwindigkeit kleiner. Nach einer derartigen Shift-Konvertierung enthält das Gasgemisch einen Kohlenmonoxidgehalt von etwa 0,5 bis 1%.

Um diesen insbesondere für Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzellen weiterhin zu hohen Kohlenmonoxidgehalt zu reduzieren, wird optional eine Gasfeinreinigungsstufe nachgeschaltet. Bei Nutzung der selektiven Oxidation reagiert das in dem Gasgemisch vorhandene Kohlenmonoxid unter Zugabe von Sauerstoff und in Anwesenheit eines geeigneten Katalysators zu Kohlendioxid, gemäß der Reaktion CO + SO2 S CO2 &Dgr;h0 = –283,6kJ/mol

Diese Reaktion sollte weitestgehend selektiv, d.h. mit möglichst unterdrückter Wasserstoff-Oxidation ablaufen H2 + SO2 ⇔ H2O &Dgr;h0 = –243,5kJ/mol

Beim Starten des Prozesses sind zunächst sämtliche Reaktoren, d.h. beispielsweise Reformer und nachgeschaltete Katalysatorstufe, und Wärmetauscher auf Umgebungstemperatur und müssen auf Betriebstemperatur gebracht werden. Bei Großanlagen erfolgt dies mittels Stickstoff, der extra für das An- und Abfahren der Anlage vorgehalten wird. In kleineren, speziell in Brennstoffzellenanwendungen, kommt dieses Verfahren nicht in Frage, da eine separate N2-Versorgung nicht toleriert wird. Dabei ist die Aufheizung des Hauptreformers im allgemeinen unkritisch, da dieser über eine direkte oder indirekte Beheizung verfügen kann (beispielsweise ein Brenner beim Dampfreformer bzw. ein Brenner auf Basis einer Oxidation des Kraftstoffes bei autothermer Reformierung oder partieller Oxidation). Zeitlich kritisch hingegen ist die Aufheizung der nachgeschalteten Katalysatorstufe, in welchen beispielsweise die Shift-Reaktionen oder eine selektive Oxidation stattfindet.

Aus der DE 101 32 064 A1 sind Verfahren zum Aufheizen von einem Reformer nachgeschalteten Katalysatorstufen bekannt. In der ersten Variante wird in einem Reformer Wasser verdampft und direkt in die nachgeschaltete Katalysatorstufe geleitet. Da das aufgeheizte Wasser in den Katalysatoren der nachgeschaltete Katalysatorstufe kondensieren kann, sind bei diesem Verfahren ausschließlich wasserunempfindliche Katalysatorsysteme geeignet. In einer zweiten Variante wird anstelle von Wasser Luft aufgeheizt und in die nachgeschaltete Katalysatorstufe eingeleitet. In diesem Fall müssen sauerstoffunempfindliche Katalysatoren eingesetzt werden, da die Luft einen Sauerstoffanteil aufweist, welcher die Katalysatoren deaktivieren oder gar schädigen könnte. In einer weiteren Variante wird schließlich das direkte Aufheizen mit Rauchgas der Reformerbrenners offenbart.

Aus der DE 199 44 540 A1 ist ein Reaktorsystem bekannt, welches mit elektrischen Heizmitteln arbeitet. Dabei ist eine flächige, elektrische beheizbare, katalysatorbelegte und für einen Reaktionseduktstrom durchlässige Heizvorrichtung vorgesehen. Bei einer Startphase wird der Reaktionseduktstrom lediglich über einen Teil eines Eintrittsquerschnittes in den Reaktionsraum geleitet.

Aus der DE 100 54 840 A1 ist schließlich ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Starten eines Reaktors in einem Gaserzeugungssystem bekannt. Dabei wird ein Kohlenwasserstoff zur Erzeugung thermischer Energie umgesetzt, wobei zumindest ein Teil eines Abgasstromes in den Reaktor einströmt.

Im Stand der Technik bekannte Verfahren und Vorrichtungen haben erhebliche Einschränkungen zur Folge. Beispielsweise einen erheblichen Energieverbrauch oder eine Beschränkung der einzusetzenden Katalysatoren.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen, die es ermöglicht, einen Reformer und mindestens eine nachgeschaltete Katalysatorstufe effektiv aufzuheizen wobei ein Einsatz konventioneller Katalysatoren weiterhin möglich ist.

Bei einer ersten Variante eines Verfahrens zum Aufheizen mindestens einer einem Reformer nachgeschalteten Katalysatorstufe der Eingangs beschriebenen Art wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch eine thermische Einkopplung des aufgeheizten Wärmeträgermediums in die mindestens eine nachgeschaltete Katalysatorstufe mittels einer indirekten Wärmeübertragung gelöst.

Ein solches Verfahren zum Aufheizen mindestens einer einem Reformer nachgeschalteten Katalysatorstufe ermöglicht ein Anfahren eines Reformersystems in kurzer Zeit und den Einsatz konventioneller Katalysatoren in der nachgeschalteten Katalysatorstufe. Dies wird im Einzelnen dadurch erreicht, dass das aufgeheizte Wärmeträgermedium mittels der indirekten Wärmeübertragung nicht direkt mit einem Katalysator der nachgeschalteten Katalysatorstufe in Kontakt gebracht wird. Bei einer direkten Wärmeübertragung könnte das aufgeheizte Wärmeträgermedium, je nach Struktur und Eigenschaft des Wärmeträgermediums, beispielsweise zumindest teilweise am Katalysator kondensieren oder in sonstiger nicht gewollter Weise mit dem Katalysator reagieren und demgemäss einen auf dieses Wärmeträgermedium empfindlich reagierenden Katalysator in seiner Funktion einschränken oder gar zerstören. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, die in einem Reformer erzeugte Wärme für ein Aufheizen einer dem Reformer nachgeschalteten Katalysatorstufe zu nutzen, was eine ressourcenschonende Aufheizung bei einer hohen Effizienz der in dem Reformer erzeugten und vorhandenen Wärme gewährleistet.

Eine erfindungsgemäße erste Variante einer Vorrichtung zum Aufheizen mindestens einer einem Reformer nachgeschalteten Katalysatorstufe der Eingangs beschriebenen Art weist mindestens einen Wärmeübertrager zum indirekten Übertragen von Wärme auf.

Eine solche Vorrichtung ermöglicht ein effektives Durchführen der ersten Variante des Verfahrens zum Aufheizen mindestens einer einem Reformer nachgeschalteten Katalysatorstufe. Mittels des mindestens einen Wärmeübertragers kann ein aufgeheiztes Wärmeträgermedium durch eine einem Reformer nachgeschalteten Katalysatorstufe geleitet werden, ohne dass das Wärmeträgermedium in direktem Kontakt mit dem Katalysator der nachgeschalteten Katalysatorstufe gelangt. Dies ermöglicht eine Verwendung konventioneller Katalysatoren in der nachgeschalteten Katalysatorstufe.

