WO2019210345A2 - Verdampfer für ein brennstoffzellensystem sowie brennstoffzellensystem - Google Patents

Verdampfer für ein brennstoffzellensystem sowie brennstoffzellensystem Download PDF

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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to an evaporator for a fuel cell system, comprising an evaporation section for vaporizing a liquid medium to a vapor medium having a liquid inlet for introducing the liquid medium into the evaporation section and a vapor outlet for discharging the vaporous medium from the evaporation section. Further, the present invention relates to a fuel cell system comprising at least a fuel cell stack having a first electrode and a second electrode, an air supply section for supplying air to the first electrode
  • Nutzgaszutrabites for supplying Nutzgas to the second electrode, an exhaust air section for discharging exhaust air from the first electrode, a
  • Nutzabgasabites for discharging Nutzabgas from the second electrode, further comprising an evaporator.
  • liquid media can be at least partially, preferably completely, converted into vaporous media.
  • water can be converted into steam by such an evaporator.
  • a catalytic decomposition of, for example, methane to hydrogen in a downstream reformer of the fuel cell system can be made possible or at least supported by water vapor. It is also possible to evaporate liquid fuel into a gaseous fuel for a fuel cell stack of a fuel cell system.
  • Known evaporators usually use electrical energy to an electric heater in particular for the evaporation of the liquid
  • evaporators are in particular single-stage evaporators in which a heating medium is used as a heat source to provide the energy necessary for the evaporation of the liquid medium.
  • a heating medium is used as a heat source to provide the energy necessary for the evaporation of the liquid medium.
  • the problem here has been found that the entire necessary energy must be provided by this one heating medium. However, this can often not be provided by media or fluids internally present in the fuel cell stack.
  • the object of the present invention is that described above
  • an object of the present invention to provide an evaporator and a fuel cell system, which improve in a particularly simple and cost-effective manner an evaporator and a fuel cell system in that the most efficient overall operation of the fuel cell system can be provided, in particular already in the fuel cell system existing fluids or their heat energy can be used for operating the evaporator.
  • Fuel cell system according to the invention and in each case vice versa, so that with respect to the disclosure of the individual invention aspects always reciprocal reference is or may be.
  • an evaporator for a fuel cell system comprising a
  • An evaporation section for vaporizing a liquid medium to a vapor medium having a liquid inlet for introducing the liquid medium into the evaporation section and a vapor outlet for discharging the vaporous medium from the evaporation section.
  • An evaporator according to the invention is characterized in that the evaporator has at least one first heat exchanger stage with one of at least one first heating medium
  • Heat exchanger stages for transmitting thermal energy in each case with the Evaporator are connected thermally contacting, and further wherein, with respect to a flow direction of the liquid medium and / or vapor medium in the evaporation section, the second heat exchanger stage is arranged downstream of the first heat exchanger stage.
  • An inventive evaporator is for use in one
  • Fuel cell system provided.
  • a fuel cell system are usually several media, especially fluids, available that can be used as heating media.
  • These different media such as exhaust gases of a fuel cell stack of the fuel cell system or a
  • Exhaust gas burner of the fuel cell system may have different temperatures and thus usually in particular also different amounts of stored heat energy.
  • Evaporator is a liquid medium at least partially, preferably completely, be transferred to a vaporous medium.
  • the liquid medium enters an evaporation section of the evaporator through a liquid inlet, is at least partially, preferably completely, vaporized therein by supplying thermal energy, and then exits through a steam outlet from the evaporation section.
  • the evaporator for supplying the thermal energy has at least two heat exchanger stages, each of at least one, in particular two different, heating medium can be flowed through.
  • each of at least one, in particular two different, heating medium can be flowed through.
  • the thermal contacting can be carried out in such a way that mixing between the liquid medium to be evaporated and the heating media is excluded.
  • the evaporation section and the heat exchanger sections of the heat exchanger stages are formed separately from each other. This way you can To ensure that the vaporous medium is formed completely and exclusively by evaporation of the liquid medium.
  • the medium to be evaporated is advantageously at least partially vaporized in the first heat exchanger stage or in the first heat exchanger section, so that this as a two-phase mixture in the second heat exchanger stage or in the second heat exchanger section, in which this is completely evaporated and optionally superheated.
  • the two heat exchanger stages and thus the two heat exchanger sections are arranged one after the other. Consequently, two heating media are provided, which in each case flow through at least one heat exchanger stage. According to the invention, it can also be provided that both heating media flow through both heat exchanger stages. This is particularly advantageous in that the two heating media usually have different temperatures and / or different amounts of stored heat energy, so that as much heat as possible can be transferred and the medium to be evaporated can be vaporized in two stages.
  • Heat exchanger stage which is first contacted thermally in the flow direction of the liquid medium to be evaporated, have a lower temperature and the second heating medium corresponding to a higher temperature.
  • a heating of the liquid medium by the first heating medium and thus a starting at a higher temperature of the liquid medium vaporization of the liquid medium by heat input of the second heating medium can be provided in this way. It is also conceivable that by the entry of thermal energy in the liquid medium in the evaporation section through the first heating medium evaporation of the liquid medium already begins, and this evaporation by the entry of thermal energy in the liquid
  • Heating in particular by the thermal energy of the two heating medium conceivable.
  • the use of an evaporator according to the invention also makes it possible to use two different heating media be, whose mixing is not possible.
  • a better adaptability of an evaporator according to the invention compared to known evaporators to existing conditions in fuel cell systems can be provided in this way.
  • by using already existing in the fuel cell system heating media overall efficiency in
  • Heat exchanger stage may be present or present biphasic.