Bei einer zweiten Variante eines Verfahrens zum Aufheizen mindestens einer einem Reformer nachgeschalteten Katalysatorstufe der Eingangs beschriebenen Art wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch eine zumindest teilweise Rückleitung des Wärmeträgermediums nach einem Durchleiten durch die mindestens eine nachgeschaltete Katalysatorstufen in den Reformer gelöst.

Ein solches Verfahren zum Aufheizen mindestens einer einem Reformer nachgeschalteten Katalysatorstufe ermöglicht ein Aufheizen und Anfahren eines Reformersystems in kurzer Zeit und den gleichzeitigen Einsatz konventioneller Katalysatoren in der nachgeschalteten Katalysatorstufe. Dies wird im Einzelnen dadurch erreicht, dass das aufgeheizte Wärmeträgermedium nach einem Durchleiten durch die mindestens eine nachgeschaltete Katalysatorstufe zumindest teilweise in den Reformer rückgeleitet wird. Dabei wird das verwendete Wärmeträgermedium vorzugsweise in mehreren Zyklen wiederverwendet, wodurch verhindert wird, dass sich die etwaigen unerwünschten Eigenschaften des Wärmeträgermediums durch permanentes neues Einleiten in das System in der nachgeschalteten Katalysatorstufe akkumulieren. Dies ermöglicht eine Verwendung konventioneller Katalysatoren in der nachgeschalteten Katalysatorstufe.

Eine erfindungsgemäße zweite Variante einer Vorrichtung zum Aufheizen mindestens einer einem Reformer nachgeschalteten Katalysatorstufe der Eingangs beschriebenen Art weist mindestens eine Rückleitung zum Ruckführen des Wärmeträgermediums in den Reformer auf.

Eine solche Vorrichtung ermöglicht ein effektives Durchführen der zweiten Variante des Verfahrens zum Aufheizen mindestens einer einem Reformer nachgeschalteten Katalysatorstufe. Mittels der mindestens einen Rückleitung kann ein aufgeheiztes Wärmeträgermedium nach einem Durchleiten durch die mindestens eine nachgeschaltete Katalysatorstufe zumindest teilweise in den Reformer rückgeleitet werden. Damit ist ein permanentes neues Zuleiten des Wärmeträgermediums nicht notwendig, wodurch eine Akkumulation etwaiger unerwünschter Stoffkomponenten und/oder Eigenschaften des Wärmeträgermediums in der nachgeschalteten Katalysatorstufe verhindert wird. Dies ermöglicht eine Verwendung konventioneller Katalysatoren in der nachgeschalteten Katalysatorstufe.

Bei einer dritten Variante eines Verfahrens zum Aufheizen mindestens einer einem Reformer nachgeschalteten Katalysatorstufe der Eingangs beschriebenen Art wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch ein vorzugsweise alternierendes Durchführen eines der Verfahrensschritte der ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens und eines der Verfahrensschritte der zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens gelöst.

Ein solches Verfahren zum Aufheizen mindestens einer einem Reformer nachgeschalteten Katalysatorstufe ermöglicht ein äußerst effizientes Aufheizen und Anfahren eines Reformersystems in kurzer Zeit und den Einsatz konventioneller Katalysatoren in der nachgeschalteten Katalysatorstufe. Dabei ist erfindungsgemäß insbesondere ein alternierendes Durchführen eines der Verfahrensschritte der ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens und eines der Verfahrensschritte der zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, um so eine Vermischung der gegebenenfalls unterschiedlichen Wärmeträgermedien zu vermeiden.

Eine erfindungsgemäße dritte Variante einer Vorrichtung zum Aufheizen mindestens einer einem Reformer nachgeschalteten Katalysatorstufe der Eingangs beschriebenen Art weist mindestens einen Wärmeübertrager zum indirekten Übertragen von Wärme und eine Rückleitung zum Rückleiten eines Wärmeträgermediums in den Reformer auf.

Eine solche Vorrichtung ermöglicht ein effektives Durchführen der dritten Variante des Verfahrens zum Aufheizen mindestens einer einem Reformer nachgeschalteten Katalysatorstufe. Mittels des Wärmeübertragers zum indirekten Übertragen von Wärme und der Rückleitung zum Rückleiten eines Wärmeträgermediums in den Reformer können in effizienter Weise gegebenenfalls unterschiedliche Wärmeträgermedien verwendet werden, was zu einer hohen Effizient der erfindungsgemäßen Vorrichtung führt.

Bevorzugt wird zur Ausgestaltung der Erfindung bei der ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens im wesentlichen Wasser als das Wärmeträgermedium dem Reformer über die mindestens eine Zuleitung zugeleitet. Wird Wasser als das Wärmeträgermedium zugeleitet, ist es möglich, in der nachgeschalteten Katalysatorstufe insbesondere wasserempfindliche Katalysatoren zu verwenden, da aufgrund der erfindungsgemäßen indirekten Wärmeübertragung das aufgeheizte Wasser nicht in direktem Kontakt mit dem Katalysator der nachgeschalteten Katalysatorenstufe kommt und daher eine Kondensation oder eine sonstige nicht gewollte Reaktion des Wasser in diesem nicht zu befürchten ist.

Weiterhin wird zur Ausgestaltung der Erfindung bei der ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens das aufgeheizte Wärmeträgermedium in die mindestens eine nachgeschaltete Katalysatorstufe mittels mindestens einer, vorzugsweise in zumindest einem Bereich als Rohrwendel ausgebildeten Bypass-Leitung thermisch eingekoppelt. Eine solche thermische Einkopplung mittels einer Bypass-Leitung ermöglicht ein einfaches Durchleiten eines Wärmeträgermediums durch die nachgeschaltete Katalysatorstufe ohne in direktem Kontakt mit dem Katalysator der Katalysatorstufe zu kommen. Dabei ist zur thermischen Einkopplung die Bypass-Leitung, welche eine indirekte Wärmeübertragung von dem aufgeheizten Wärmeträgermedium auf die nachgeschaltete Katalysatorstufe ermöglicht, vorzugsweise in zumindest einem Bereich als Rohrwendel ausgebildet, um so die Oberfläche und damit die Kontaktfläche des Wärmeübertragers zu erhöhen und somit eine möglichst effektive Wärmeübertragung zu ermöglichen.

Bevorzugt wird in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung bei der ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens mindestens eine der nachgeschalteten Katalysatorstufe zugeordnete Reformerproduktzuleitung und mindestens eine Bypass-Leitung mittels einer, vorzugsweise der mindestens einen nachgeschalteten Katalysatorstufe nachgeschalteten Ventilanordnung leitungsgesteuert. Eine solche Leitungssteuerung mittels einer Ventilanordnung ermöglicht eine einfache Flusssteuerung der nachgeschalteten Katalysatorstufe zugeordneten Reformerproduktzuleitung und der mindestens einen Bypass-Leitung. Mittels einer solchen Leitungssteuerung kann je nach regulärem Betrieb oder nach Aufwärmphase das Reformerprodukt oder das Wärmeträgermedium in die Reformerproduktzuleitung bzw. die Bypass-Leitung geleitet werden.

In einer Ausführungsform der Erfindung weist die erste Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine vorzugsweise in zumindest einem Bereich als Rohrwendel ausgebildete Bypass-Leitung auf. Eine solche Bypass-Leitung ermöglicht ein einfaches Durchleiten eines Wärmeträgermediums durch die nachgeschaltete Katalysatorstufe ohne dass dieses in direktem Kontakt mit den Katalysatoren der Katalysatorstufe kommt. Dabei ist die Bypass-Leitung, welche eine indirekte Wärmeübertragung von dem aufgeheizten Wärmeträgermedium auf die nachgeschaltete Katalysatorstufe ermöglicht, vorzugsweise in zumindest einem Bereich als Rohrwendel ausgebildet, um so mittels einer großen Kontaktfläche eine möglichst effektive Wärmeübertragung zu ermöglichen.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die erste Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine der mindestens einen Katalysatorstufe nachgeschaltete Ventilanordnung auf. Dabei ist die Ventilanordnung vorzugsweise der dem Reformer nachgeschalteten Katalysatorstufe nachgeschaltet, so dass die Ventilanordnung lediglich mit den bereits abgekühlten Wärmeträgermedien oder Reformerprodukten in Kontakt kommt.

Bevorzugt wird zur Ausgestaltung der Erfindung bei der zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens im wesentlichen Luft, vorzugsweise Umgebungsluft als das Wärmeträgermedium dem Reformer über die mindestens eine Zuleitung zugeleitet. Wird Luft, vorzugsweise Umgebungsluft als das Wärmeträgermedium zugeleitet, ist es möglich, in der nachgeschalteten Katalysatorstufe insbesondere luftempfindliche, dass heißt insbesondere sauerstoffempfindliche Katalysatoren, zu verwenden, da aufgrund der erfindungsgemäßen Rückleitung der Luft nach einem Durchleiten durch die mindestens eine Katalysatorstufe in den Reformer die Sauerstoffkonzentration der eingeleiteten Luft permanent reduziert, zumindest nicht weiter erhöht wird und daher zumindest eine vollständige Deaktivierung der beispielsweise sauerstoffempfindlichen Katalysatoren verhindert wird.

Bevorzugt wird in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung bei der zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens das Wärmeträgermedium mittels einer Pumpvorrichtung, vorzugsweise einer Umwälzpumpe zumindest teilweise rückgeleitet. Eine solche zumindest teilweise Rückleitung mittels einer Pumpvorrichtung ermöglicht insbesondere eine schnelle und effektive Rückleitung, so dass das Wärmeträgermedium nur eine geringe Wärmemenge an die Umgebung abgibt. Weiterhin wird ein Stau des Wärmeträgermediums effektiv verhindert.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die zweite Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Pumpvorrichtung, vorzugsweise eine Umwälzpumpe auf. Eine solche Pumpvorrichtung unterstützt den Fluss des Wärmeüberträgermediums innerhalb durch die das Wärmeübertragungsmedium leitenden Komponenten, Bauteile und/oder Vorrichtungen.

Schließlich wird bevorzugt in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung bei der ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zusätzlich einer der Verfahrensschritte der zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt. Bei einer derartigen Kopplung beider Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein besonders effizientes Anfahren einer nachgeschalteten Katalysatorstufe erreicht werden.

Die vorgenannten sowie beanspruchten und in den Ausführungsbeispielen beschriebenen erfindungsgemäß zu verwendenden Bauteile unterliegen in Größe, Form, Gestaltung, Materialauswahl und technischen Konzeptionen keinen besonderen Ausnahmebedingungen, so dass die in dem Anwendungsgebiet bekannten Auswahlkriterien uneingeschränkt Anwendung finden können.

Weitere Einzelheiten, Merkmal und Vorteile des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnungen, in der – beispielhaft – ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist. In der Zeichnung zeigt

1a ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer ersten Variante der Erfindung;

1b eine skizzenhafte Darstellung eines Bereichs einer nachgeschalteten Katalysatorstufe;

2a ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer zweiten Variante der Erfindung;

2b ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer zweiten Variante der Erfindung;

3 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer dritten Variante der Erfindung.

In 1a ist bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer ersten Variante der Erfindung nach ein Reformer 100 dargestellt, der eine Reformerzuleitung 110 und eine Reformerausleitung 120 aufweist. An der Reformerzuleitung 110 sind eine Wasserzuleitung 104 und eine Brennstoffzuleitung 102 angeschlossen. Die Wasserzuleitung 104 und die Brennstoffzuleitung 102, d.h. insbesondere deren Flussraten, können mittels Ventile (nicht gezeigt) geregelt werden. Die Brennstoffzuleitung 102 liefert kohlenwasserstoffhaltige Energieträger wie Benzin, Diesel, Erdgas oder LPG oder ein Gemisch aus diesen.

Im regulären Betrieb, d.h. nach einer Aufheizphase, wird ein Gemisch von kohlenwasserstoffhaltigen Energieträgern und Wasser dem Reformer 100 zugeleitet.

In der Aufwärmphase hingegen ist es vorgesehen, lediglich im wesentlichen Wasser über die Wasserzuleitung 104 dem Reformer 100 zur Verfügung zu stellen. Das Wasser dient in diesem Fall als ein Wärmeträgermedium und nicht als eines der Reformeredukte. Ungeachtet dessen wird das Wasser wie im regulären Betrieb durch den Reformer 100, also auch durch die in dem Reformer angeordneten Katalysatoren geleitet. Die Brennstoffzuleitung 102 wird entsprechend für die Phase der Aufheizung im wesentlichen geschlossen oder deren Flussrate zumindest deutlich reduziert.