  • the first heat exchanger stage has the first heating medium section through which the first heating medium flows
  • a second heat exchanger stage has the second heat exchanger section through which the second heating medium flows. It is therefore provided that in each case a heating medium flows through a heat exchanger section, wherein the temperature of the heating medium, which is arranged by the second heat exchanger section, which is arranged vertically above the first heat exchanger section, is lower than that the first heating medium, which flows through the first heat exchanger section.
  • the first heating medium upstream of the evaporator may have a temperature in the range of about 700 ° C to about 800 ° C and the second heating medium upstream of the evaporator may have a temperature in the range of about 300 ° C to about 400 ° C.
  • both heating media advantageously have a temperature less than or equal to 100 ° C, and it may also be that they have more than 100 ° C.
  • the medium to be evaporated has a temperature of about 200 ° C or more downstream of the evaporator; So it's not just evaporated, it's also overheated.
  • the first heat exchanger stage comprises the first heat exchanger section through which the first heating medium and the second heating medium flow
  • a second heat exchanger stage has the second heat exchanger section through which the first heating medium and the second heating medium flow.
  • both heating media flow through both heat exchanger stages.
  • the heating medium which has a higher temperature (for example, the first heating medium in the range of about 700 ° C to 800 ° C)
  • the medium to be evaporated in the second heat exchanger stage downstream of the second heating medium which is a low temperature in the range of about 300 ° C to 400 ° C, heat transfer occurs. Accordingly, the first heating medium meets the medium to be evaporated in the first heat exchanger stage upstream of the second heating medium.
  • a corresponding evaporator can thus be designed such that the two heating media flow vertically through them from top to bottom, wherein the medium to be evaporated flows through them with a predetermined pitch from bottom to top.
  • the two heating chambers are thus flowed through by the medium to be evaporated in a different flow direction. Downstream of the evaporator, the two heating media advantageously again have a temperature of less than 100.degree.
  • the at least one first heat exchanger section and second heat exchanger section are separated from each other.
  • separation from one another can mean, in particular, a spatial and / or structural separation.
  • Heating media can be particularly easily and preferably particularly completely prevented in this way.
  • Heat exchanger section are thermally insulated from each other.
  • the heating media in the heat exchanger sections can usually have different temperatures and / or different amounts of heat energy stored in them.
  • a thermal insulation of the two heat exchanger sections against each other for example, provided by an insulating layer or a corresponding insulation device, a transfer of heat energy between the two heating media can be safely avoided or at least significantly reduced.
  • the heat energy stored in the heating media is released only to the liquid medium to be evaporated, whereby an overall efficiency in operating an evaporator according to the invention can be increased.
  • an inventive evaporator can be designed so that the at least one first heat exchanger section and / or second
  • Heat exchanger section an exhaust connection section
  • Fuel cell system has to use an exhaust air first
  • Heating medium and / or second heating medium By such
  • Exhaust port section is a connection to an exhaust air section of
  • Fuel cell system allows.
  • an exhaust air of a fuel cell stack of the fuel cell system is led, which is heated by the reactions in the fuel cell stack and thus has an elevated temperature.
  • a use of this exhaust air of the fuel cell system as a heating medium can be made possible.
  • an inventive evaporator can be designed so that the at least one first heat exchanger section and / or second heat exchanger section a Nutzabgasan gleichabough to
  • Fuel cell system has to use a Nutzabgases first Heating medium and / or second heating medium.
  • NutzabgasanMithoraxabites is a connection with a Nutzabgasabites of the fuel cell system allows.
  • a Nutzabgases a fuel cell stack of the fuel cell system is performed, which is heated by the reactions in the fuel cell stack and thus has an elevated temperature.
  • a use of this Nutzabgases the fuel cell system as a heating medium can be made possible.
  • a burner exhaust connection portion for fluidly communicating with a burner exhaust portion of an exhaust gas combustor of the fuel cell system comprises using a burner exhaust gas as a first heating medium and / or second heating medium.
  • a burner exhaust port portion is a
  • a burner exhaust gas of an exhaust gas burner of the fuel cell system is guided.
  • an exhaust air and a useful exhaust gas of the fuel cell stack are at least partially catalytically combusted, at least in part.
  • the burner exhaust gas is thus heated and has an elevated temperature. Use of this burner exhaust gas of the fuel cell system as a heating medium can thus be made possible.
  • liquid inlet in an evaporator according to the invention, it may be particularly preferred for the liquid inlet to be designed as a water connection section to the
  • Fuel cell system and the steam outlet as a water vapor outlet for fluid-communicating with a steam line section of the
  • Fuel cell system is designed to provide water vapor for the fuel cell system.
  • a water connection section can be provided in particular that water, provided by a
  • Water supply of the fuel cell system to be used as a liquid medium can.
  • a steam outlet in turn allows a forwarding of the
  • the water vapor together with methane can be supplied as a useful gas a reformer in which in turn is generated by catalytic reactions under the action of heat energy hydrogen as the useful gas.
  • an evaporator according to the invention can be further developed such that the evaporation section has a hydrogen connection section for the fluid-communicating connection with a hydrogen feed of the
  • Fuel cell system for introducing hydrogen into the
  • Evaporation section can be initiated.
  • a steam generation can be supported by water to steam. Also, for example, can be shortened at the start of operation by the hydrogen caused by evaporation of the water generated high temperatures a required time for this start of operation. In other words, the additional provision of hydrogen can shorten the achievement of an operating temperature of an evaporator according to the invention.