Um den Reformer 100, d.h. insbesondere den oder die im Reformer 100 vorhandenen Katalysatoren, aufzuheizen, ist der Reformer 100 mit einer Heizvorrichtung 200 ausgestattet. Die Heizvorrichtung 200 kann in beliebiger Weise innerhalb oder außerhalb oder auf sonstiger Art an oder im Reformer 100 angeordnet sein. Zum Betrieb der Heizvorrichtung 200 wird die Heizvorrichtung 200 mittels einer Luftzuleitung 202 und einer Brennstoffzuleitung 204 mit Energie versorgt, um die Heizvorrichtung innerhalb eines geeigneten Temperaturbandes zu betreiben. Neben Flammbrennern oder sonstigen Brennervorrichtungen kann die Heizvorrichtung auch elektrisch betrieben sein. Die Heizvorrichtung 200 ist mit dem Reformer 100 thermisch gekoppelt, so dass ein Wärmestrom W von der Heizvorrichtung 200 zu dem Reformer 100 ausgebildet ist, der ein Aufheizen des Reformers 100 ermöglicht.

Das von der Wasserzuleitung 104 stammende Wasser, welches über die Reformerzuleitung 110 in den Reformer 100 eingeleitet wird, wird mittels der Heizvorrichtung 200 aufgeheizt und in die Reformerausleitung 120 geleitet. An die Reformerausleitung 120 schließt sich eine zu der Reformerproduktzuleitung 310 und zu einer Bypass-Leitung 320 führende Aufteilung an. Im regulären Betrieb, d.h. wenn sowohl Wasser als auch Brennstoff dem Reformer zugeleitet werden und diese im Reformer 100 zu dem Reformerprodukt reagieren, wird das aus dem Reformer stammende wasserstoffhaltige Reformerprodukt über die Reformerproduktzuleitung 310 der nachgeschalteten Katalysatorstufe 300 zugeleitet. Die Katalysatorstufe 300 kann beispielsweise eine Hochtemperaturshift-Stufe (HT-Shift), eine Niedertemperaturshift-Stufe (NT-Shift) und/oder eine selektive Oxidationsstufe (Sel-Ox-Stufe) oder eine Kombination der Stufen aufweisen. Das Reformerprodukt ist in der Regel ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, welches auch einen Anteil Kohlenmonoxid enthält und daher für die direkte Verwendung bei vielen Brennstoffzellen ungeeignet ist. Das Reformerprodukt wird daher im regulären Betrieb über die Reformerproduktausleitung 120 durch die Reformerprodukteinleitung 310 in eine nachgeschaltete Katalysatorstufe 300 geleitet. Die Reformerproduktzuleitung 310 führt das Reformerprodukt dabei direkt durch den Katalysator der nachgeschalteten Katalysatorstufe 300, wobei bei der in der nachgeschalteten Katalysatorstufe 300 durchgeführten Katalyse das Katalysatorstufenprodukt über die Katalysatorstufenproduktausleitung 350 ausleitet wird. Das Katalysatorenstufenprodukt ist dabei im wesentlichen ein durch Oxidation am Katalysator von Kohlenmonoxid gereinigtes wasserstoffreiches Gasgemisch. Dieses wird anschließend im regulären Betrieb über eine Ventilvorrichtung 360 in eine Brennstoffzelle 400 geleitet. In der Brennstoffzelle 400 wird dann entsprechend der Brennstoffzellenreaktionen die in dem wasserstoffhaltigen Katalysatorstufenprodukt vorhandene Energie in elektrische Energie umgewandelt.

Während der Aufheizphase wird jedoch das aufgeheizte Wasser, welches über die Reformerausleitung 120 den Reformer 100 verlässt, in die Bypassleitung 320 geleitet. Die Bypassleitung 320 stellt eine Umgehungsleitung zu der Reformerproduktzuleitung 310 dar und leitet das aufgeheizte Wasser derart in die nachgeschaltete Katalysatorstufe, d.h. im wesentlichen durch den Katalysator der nachgeschalteten Katalysatorstufe 300, dass ein direkter Kontakt des aufgeheizten Wassers mit dem Katalysator 332 der nachgeschalteten Katalysatorstufe 300 vermieden wird. Der Wärmeübertrag erfolgt stattdessen über einen Wärmeübertrager 330, der im vorliegenden Fall als eine Heizwendel 340 ausgebildet ist. Somit kann der Katalysator 332 der nachgeschalteten Katalysatorstufe 300 indirekt mittels des aufgeheizten Wassers aufgeheizt werden, so dass eine Beschädigung des Katalysators 332 aufgrund einer etwaigen Kondensation des aufgeheizten Wasser in dem Katalysator 332 verhindert wird.

Nach Durchlaufen des Wärmeübertragers 330, d.h. in der dargestellten Ausführungsform nach Durchlaufen der Heizwendel 340, wird das nun abgekühlte Wasser durch die Bypassleitung 320 aus der nachgeschalteten Katalysatorstufe 300 in die Ventilvorrichtung 360 geleitet. In der dargestellten Ausführungsform ist die Ventilvorrichtung 360 der nachgeschalteten Katalysatorstufe 300 nachgeschaltet. Wird beispielsweise die Katalysatorstufenproduktausleitung 350 mittels der Ventilvorrichtung 360 geschlossen und gleichzeitig die Bypass-Leitung 320 geöffnet, wird das aus der Reformerausleitung 120 austretende Fluid aufgrund des in der Reformerproduktzuleitung 310 entstehenden Gegendruckes, welcher in Folge des Schließens der mit der Reformerproduktzuleitung 310 in fluidführender Verbindung stehenden Katalysatorstufenproduktausleitung 350 aufgebaut wird, durch die geöffnete und nahezu gegendruckfreie Bypassleitung 320 geleitet. Dieser durch die Bypassleitung 320 führende ist der für die Aufheizphase vorbestimmte Weg. Nach erfolgter Aufheizung, d.h. nach Abschluss der Aufheizphase, wird mittels der Ventilvorrichtung 360 die Bypassleitung 320 bzw. 320' geschlossen und gleichzeitig die Reformerproduktausleitung 350 geöffnet. Der aufgrund der Schließung der Bypassleitung 320/320' entstehende Gegendruck in der Bypassleitung 320 wird das aus der Reformerausleitung 120ausgeleitete Fluid durch die Reformerproduktzuleitung 310 in die nachgeschaltete Katalysatorstufe 300 geleitet.

Je nach Betriebsmodus, d.h. entweder Aufheizphase oder regulärer Betrieb, kann daher über eine entsprechende Einstellung der Ventilvorrichtung 360 das aus dem Reformer 100 stammende und über die Reformerausleitung 120 ausgeleitete Fluid, welches während der Aufheizphase das aufgeheiztes Wasser als Wärmeträgermedium und während des regulären Betriebs ein wasserstoffhaltiges Reformerproduktgas ist, entweder in die Reformerproduktzuleitung 310 (im regulären Betrieb) oder durch die Bypassleitung 320 (während der Aufheizphase) geleitet werden. Die Position der Ventilvorrichtung in der dargestellten Ausführungsform ist vorteilhafterweise der nachgeschalteten Katalysatorstufe 300 nachgeschaltet, da die an dieser Position die durch die Ventilvorrichtung 360 fließenden Fluide bereits abgekühlt sind. Es ist jedoch auch denkbar, die Ventilvorrichtung 360 an jeder anderen möglichen Stelle, beispielsweise zwischen Reformer 100 und nachgeschalteter Katalysatorstufe 300, anzuordnen.