  • an inventive evaporator be further developed so that the evaporation section in the region of the thermal contact with the first heat exchanger stage and / or with the second heat exchanger stage, a catalytic coating for generating water vapor from water and
  • a fuel cell system comprising at least one fuel cell stack having a first electrode and a second electrode, an air supply section to
  • Fuel cell system according to the invention is characterized in that the evaporator is designed according to the first aspect of the invention. All the advantages that have been described in detail with respect to an evaporator according to the first aspect of the invention can thus also by a
  • Fuel cell system can be provided according to the second aspect of the invention, comprising an evaporator according to the invention according to the first aspect of the invention.
  • no additional energy is needed to vaporize water.
  • the energy required for this purpose comes in particular entirely from the fuel cell system itself.
  • a fuel cell system may further be provided that the Nutzabgasabrough a first Nutzabgaszweig and a second Nutzabgaszweig, wherein the exhaust section and the first Nutzabgaszweig open into an exhaust gas burner for at least partially catalytic combustion of the exhaust air and Nutzabgases, wherein the fuel cell system a burner exhaust gas section for discharging burner exhaust gas from the exhaust gas burner, and wherein the
  • Heat exchangers may have delivered heat energy to fluids in the fuel cell system, used as a first heating medium for heating or heating of the liquid medium.
  • Nutzabgas which is passed directly from the fuel cell stack to the evaporator according to the invention, is used as the second heating medium for the actual evaporation of the liquid medium to the vaporized medium
  • Heat energy is stored as in Nutzabgas may preferably alternatively also a reverse connection order of the burner exhaust gas portion and the
  • Nutzabgasabitess be provided on the evaporator according to the invention and thus the Nutzabgas be used as the first heating medium in the first heat exchanger stage and the burner exhaust gas as a second heating medium in the second heat exchanger stage.
  • the exhaust air section and the Nutzabgasabites open into an exhaust gas burner for at least partially catalytic combustion of the exhaust air and Nutzabgases
  • the fuel cell system further comprises a burner exhaust section for discharging burner exhaust gas from the exhaust gas burner
  • the exhaust air section is connected in fluid communication with the exhaust connection section of the first heat exchanger and the burner exhaust section with the
  • Burner exhaust port portion of the second heat exchanger is connected fluidkommunimulatingd.
  • the burner exhaust gases are passed directly to the evaporator, which in contrast to the above
  • the burner exhaust gas thereby usually also has a higher temperature and in particular a larger amount of heat energy stored in it than an exhaust air of the
  • a fuel cell system according to the invention can be designed such that upstream of the at least one first heat exchanger and second heat exchanger in each case controllable control valves, in particular high-temperature valves, for controlling a quantity of the evaporator
  • Fuel cell system further be provided that downstream of the at least one first heat exchanger and second heat exchanger respectively controllable control valves for controlling an amount of the first heating medium supplied to the evaporator and the second heating medium are arranged.
  • control valves a particularly accurate control and / or regulation of an operation of the evaporator by controlling and / or regulating the flowing through the heat exchanger elements heating medium allows. Due to the lower temperature of the heating media downstream of the evaporator, in this embodiment it is possible to use valves as control valves with low requirements with regard to, for example, heat resistance of the valves used. The control valves used can thus be smaller and less expensive. In particular, in a mobile use of an inventive
  • Figure 2 shows a first embodiment of an inventive
  • FIG. 3 shows a second embodiment of a device according to the invention
  • FIG. 1 shows an inventive evaporator 30, which is intended for use in a fuel cell system 100 according to the invention (not shown).
  • This evaporation section 31 has a liquid inlet 40, through which a liquid medium 60 in a flow direction 62 can flow into the evaporation section 31.
  • the liquid inlet 40 may be formed as a water connection portion 41, so that a compound of an evaporator 30 according to the invention with a
  • Water supply 50 (not shown) of a fuel cell system 100 can be made possible. In this way, water 25 can thus be evaporated as liquid medium 60 in the evaporator 30 according to the invention.
  • Flow direction 62 downstream is in this embodiment on
  • the steam outlet 42 may be used as a steam outlet 43 for connection to a steam line section 51 (not shown) of FIG.
  • Fuel cell system 100 may be formed to receive water vapor 26 for a
  • the evaporator 30 is essential to the invention at least two heat exchanger stages 32, 35, which with respect to the flow direction 62 consecutively thermally contacting the evaporation section 31 are arranged.
  • the heat exchanger stages 32, 35 to the extent that they are both separated from each other and preferably also formed isolated from each other, a use of two different heating media 34, 37 without
  • Heat exchanger stages 32, 35 each have one particular
  • Heat exchanger section 33, 36 on Also, for an initiation of
  • Fuel cell system 100 have.
  • a fuel cell system 100 have.
  • a fuel cell system 100 have.
  • a fuel cell system 100 have.
  • a fuel cell system 100 have.
  • Nutzabgasan gleichabites 45 for use of Nutzabgas 23 and a burner exhaust connection portion 46 for using burner exhaust gas 24 may be provided as a heating medium 34, 37.
  • the two heating media 34, 37 differ, wherein in particular the first heating medium 34 usually has a lower temperature and thus a lower stored heat energy than the second heating medium 37.
  • the evaporation section 31 may be shown as shown
  • Evaporation section 31 have. Together with water 25 as the liquid medium 60, an even faster evaporation of the water 25 to steam 26 in the evaporation section 31 can be made possible under the action of heat.
  • a catalytic coating of the evaporation section 31 at least in the region of the first heat exchanger section 33 and / or of the second
  • Heat exchanger section 36 this can be further supported.
  • heating media 34, 37 can thus be provided by an inventive evaporator 30, whereby an application, in particular a self-sufficient use, of such an evaporator 30 in a fuel cell system 100 can be supported.
  • External additional heating devices for vaporizing the liquid medium 60 to the vaporous medium 61 can by a
  • FIG. 2 is a first embodiment of an inventive
  • the main component of a fuel cell system 100 according to the invention is a fuel cell stack 1 having a first electrode 2 and a second electrode 3.
  • the first electrode 2 is a fuel cell stack 1 having a first electrode 2 and a second electrode 3.
  • the first electrode 2 is a fuel cell stack 1 having a first electrode 2 and a second electrode 3.
  • Electrode 2 act as a cathode and the second electrode 3 as an anode or vice versa.
  • An air supply section 10 and a Nutzgaszutrabites 11 provide air 20 and Nutzgas 21 in the electrodes 2, 3 of the fuel cell stack 1 available.
  • an exhaust air section 12 or a useful exhaust gas section 13 Via an exhaust air section 12 or a useful exhaust gas section 13, according to the reactions in the fuel cell stack 1, an exhaust air 22 and a useful exhaust gas 23 are led away from the fuel cell stack 1 again.
  • the exhaust air 2 and the Nutzabgas 23, for example, an exhaust gas burner 4 are supplied, in which takes place at least partially a catalytic combustion of the exhaust air 22 and the Nutzabgas 23.
  • the second Nutzabgaszweig 16 is directly connected to the inventive evaporator 30, and there with its second heat exchanger stage 35.
  • Burner exhaust gas 24 is a burner exhaust gas portion 17 of the first heat exchanger stage 32 of the
  • Burner exhaust gas section 17 and other heat exchanger 8 are located to the
  • Evaporator 30 only on a lower temperature, whereby a use of the burner exhaust gas 24 in the first heat exchanger stage 32 as the first heating medium 34 (not shown) for heating and / or at least partial evaporation of the liquid as a liquid medium 60 (not shown) 25 used is possible.
  • the hot Nutzabgas 23 is in the evaporator 30 then in the second
  • the evaporator 30 or its evaporation section 31 (not shown) is connected in a fluid-communicating manner to a water inlet 50 and a steam line section 51 of the fuel cell system 100.
  • the evaporator 30 or its evaporation section 31 (not shown) is connected in a fluid-communicating manner to a water inlet 50 and a steam line section 51 of the fuel cell system 100.
  • Evaporator 30 control valves 5 arranged.
  • An amount of useful exhaust gas 23 and / or burner exhaust gas 24 and thus an amount of heat energy supplied by the respective fluid, which is respectively provided to the evaporator 30, can thereby be controlled and / or regulated. Furthermore, in the
  • Evaporating section 31 is connected to introduce hydrogen 27 into the evaporator 30 and there further support the evaporation of the water 25 to steam 26 on. Downstream of the evaporator 30 according to the invention branches off from the second Nutzabgaszweig 16 a recirculation section 18 for recirculating Nutzabgas 23 from. In addition, the Nutzabgas 23 on the second
  • Nutzabgaszweig 16 of a condensation device 9 are supplied to separate water 25 and condensate gas 28.
  • a condensate aftertreatment 70 purifies the condensate gas 28 for subsequent storage in a Nutzgastank 71, in addition to Nutzgas provoken 72 for providing Nutzgas 21 for the
  • Water 25 can be from the
  • Condensation device 9 are passed into a water tank 73, which can also be filled from other sources with water 25.
  • the air 20 required for operation of the fuel cell system 100 can be taken from the environment 101. Further valve elements 6 and conveying elements 7 complete the fuel cell system 100 according to the invention.
  • FIG. 3 shows a further alternative embodiment of a fuel cell system 100 according to the invention.
  • the fuel cell system 100 according to the invention in particular also a starting burner 80, which can be supplied via a Startnutzgasabêt 81 and a starting air section 82 with air 20 and Nutzgas 21 (each not shown).
  • a starting operation of the fuel cell system 100 can be accelerated by such a starting burner 80.
  • an additional air bypass 83 is provided to the first electrode 2 of the
  • Fuel cell stack 1 not heated and thus cooler air 20 to be able to supply.
  • Fuel cell system 100 The other illustrated elements of the
  • Fuel cell system 100 essentially correspond to those elements already described with reference to FIG. 2, in particular the valve elements 6 used, the conveying elements 7 and the heat exchangers 8.
  • Fuel cell system 100 of the invention shown in FIG. 1 is shown in FIG. 1
  • Evaporator 30 are arranged. Since the Fleizmedien 34, 37 after passing through the evaporator 30, preferably have given up their heat energy, preferably to a large extent, to the Nutzgas 21, at least substantially have issued, can be used as control valves 5 valves that a small
  • the fuel cell system The fuel cell system

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verdampfer (30) für ein Brennstoffzellensystem (100), aufweisend einen Verdampfungsabschnitt (31) zum Verdampfen eines flüssigen Mediums (60) zu einem dampfförmigen Medium (61) mit einem Flüssigkeitseinlass (40) zum Einleiten des flüssigen Mediums (60) in den Verdampfungsabschnitt (31) und einen Dampfauslass (43) zum Ausleiten des dampfförmigen Mediums (61) aus dem Verdampfungsabschnitt (31). Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem (100), aufweisend zumindest einen Brennstoffzellenstapel (1) mit einer ersten Elektrode (2) und einer zweiten Elektrode (3), einem Luftzuführabschnitt (10) zum Zuführen von Luft (20) zur ersten Elektrode (2), einen Nutzgaszuführabschnitt (11) zum Zuführen von Nutzgas (21) zur zweiten Elektrode (3), einen Abluftabschnitt (12) zum Abführen von Abluft (22) von der ersten Elektrode (2), einen Nutzabgasabschnitt (13) zum Abführen von Nutzabgas (23) von der zweiten Elektrode (3), ferner aufweisend einen Verdampfer (30).