In 1b ist eine schematische Darstellung eines Bereichs einer nachgeschalteten Katalysatorstufe 300. Diese weist gemäß der Ausführungsform nach der ersten Variante der Erfindung einen Abschnitt der das aufgeheizte Wärmeträgermedium in die nachgeschaltete Katalysatorstufe 300 einleitenden Bypass-Leitung 320, eine die Wärme des aufgeheizten Wärmeträgermediums in die Umgebung – den Katalysator 332 – ausleitende Heizwendel 340 und einen Abschnitt der das abgekühlte Wärmeträgermedium aus der nachgeschalteten Katalysatorstufe 300 ausleitenden Bypass-Leitung 320' auf. Bypass-Leitung 320, Heizwendel 340 und Bypass-Leitung 320' sind in fluidführender Weise miteinander leitungsverbunden. Der Katalysator 332 kann ein beliebiger für den Zweck der Katalysatorstufe 300 geeigneter Katalysator sein, wie beispielsweise ein Fe-Cr-Katalysator, ein Cu-Zn-Katalysator oder eine beliebige Mischung aus unterschiedlichen geeigneten Stoffen sein. Auch ist – ganz allgemein – der Katalysator 332 nicht auf eine Einheit beschränkt. Es ist denkbar und praxisnah, eine Mehrzahl von gleichen oder unterschiedlichen Katalysatoren einzusetzen. Dies gilt mutatis mutandis auch für den Katalysator des Reformers 100. Ebenso kann der Katalysator 332 in unterschiedlichen Formen in die nachgeschaltete Katalysatorstufe 300 eingebracht sein, beispielsweise als Schüttung.

Während der Aufheizphase wird über die Bypassleitung 320 das aufgeheizte Wasser der nachgeschalteten Katalysatorstufe 300 zugeleitet, jedoch ohne in direktem Kontakt mit dem in der nachgeschalteten Katalysatorstufe 300 vorhandenen Katalysator 332 zu gelangen. Das aufgeheizte Wasser fließt anschließend in eine Heizwendel 340, welche aufgrund der großen Kontaktfläche zu dem Katalysator 332 im besonderen Maße eine indirekte Wärmeübertragung der in dem aufgeheizten Wasser vorhandenen Wärme zu dem Katalysator 332 ermöglicht. Während der Katalysator 332 indirekt aufgeheizt wird, kühlt sich das aufgeheizte Wasser während des Durchfließens durch die Heizwendel 340 ab, so dass das nun abgekühlte Wasser über die Bypassleitung 320' aus der nachgeschalteten Katalysatorstufe 300 ausgeleitet wird.

Zusätzlich zu den beschriebenen Bauelementen und/oder Vorrichtungen ist in der 1b auch die Reformerproduktzuleitung 310 dargestellt, welche im regulären Betrieb das Reformerprodukt durch den Katalysator 332 führt. Über die Katalysatorstufenproduktausleitung 350 wird im regulären Betrieb das Katalysatorstufenproduktausleitung aus der nachgeschalteten Katalysatorstufe 300 ausgeleitet.

Erfindungsgemäß sind die Leiteinrichtungen 320, 340, 320' einerseits und die Leiteinrichtungen 310, 350 andererseits im wesentlichen voneinander separiert und bilden für die beschriebenen Zwecke unterschiedliche Wege innerhalb und durch die nachgeschaltete Katalysatorstufe 300 aus.

Bei der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer zweiten Variante der Erfindung nach 2a und 2b weist die Vorrichtung einen Reformer 100 auf, an welchem eine Reformerzuleitung 110 und eine Reformerausleitung 120 angeordnet sind. Wiederum kann der Reformerzuleitung 110 über eine Wasserzuleitung 104 und/oder einer Brennstoffzuleitung 102 Wasser, Brennstoff und/oder ein Wasser-Brennstoffgemisch zugeleitet werden. Weiterhin weist der Reformer 100 eine Heizvorrichtung 200 auf, welche mittels einer Luftzuleitung 202 und einer Brennstoffzuleitung 204 mit Energie versorgt werden kann. Auch in dieser Variante sind elektrische oder sonstige Heizvorrichtungen denkbar. Mittels eines Wärmestroms W zwischen der Heizvorrichtung 200 und dem Reformer 100 wird der Reformer 100 aufgeheizt.

Im regulären Betrieb wird dem Reformer 100 über die Reformerzuleitung 110 ein Wasser-Brennstoffgemisch zugeleitet. Dieser setzt sich aus dem von der Brennstoffzuleitung 102 stammenden Brennstoff und aus dem von der Wasserleitung 104 stammenden Wasser zusammen. Das aufgeheizte Reformerprodukt wird anschließend über die Reformerausleitung 120 und über die sich daran anschließende Reformerproduktzuleitung 310 in die nachgeschalteten Katalysatorstufe 300 eingeleitet. Die Reformerproduktzuleitung 310 führt das Reformerprodukt direkt durch den Katalysator der nachgeschalteten Katalysatorstufe 300, wobei bei der in der nachgeschalteten Katalysatorstufe 300 durchgeführten Katalyse das Katalysatorstufenprodukt über die Katalysatorstufenproduktausleitung 350 ausgeleitet wird. Das Katalysatorenstufenprodukt ist dabei im wesentlichen ein durch Oxidation am Katalysator von Kohlenmonoxid gereinigtes wasserstoffreiches Gasgemisch. Diese wird anschließend in eine Brennstoffzelle 400 geleitet. In dieser Brennstoffzelle wird im regulären Betrieb die in dem Katalysatorstufenprodukt enthaltene Energie in elektrischen Strom umgewandelt. Gemäß der zweiten Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist diese eine Rückleitung 380 auf, die gemäß 2a beispielsweise mit einer Ausleitung einer Brennstoffzelle über einen Leitungsteiler (beispielsweise in einer einfachen Form ein T-Stück) verbunden oder gemäß 2b beispielsweise mittels einer Ventilvorrichtung 385 mit der Katalysatorstufenproduktausleitung 350 verbunden ist. Die Ventilvorrichtung 385 ist lediglich optional. Auf eine Anordnung kann bei Verwendung einer Pumpvorrichtung 370, welche schaltbar ist, gemäß 2a verzichtet werden.