Description

Verdampfer für ein Brennstoffzellensystem sowie Brennstoffzellensystem
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verdampfer für ein Brennstoffzellensystem, aufweisend einen Verdampfungsabschnitt zum Verdampfen eines flüssigen Mediums zu einem dampfförmigen Medium mit einem Flüssigkeitseinlass zum Einleiten des flüssigen Mediums in den Verdampfungsabschnitt und einen Dampfauslass zum Ausleiten des dampfförmigen Mediums aus dem Verdampfungsabschnitt. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem, aufweisend zumindest einen Brennstoffzellenstapel mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, einem Luftzuführabschnitt zum Zuführen von Luft zur ersten Elektrode, einen
Nutzgaszuführabschnitt zum Zuführen von Nutzgas zur zweiten Elektrode, einen Abluftabschnitt zum Abführen von Abluft von der ersten Elektrode, einen
Nutzabgasabschnitt zum Abführen von Nutzabgas von der zweiten Elektrode, ferner aufweisend einen Verdampfer.
Ein Einsatz von Verdampfern in Brennstoffzellensystemen ist grundsätzlich bekannt. Durch derartige Verdampfer können flüssige Medien zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, in dampfförmige Medien umgewandelt werden. Insbesondere kann zum Beispiel durch einen derartigen Verdampfer Wasser in Wasserdampf umgewandelt werden. Durch Wasserdampf kann unter Anderem eine katalytische Aufspaltung von beispielsweise Methan zu Wasserstoff in einem nachgeschalteten Reformer des Brennstoffzellensystems ermöglicht oder zumindest unterstützt werden. Auch ein Verdampfen von flüssigem Treibstoff in einen gasförmigen Treibstoff für einen Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellensystems ist möglich.
Bekannte Verdampfer setzen zumeist elektrische Energie ein, um über eine elektrische Heizvorrichtung insbesondere die zum Verdampfen des flüssigen
Mediums nötige thermische Energie bereitzustellen. Derartige elektrische
Verdampfer sind jedoch aufwendig und verringern insbesondere eine
Gesamteffizienz des Brennstoffzellensystems durch eben die zusätzlich verbrauchte elektrische Energie. Weitere bekannte Ausführungsformen von Verdampfern stellen insbesondere einstufige Verdampfer dar, in denen ein Heizmedium als Wärmequelle verwendet wird, um die zum Verdampfen des flüssigen Mediums nötige Energie bereitzustellen. Problematisch hierbei hat sich jedoch herausgestellt, dass die gesamte nötige Energie durch dieses eine Heizmedium bereitgestellt werden muss. Dies kann jedoch oftmals durch im Brennstoffzellenstapel intern vorhandenen Medien bzw. Fluide nicht bereitgestellt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, der voranstehend beschriebenen
Problematik zumindest teilweise Rechnung zu tragen bzw. zumindest alternative Lösungsmöglichkeiten zu schaffen. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Verdampfer sowie ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, die in besonders einfacher und kostengünstiger Art und Weise einen Verdampfer sowie ein Brennstoffzellensystem dahin gehend verbessern, dass ein möglichst effizienter Gesamtbetrieb des Brennstoffzellensystems bereitgestellt werden kann, wobei insbesondere bereits im Brennstoffzellensystem vorhandene Fluide bzw. deren Wärmeenergie für ein Betreiben des Verdampfers verwendet werden können.
Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Insbesondere wird die voranstehende Aufgabe durch den Verdampfer gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 sowie durch das Brennstoffzellensystem gemäß dem nebengeordneten Anspruch 12 gelöst. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verdampfer beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem
erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch einen Verdampfer für ein Brennstoffzellensystem, aufweisend einen
Verdampfungsabschnitt zum Verdampfen eines flüssigen Mediums zu einem dampfförmigen Medium mit einem Flüssigkeitseinlass zum Einleiten des flüssigen Mediums in den Verdampfungsabschnitt und einen Dampfauslass zum Ausleiten des dampfförmigen Mediums aus dem Verdampfungsabschnitt. Ein erfindungsgemäßer Verdampfer ist dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer zumindest eine erste Wärmetauscherstufe mit einem von zumindest einem ersten Heizmedium
durchström baren ersten Wärmetauscherabschnitt und eine zweite
Wärmetauscherstufe mit einem von zumindest einem zweiten Heizmedium
durchström baren zweiten Wärmetauscherabschnitt aufweist, wobei die
Wärmetauscherstufen zum Übertragen von thermischer Energie jeweils mit dem Verdampfungsabschnitt thermisch kontaktierend verbunden sind, und wobei ferner bezüglich einer Strömungsrichtung des flüssigen Mediums und/oder dampfförmigen Mediums im Verdampfungsabschnitt die zweite Wärmetauscherstufe stromabwärts von der ersten Wärmetauscherstufe angeordnet ist.
Ein erfindungsgemäßer Verdampfer ist für einen Einsatz in einem
Brennstoffzellensystem vorgesehen. In einem derartigen Brennstoffzellensystem sind zumeist mehrere Medien, insbesondere Fluide, vorhanden, die als Heizmedien eingesetzt werden können. Diese unterschiedlichen Medien, beispielsweise Abgase eines Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems oder eines
Abgasbrenners des Brennstoffzellensystems, können unterschiedliche Temperaturen und damit zumeist einhergehend insbesondere auch unterschiedliche Mengen an gespeicherter Wärmeenergie aufweisen. Durch einen erfindungsgemäßen
Verdampfer soll ein flüssiges Medium wenigstens teilweise, bevorzugt vollständig, in ein dampfförmiges Medium überführt werden. Das flüssige Medium tritt durch einen Flüssigkeitseinlass in einen Verdampfungsabschnitt des Verdampfers ein, wird in diesem durch ein Zuführen thermischer Energie zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, verdampft und tritt anschließend durch einen Dampfauslass aus dem Verdampfungsabschnitt wieder aus.
Erfindungswesentlich ist vorgesehen, dass der Verdampfer für das Zuführen der thermischen Energie zumindest zwei Wärmetauscherstufen aufweist, die jeweils von zumindest einem, insbesondere zwei unterschiedlichen, Heizmedium durchströmbar sind. Auf diese Weise können die oben beschriebenen verschiedenen Medien bzw. Fluide, die im Brennstoffzellensystem bereits vorhanden sind, besonders effizient genutzt werden. Für eine Übertragung von Wärmeenergie vom ersten Heizmedium bzw. dem zweiten Heizmedium in das zu verdampfende flüssige Medium im
Verdampfungsabschnitt sind sowohl der erste Wärmetauscherabschnitt der ersten Wärmetauscherstufe als auch der zweite Wärmetauscherabschnitt der zweiten Wärmetauscherstufe jeweils mit dem Verdampfungsabschnitt thermisch
kontaktierend verbunden. Bevorzugt kann dabei die thermische Kontaktierung derart vorgenommen werden, dass eine Vermischung zwischen dem flüssigen zu verdampfenden Medium und den Heizmedien ausgeschlossen ist. Mit anderen Worten sind der Verdampfungsabschnitt und die Wärmetauscherabschnitte der Wärmetauscherstufen voneinander getrennt ausgebildet. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass das dampfförmige Medium vollständig und ausschließlich durch Verdampfung des flüssigen Mediums gebildet wird.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Verdampfers ist es möglich, dass das zu verdampfende Medium mit Vorteil in der ersten Wärmetauscherstufe bzw. im ersten Wärmetauscherabschnitt zumindest teilweise verdampft wird, sodass dieses als zweiphasiges Gemisch in die zweite Wärmetauscherstufe bzw. in den zweiten Wärmetauscherabschnitt Übertritt, in welchem dieses vollständig verdampft und gegebenenfalls überhitzt wird.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass bezüglich einer Strömungsrichtung des flüssigen Mediums bzw. des dampfförmigen Mediums im Verdampfungsabschnitt die beiden Wärmetauscherstufen und damit die beiden Wärmetauscherabschnitte nacheinander angeordnet sind. Es sind folglich zwei Heizmedien vorgesehen, welche jeweils zumindest eine Wärmetauscherstufe durchströmen. Erfindungsgemäß kann auch vorgesehen sein, dass beide Heizmedien beide Wärmetauscherstufen durchströmen. Dies ist insbesondere dahin gehend vorteilhaft, dass die beiden Heizmedien zumeist unterschiedliche Temperaturen und/oder unterschiedliche Mengen an gespeicherter Wärmeenergie aufweisen, sodass so viel Wärme wie möglich übertragen werden kann und das zu verdampfende Medium in zwei Stufen verdampfbar ist. Vorteilhaft kann das erste Heizmedium in der ersten
Wärmetauscherstufe, das in Strömungsrichtung des zu verdampfenden flüssigen Mediums zuerst von diesem thermisch kontaktiert wird, eine niedrigere Temperatur aufweisen und das zweite Heizmedium entsprechend eine höhere Temperatur. Ein Anwärmen des flüssigen Mediums durch das erste Heizmedium und einem folglich erst bei einer höheren Temperatur des flüssigen Mediums startenden Verdampfen des flüssigen Mediums durch Wärmeeintrag des zweiten Heizmediums kann auf diese Weise bereitgestellt werden. Auch ist denkbar, dass durch den Eintrag an thermischer Energie in das flüssige Medium im Verdampfungsabschnitt durch das erste Heizmedium ein Verdampfen des flüssigen Mediums bereits einsetzt, und dieses Verdampfen durch den Eintrag an thermischer Energie in das flüssige
Medium im Verdampfungsabschnitt durch das zweite Heizmedium abgeschlossen wird. Ferner ist auch ein Überhitzen des verdampften Mediums durch eine
Aufheizung insbesondere durch die thermische Energie des zweien Heizmediums denkbar. Insbesondere kann durch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Verdampfers auch ein Einsatz von zwei unterschiedlichen Heizmedien ermöglicht werden, deren Vermischung nicht möglich ist. Eine bessere Anpassungsfähigkeit eines erfindungsgemäßen Verdampfers im Vergleich zu bekannten Verdampfern an vorhandene Gegebenheiten in Brennstoffzellensystemen kann auf diese Weise bereitgestellt werden. Insbesondere kann durch die Verwendung von bereits im Brennstoffzellensystem vorhandenen Heizmedien eine Gesamteffizienz beim
Betreiben eines Brennstoffzellensystems erhöht werden.