Wie bereits bei der Vorrichtung gemäß Variante 1 beschrieben, kann die Wasserzuleitung 104 bzw. die Brennstoffzuleitung 102 geregelt werden, d.h. insbesondere die Flussraten der Zuleitungen 102 und/oder 104.

Während der Aufheizphase wird dem Reformer 100 statt einem Wasser-Brennstoffgemisch über die Brennstoffzuleitung 102 Umgebungsluft zugeleitet. D.h. im Detail, dass die Wasserzuleitung 104 während der Aufheizphase im wesentlichen geschlossen wird und dem Reformer 100 im wesentlichen alleine über die Zuleitung 104 statt beispielsweise Brennstoffgas Umgebungsluft eingeleitet wird. Die Umgebungsluft wird dabei über die Reformerzuleitung 110 in das Innere des Reformers 100 geleitet. Mittels der Heizvorrichtung 200 wird die in dem Reformer 100 eingeleitete Umgebungsluft aufgeheizt und über die Reformerausleitung 120 bzw. der Reformerproduktzuleitung 310 in die nachgeschaltete Katalysatorstufe 300 eingeleitet. Dabei wird die Umgebungsluft direkt durch den in der nachgeschalteten Katalysatorstufe 300 vorhandenen Katalysator geleitet. Die Umgebungsluft heizt dabei den in der nachgeschalteten Katalysatorstufe 300 vorhandenen Katalysator auf. Gleichzeitig führt der in der Umgebungsluft vorhandene Luftsauerstoff zu einer partiellen Oxidation des Katalysators und damit zu einer Teildeaktivierung des Katalysators. Die partielle Oxidation an dem Katalysator führt gleichzeitig zu einer Verringerung des Anteils des Luftsauerstoffs in der zugeleiteten Umgebungsluft.

Erfindungsgemäß wird die Umgebungsluft entweder nach einer Durchführung durch eine Brennstoffzelle 400 (gemäß 2a) oder direkt nach der Ausleitung aus der nachgeschalteten Katalysatorstufe 300 (gemäß 2b) in die Rückleitung 380 geleitet. Für eine derartige Rückleitung wird vorzugsweise eine Ventilvorrichtung 385 (gemäß 2b) angeordnet, die je nach Zustand die Umgebungsluft entweder in die nachgeschaltete Brennstoffzelle 400 beziehungsweise direkt in die Umgebungsluft, oder in die Rückleitung 380 leitet. Die Ventilvorrichtung kann über unterschiedliche Einstellungen verfügen, so dass beispielsweise auch eine nur teilweise Rückleitung der Umgebungsluft realisiert werden kann. Die Ventilsteuerung kann auch an anderen Positionen angeordnet sein, sie ist jedoch lediglich optional, da eine Leitungssteuerung auch mittels der Pumpvorrichtung 370 realisiert werden kann. Die mit der Rückleitung 380 verbundene Pumpvorrichtung 370, welche vorzugsweise eine Umwälzpumpe ist, leitet dabei die abgekühlte und sauerstoffreduzierte Umgebungsluft zurück zu der Brennstoffzuleitung 104, von welcher sie erneut in die Reformerzuleitung 110 geleitet wird. Dabei wird erfindungsgemäß keine oder nur ein geringer Teil frischer Umgebungsluft, welche einen höheren Sauerstoffanteil aufweist, dem System zugeführt. Die nun abgekühlte und sauerstoffreduzierte Umgebungsluft wird erneut in den Reformer 100 eingeleitet, in diesem erneut aufgeheizt und anschließend über die Reformerausleitung bzw. der Reformerproduktzuleitung 310 erneut in die nachgeschaltete Katalysatorstufe 300 eingeleitet. Die aufgeheizte Umgebungsluft heizt dabei aufgrund des direkten Kontaktes mit dem Katalysator in der nachgeschalteten Katalysatorstufe 300 diesen auf und wird gleichzeitig von den Katalysatoren weiter oxidiert. Nach einem zweiten Durchlaufen der nachgeschalteten Katalysatorstufe 300 weist die zirkulierende Umgebungsluft einen weiter reduzierten Anteil Luftsauerstoff auf, so dass die Umgebungsluft aufgrund der erfindungsgemäßen Rückleitung zu einem Inertgas, d.h. zu einem Gasgemisch mit einem geringen oder keinem Sauerstoffanteil, konvertiert wird.

Die Umgebungsluft kann für einen weiteren Zyklus mittels der Pumpvorrichtung 370 über die Rückleitung 380 und der Reformerzuleitung 110 dem Reformer 100 und anschließend über die Reformerausleitung 120 bzw. der Reformerproduktzuleitung 310 der nachgeschalteten Katalysatorstufe 300 zugeleitet werden. Eine weitere Teildeaktivierung der in der nachgeschalteten Katalysatorstufe 300 vorhandenen Katalysatoren findet aufgrund der nun geringen Konzentration von Sauerstoff in der Umgebungsluft nicht mehr statt.

Dies bedeutet, dass, obwohl die zu Beginn sauerstoffhaltige Umgebungsluft direkt durch die Katalysatoren der nachgeschalteten Katalysatorstufe 300 geleitet wird, nur eine geringfügige Teildeaktivierung der Katalysatoren stattfindet und daher keine speziellen, insbesondere sauerstoffunempfindliche Katalysatoren verwendet werden müssen.

Um die Katalysatoren nach der Aufheizphase schließlich wieder zu reaktivieren, genügt – da nur ein sehr geringes Volumen der in der nachgeschalteten Katalysatorstufe 300 vorhandenen Katalysatoren deaktiviert wurde – ein Durchfluten der Katalysatoren mit einem Wasserstoff ausweisenden Gasgemisch. Dies kann beispielsweise das Wasser-Brennstoffgasgemisch sein, welches im regulären Betrieb über die Wasserzuleitung 104 bzw. die Brennstoffzuleitung 102 dem Reformer 100 zugeleitet und anschließend der nachgeschalteten Katalysatorstufe 300 eingeleitet wird. Diese verdrängt gleichzeitig die bisher zirkulierende Umgebungsluft, die über die Ventilvorrichtung 385 (gemäß 2b) den Kreislauf verlässt und zusammen mit dem Katalysatorstufenprodukt aus der nachgeschalteten Katalysatorstufe 300 geleitet wird. Die Leitung wird dann für den regulären Betrieb mittels der Ventilvorrichtung 385 (gemäß 2b) und/oder mittels Schließens der Pumpvorrichtung 370 geschlossen.

In 3 ist bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer dritten Variante der Erfindung ein Reformer 100 dargestellt, der eine Reformerzuleitung 110 und eine Reformerausleitung 120 aufweist. An der Reformerzuleitung 110 sind eine Wasserzuleitung 104 und eine Brennstoffzuleitung 102 angeschlossen. Die Wasserzuleitung 104 bzw. die Brennstoffzuleitung 102, d.h. insbesondere deren Flussraten, können mittels Ventile (nicht gezeigt) geregelt werden. Die Brennstoffzuleitung 102 liefert kohlenwasserstoffhaltige Energieträger wie Benzin, Diesel, Erdgas oder LPG oder ein Gemisch aus diesen. Er kann jedoch auch Luft, insbesondere Umgebungsluft bereitstellen.

Weiterhin weist der Reformer 100 eine Heizvorrichtung 200 auf, welche mittels einer Luftzuleitung 202 und einer Brennstoffzuleitung 204 mit Energie versorgt werden kann. Mittels eines Wärmestroms W zwischen der Heizvorrichtung 200 und dem Reformer 100 wird der Reformer 100 aufgeheizt.

Gemäß der dritten Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist diese mit einem bereits oben näher beschriebenen Wärmeübertrager 330 ausgestattet, der über eine Bypassleitung 320 mit der Reformerausleitung 120 verbunden ist. Eine ebenfalls mit dem Wärmeübertrager 300 verbundene Bypassleitung 320' endet in eine erste Ventilvorrichtung 360. Die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß der dritten Variante weist zudem eine oben näher beschriebene Rückleitung 380 zum Rückleiten eines Wärmeträgermediums in den Reformer auf. Diese Rückleitung 380 ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der dritten Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer zweiten Ventilvorrichtung 385 verbunden und endet in die Brennstoffzuleitung 102, welche wiederum über die Reformerzuleitung 110 in den Reformer 100 führt. Die zweite Ventilvorrichtung 385 kann in ihrer Funktion mit der Ventilvorrichtung 360 verglichen werden. Je nach Zustand der Ventilvorrichtung 385 kann ein Wärmeträgermedium in die Rückleitung 380 oder aber in die Brennstoffzelle 400 bzw. direkt in die Umgebung geleitet werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden die zwei erfindungsgemäßen Varianten, welche in der Vorrichtung gemäß 3 kombiniert sind, alternierend verwendet. Dies bedeutet, dass beispielsweise Wasser als Wärmeträgermedium über die geöffnete Wasserzuleitung 104, bei gleichzeitiger Schließung der Brennstoffzuleitung 102, über die Reformerzuleitung 110 in den Reformer eingeleitet wird. Wie bereits beschrieben, wird das Wasser in den Reformer 100 aufgrund der mit dem Reformer 100 gekoppelten Heizvorrichtung 200 aufgeheizt und gelangt in die Reformerausleitung 120. Während der Aufheizphase wird das aufgeheizte Wasser in die Bypassleitung 320 eingeleitet und von dieser in den Wärmeübertrager 300 geführt, wo eine indirekte Wärmeübertragung der Wärme des aufgeheizten Wasser auf den Katalysator der nachgeschalteten Katalysatorstufe 300 stattfindet. Anschließend wird das abgekühlte Wasser über die Bypassleitung 320' in die Ventilvorrichtung 360 geleitet, welche während der Aufheizphase derart geschaltet ist, dass es das abgekühlte Wasser in die Ventilvorrichtung 385 leitet, welches anschließend wiederum das abgekühlte Wasser beispielsweise in die Brennstoffzelle 400 oder aber in eine sonstige Auffangvorrichtung (nicht gezeigt) leitet.

Alternierend zu der Aufheizung mit beispielsweise Wasser als Wärmeträgermedium gemäß der ersten Variante der Erfindung kann auch eine Aufheizung mit Luft, vorzugsweise Umgebungsluft als Wärmeträgermedium durchgeführt werden. Dazu wird die Wasserzuleitung 104 geschlossen und die Brennstoffzuleitung 102 geöffnet. Von der Brennstoffzuleitung 102 wird nun Luft, vorzugsweise Umgebungsluft, über die Reformerzuleitung 110 in den Reformer 100 eingeleitet. Auch hier findet mittels der Heizvorrichtung eine Aufwärmung der als Wärmeträgermedium agierenden Umgebungsluft statt. Die aufgeheizte Umgebungsluft wird über die Reformerausleitung 120 aus dem Reformer 100 ausgeleitet. Die Ventilvorrichtung 360 ist nun derart geschaltet, dass die aufgeheizte Umgebungsluft nicht in die Bypassleitung 320, sondern über die Reformerproduktzuleitung 310 direkt in die nachgeschaltete Katalysatorstufe, d.h. durch den in der nachgeschalteten Katalysatorstufe angeordneten Katalysator, geleitet wird. Die aufgeheizte Umgebungsluft heizt die nachgeschaltete Katalysatorstufe 300 auf und wird anschließend über die Katalysatorstufenproduktausleitung 350 durch die Ventilvorrichtung 360 in die Ventilvorrichtung 385 geleitet, welche die abgekühlte Umgebungsluft in die Rückleitung 380 leitet. Aufgrund der bereits oben näher beschriebenen Reaktionen der aufgeheizten Umgebungsluft mit dem Katalysator der nachgeschalteten Katalysatorstufe weist die durch die nachgeschaltete Katalysatorstufe 300 geleitete Umgebungsluft einen reduzierten Sauerstoffgehalt auf. Die derartig sauerstoffreduzierte Umgebungsluft wird mittels der Pumpvorrichtung 370 für einen weiteren Zyklus zurück zur Brennstoffzuleitung 102 geleitet, von welcher die Umgebungsluft über die Reformerzuleitung 110 in den Reformer 100 geleitet wird. Dieser Zyklus kann beliebig oft wiederholt werden, bis beispielsweise die gewünschte Temperatur der nachgeschalteten Katalysatorstufe 300 erreicht ist oder aber alternierend erneut Wasser als Wärmeträgermedium eingesetzt werden soll.

Dazu kann die Ventilvorrichtung 385 derart geschaltet werden, dass die Umgebungsluft aus dem System geleitet wird, um eine Vermischen der Umgebungsluft und des Wassers zu vermeiden. Dies kann beispielsweise mittels eines Ausleitens in die Brennstoffzelle 400 oder mittels eines Ausleitens in die Umgebung oder einer sonstigen Auffangvorrichtung (nicht gezeigt) bewirkt werden. Anschließend wird – wie oben beschrieben – die Brennstoffzuleitung 102 geschlossen und gleichzeitig die Wasserzuleitung 104 geöffnet, so dass erneut Wasser als das Wärmeträgermedium verwendet werden kann. Nach erfolgter Aufheizung der nachgeschalteten Katalysatorstufe werden die bisher verwendeten Wärmeträgermedien mittels einer diesbezüglichen Stellung der Ventilvorrichtung 360 und/oder 385 aus dem System ausgeleitet. Dabei ist anzumerken, dass die zum einen die Position der Ventilvorrichtung 385, sofern vorhanden, an anderen geeigneten Positionen angeordnet werden kann. Zudem ist die Ventilvorrichtung 385 optional, da eine Ventilfunktion auch mittels einer speziellen Pumpvorrichtung 370, welche ein Öffnen und Schließen der Rückleitung 380 bewirken kann, möglich ist.