Grundsätzlich ist es zweckmäßig, wenn die beiden Wärmetauscherstufen derart zueinander angeordnet sind, dass das zu verdampfende Medium diese mit
zumindest einer leichten vertikalen Steigung nach oben, entgegen der
Erdanziehungskraft, durchströmt. Das heißt, eine vertikale, zumindest leicht ansteigende Anordnung/ Positionierung des Verdampfers hinsichtlich des zu verdampfenden Mediums ist besonders vorteilhaft. Wichtig ist also, dass das zu verdampfende Medium beide Stufen des Verdampfers zumindest teilweise vertikal von unten nach oben (entgegen der Erdanziehungskraft) durchströmt, sodass
Probleme mit einer Kondensierung und/oder Flüssigkeitsbildung im Verdampfer vermieden oder zumindest reduziert sind.
Es kann vorteilhaft sein, wenn diese vertikal übereinander angeordnet sind, sodass das zu verdampfende Medium diese vertikal durchströmt, das heißt mit einem
Steigungswinkel von etwa 90°. Allerdings kann es auch vorteilhaft sein, wenn die beiden Wärmetauscherstufen derart zueinander angeordnet sind, dass das zu verdampfende Medium diese so durchströmt, dass die Strömungsrichtung sowohl vertikale als auch horizontale Anteile umfasst, das heißt mit einem Steigungswinkel zwischen 1 ° und 89°, insbesondere etwa 45°. Wichtig ist es immer, dass durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Verdampfers erreicht wird, dass das zu
verdampfende Medium bei einem Übergang von ersten zur zweiten
Wärmetauscherstufe zweiphasig vorliegen kann oder vorliegt.
Günstig ist es, wenn die erste Wärmetauscherstufe mit dem von dem ersten Heizmedium durchström baren ersten Wärmetauscherabschnitt und eine zweite Wärmetauscherstufe mit dem von dem zweiten Heizmedium durchström baren zweiten Wärmetauscherabschnitt aufweist. Es ist also vorgesehen, dass jeweils ein Heizmedium einen Wärmetauscherabschnitt durchströmt, wobei die Temperatur des Heizmediums, welches durch den zweiten Wärmetauscherabschnitt, welcher vertikal oberhalb des ersten Wärmetauscherabschnittes angeordnet ist, geringer ist als jene des ersten Heizmediums, welches den ersten Wärmetauscherabschnitt durchströmt. So kann beispielsweise das erste Heizmedium stromaufwärts des Verdampfers eine Temperatur im Bereich von etwa 700 °C bis etwa 800 °C und das zweite Heizmedium stromaufwärts des Verdampfers eine Temperatur im Bereich von etwa 300 °C bis etwa 400 °C aufweisen. Stromabwärts des Verdampfers weisen beide Heizmedien mit Vorteil eine Temperatur kleiner oder gleich 100 °C auf, wobei es auch sein kann, dass diese mehr als 100 °C aufweisen. Das zu verdampfende Medium weist stromabwärts des Verdampfers eine Temperatur von etwa 200 °C oder mehr auf; es ist also nicht nur verdampft, sondern auch überhitzt.
Alternativ kann es günstig sein, wenn die erste Wärmetauscherstufe mit dem von dem ersten Heizmedium und dem zweiten Heizmedium durchström baren ersten Wärmetauscherabschnitt und eine zweite Wärmetauscherstufe mit dem von dem ersten Heizmedium und dem zweiten Heizmedium durchström baren zweiten Wärmetauscherabschnitt aufweist. Das heißt, beide Heizmedien durchströmen beide Wärmetauscherstufen. Dabei ist es insbesondere von Vorteil, wenn das Heizmedium, welches eine höhere Temperatur aufweist (beispielsweise das erste Heizmedium im Bereich von etwa 700 °C bis 800 °C) das zu verdampfende Medium in der zweiten Wärmetauscherstufe stromabwärts des zweiten Heizmediums, welches eine niedrige Temperatur im Bereich von etwa 300 °C bis 400 °C aufweist, wärm übertragend trifft. Entsprechend trifft das erste Heizmedium das zu verdampfende Medium in der ersten Wärmetauscherstufe stromaufwärts des zweiten Heizmediums. Ein entsprechender Verdampfer kann also derart ausgebildet sein, dass die beiden Heizmedien diesen vertikal von oben nach unten durchströmen, wobei das zu verdampfende Medium diesen mit einer vorbestimmten Steigung von unten nach oben durchströmt. Die beiden Heizkammern werden folglich von dem zu verdampfenden Medium in einer unterschiedlichen Strömungsrichtung durchströmt. Stromabwärts des Verdampfers weisen die beiden Heizmedien mit Vorteil wieder eine Temperatur kleiner 100 °C auf.
Ferner kann bei einem erfindungsgemäßen Verdampfer vorgesehen sein, dass der zumindest eine erste Wärmetauscherabschnitt und zweite Wärmetauscherabschnitt voneinander getrennt sind. Ein derartiges voneinander Getrenntsein kann im Sinne der Erfindung insbesondere ein räumlich und/oder bauliches Getrenntsein bedeuten. Insbesondere können der erste Wärmetauscherabschnitt und der zweite
Wärmetauscherabschnitt voneinander vollständig getrennte Hohlräume im erfindungsgemäßen Verdampfer darstellen. Eine Vermischung der beiden
Heizmedien kann auf diese Weise besonders einfach und bevorzugt insbesondere vollständig verhindert werden.