Nach erfolgtem Anfahren, dass heißt nach erfolgtem Aufheizen, kann für den dann stattfindenden regulären Betrieb über die Brennstoffzuleitung 102 der Brennstoff und über die Wasserzuleitung 104 eine entsprechende Menge Wasser dem Reformer zugeführt werden.

Weitere Einzelheiten der in der dritten Variante verwendeten Bauteile und Vorrichtungen können den Beschreibungen der Variante 1 und 2 entnommen werden.

100
Reformer
102
Brennstoffzuleitung
104
Wasserzuleitung
110
Reformerzuleitung
120
Reformerausleitung
200
Heizvorrichtung
202
Luftzuleitung
204
Brennstoffzuleitung
300
nachgeschaltete Katalysatorstufe
310
Reformerproduktzuleitung
320
Bypass-Leitung (heißer Bereich)
320'
Bypass-Leitung (kalter Bereich)
330
Wärmeübertrager
332
Katalysator
340
Heizwendel
350
Katalysatorstufenproduktausleitung
360
Ventilvorrichtung
370
Pumpvorrichtung
380
Rückleitung
385
Ventilvorrichtung
400
Brennstoffzelle
W
Wärmestrom


Anspruch[de]
Verfahren zum Aufheizen mindestens einer einem Reformer nachgeschalteten Katalysatorstufe, wobei dem Reformer ein Wärmeträgermedium über mindestens eine Zuleitung zugeleitet und dieses mittels mindestens einer Heizvorrichtung aufgeheizt wird, gekennzeichnet durch eine thermische Einkopplung des aufgeheizten Wärmeträgermediums in die mindestens eine nachgeschaltete Katalysatorstufe mittels einer indirekten Wärmeübertragung. Verfahren zum Aufheizen mindestens einer einem Reformer nachgeschalteten Katalysatorstufe nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Zuführen von im wesentlichen Wasser als das Wärmeträgermedium über die mindestens eine Zuleitung. Verfahren zum Aufheizen mindestens einer einem Reformer nachgeschalteten Katalysatorstufe nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine thermische Einkopplung des erhitzen Wärmeträgermediums in die mindestens eine nachgeschaltete Katalysatorstufe mittels mindestens einer, vorzugsweise in zumindest einem Bereich als Rohrwendel ausgebildeten Bypass-Leitung. Verfahren zum Aufheizen mindestens einer einem Reformer nachgeschalteten Katalysatorstufe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Leitungssteuerung mindestens einer dem Reformer zugeordneten Ausleitung und mindestens einer Bypass-Leitung mittels einer, vorzugsweise der mindestens einen Katalysatorstufe nachgeschalteten Ventilanordnung. Vorrichtung zum Aufheizen mindestens einer einem Reformer nachgeschalteten Katalysatorstufe, mindestens aufweisend einen Reformer, eine dem Reformer zugeordnete Zuleitung, eine dem Reformer zugeordnete Ausleitung, eine dem Reformer zugeordnete Heizvorrichtung und mindestens eine dem Reformer nachgeschaltete Katalysatorstufe, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens einen Wärmeübertrager zum indirekten Übertragen von Wärme aufweist. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager eine, vorzugsweise in zumindest einem Bereich als Rohrwendel ausgebildete Bypass-Leitung aufweist. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine, vorzugsweise der mindestens einen Katalysatorstufe nachgeschaltete Ventilanordnung aufweist. Verfahren zum Aufheizen mindestens einer einem Reformer nachgeschalteten Katalysatorstufe, wobei dem Reformer ein Wärmeträgermedium über mindestens eine Zuleitung zugeleitet und dieses mittels mindestens einer Heizvorrichtung aufgeheizt wird, gekennzeichnet durch eine zumindest teilweise Rückleitung des Wärmeträgermediums nach einem Durchleiten durch die mindestens eine nachgeschaltete Katalysatorstufe in den Reformer. Verfahren zum Aufheizen mindestens einer einem Reformer nachgeschalteten Katalysatorstufe nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch ein Zuführen von im wesentlichen Luft, vorzugsweise Umgebungsluft als das Wärmeträgermedium über die mindestens eine Zuleitung. Verfahren zum Aufheizen mindestens einer einem Reformer nachgeschalteten Katalysatorstufe nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine zumindest teilweise Rückleitung des Wärmeträgermediums mittels eine Pumpvorrichtung, vorzugsweise einer Umwälzpumpe. Vorrichtung zum Aufheizen mindestens einer einem Reformer nachgeschalteten Katalysatorstufe, mindestens aufweisend einen Reformer, eine dem Reformer zugeordnete Zuleitung, eine dem Reformer zugeordnete Ausleitung, eine dem Reformer zugeordnete Heizvorrichtung und mindestens eine dem Reformer nachgeschaltete Katalysatorstufe dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens eine Rückleitung zum Rückleiten eines Wärmeträgermediums in den Reformer aufweist. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Pumpvorrichtung, vorzugsweise eine Umwälzpumpe aufweist. Verfahren zum Aufheizen mindestens einer einem Reformer nachgeschalteten Katalysatorstufe wobei dem Reformer ein Wärmeträgermedium über mindestens eine Zuleitung zugeleitet und dieses mittels mindestens einer Heizvorrichtung aufgeheizt wird, gekennzeichnet durch ein vorzugsweise alternierendes Durchführen eines der Verfahrensschritte 1 bis 4 und eines der Verfahrensschritte 8 bis 10. Vorrichtung zum Aufheizen mindestens einer einem Reformer nachgeschalteten Katalysatorstufe, mindestens aufweisend einen Reformer, eine dem Reformer zugeordnete Zuleitung, eine dem Reformer zugeordnete Ausleitung, eine dem Reformer zugeordnete Heizvorrichtung und mindestens eine dem Reformer nachgeschaltete Katalysatorstufe, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens einen Wärmeübertrager zum indirekten Übertragen von Wärme und eine Rückleitung zum Rückleiten eines Wärmeträgermediums in den Reformer aufweist






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