Darüber hinaus kann bei einem erfindungsgemäßen Verdampfer vorgesehen sein, dass der zumindest eine erste Wärmetauscherabschnitt und zweite
Wärmetauscherabschnitt gegeneinander thermisch isoliert sind. Wie oben bereits beschrieben, können die Heizmedien in den Wärmetauscherabschnitten zumeist unterschiedliche Temperaturen und/oder unterschiedliche Mengen an in ihnen gespeicherter Wärmeenergie aufweisen. Durch eine thermische Isolierung der beiden Wärmetauscherabschnitte gegeneinander, beispielsweise bereitgestellt durch eine Isolationsschicht oder eine entsprechende Isolationsvorrichtung, kann ein Übertrag von Wärmeenergie zwischen den beiden Heizmedien sicher vermieden oder zumindest deutlich eingeschränkt werden. Mit anderen Worten wird die in den Heizmedien gespeicherte Wärmeenergie nur an das zu verdampfende flüssige Medium abgegeben, wodurch insgesamt eine Effizienz beim Betreiben eines erfindungsgemäßen Verdampfers erhöht werden kann.
Ferner kann ein erfindungsgemäßer Verdampfer dahin gehend ausgebildet sein, dass der zumindest eine erste Wärmetauscherabschnitt und/oder zweite
Wärmetauscherabschnitt einen Abluftanschlussabschnitt zum
fluidkommunizierenden Verbinden mit einem Abluftabschnitt des
Brennstoffzellensystems aufweist zum Verwenden einer Abluft als erstes
Heizmedium und/oder zweites Heizmedium. Durch einen derartigen
Abluftanschlussabschnitt ist ein Verbinden mit einem Abluftabschnitt des
Brennstoffzellensystems ermöglicht. In einem derartigen Abluftabschnitt wird eine Abluft eines Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems geführt, die durch die Reaktionen im Brennstoffzellenstapel aufgeheizt ist und somit eine erhöhte Temperatur aufweist. Ein Einsatz dieser Abluft des Brennstoffzellensystems als Heizmedium kann dadurch ermöglicht werden.
Alternativ oder zusätzlich kann ein erfindungsgemäßer Verdampfer dahin gehend ausgebildet sein, dass der zumindest eine erste Wärmetauscherabschnitt und/oder zweite Wärmetauscherabschnitt einen Nutzabgasanschlussabschnitt zum
fluidkommunizierenden Verbinden mit einem Nutzabgasabschnitt des
Brennstoffzellensystems aufweist zum Verwenden eines Nutzabgases als erstes Heizmedium und/oder zweites Heizmedium. Durch einen derartigen
Nutzabgasanschlussabschnitt ist ein Verbinden mit einem Nutzabgasabschnitt des Brennstoffzellensystems ermöglicht. In einem derartigen Nutzabgasabschnitt wird ein Nutzabgases eines Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems geführt, das durch die Reaktionen im Brennstoffzellenstapel aufgeheizt ist und somit eine erhöhte Temperatur aufweist. Ein Einsatz dieses Nutzabgases des Brennstoffzellensystems als Heizmedium kann dadurch ermöglicht werden.
Ferner kann gemäß einer alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdampfers vorgesehen sein, dass der zumindest eine erste Wärmetauscherabschnitt und/oder zweite Wärmetauscherabschnitt einen
Brennerabgasanschlussabschnitt zum fluidkommunizierendem Verbinden mit einem Brennerabgasabschnitt eines Abgasbrenners des Brennstoffzellensystems aufweist zum Verwenden eines Brennerabgases als erstes Heizmedium und/oder zweites Heizmedium. Durch einen derartigen Brennerabgasanschlussabschnitt ist ein
Verbinden mit einem Brennerabgasabschnitt des Brennstoffzellensystems
ermöglicht. In einem derartigen Brennerabgasabschnitt wird ein Brennerabgases eines Abgasbrenners des Brennstoffzellensystems geführt. In einem Abgasbrenner eines Brennstoffzellensystems werden zumeist wenigstens teilweise eine Abluft und ein Nutzabgas des Brennstoffzellenstapels katalytisch verbrannt. Das Brennerabgas ist somit aufgeheizt und weist eine erhöhte Temperatur auf. Ein Einsatz dieses Brennerabgases des Brennstoffzellensystems als Heizmedium kann somit ermöglicht werden.
Besonders bevorzugt kann bei einem erfindungsgemäßen Verdampfer vorgesehen sein, dass der Flüssigkeitseinlass als ein Wasseranschlussabschnitt zum
fluidkommunizierenden Verbinden mit einem Wasserzulauf des
Brennstoffzellensystems sowie der Dampfauslass als Wasserdampfauslass zum fluidkommunizierenden Verbinden mit einem Dampfleitungsabschnitt des
Brennstoffzellensystems ausgebildet ist, zum Bereitstellen von Wasserdampf für das Brennstoffzellensystem. Ein Einsatz von Wasser als flüssiges und Wasserdampf als dampfförmiges Medium, die im erfindungsgemäßen Verdampfer ineinander umgewandelt werden, stellt eine besonders bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdampfers dar. Durch einen Wasseranschlussabschnitt kann insbesondere bereitgestellt werden, dass Wasser, bereitgestellt durch einen
Wasserzulauf des Brennstoffzellensystems, als flüssiges Medium verwendet werden kann. Ein Wasserdampfauslass wiederum ermöglicht ein Weiterleiten des im
Verdampfer erzeugten Wasserdampfs an entsprechende Stellen des
Brennstoffzellensystems über ein mit dem Wasserdampfauslass
fluidkommunizierenden Dampfleitungsabschnitt des Brennstoffzellensystems.
Beispielsweise kann der Wasserdampf zusammen mit Methan als Nutzgas einem Reformer zugeführt werden, in dem wiederum durch katalytische Reaktionen unter Einwirkung von Wärmeenergie Wasserstoff als Nutzgas erzeugt wird.
Auch kann ein erfindungsgemäßer Verdampfer dahin gehend weiterentwickelt sein, dass der Verdampfungsabschnitt einen Wasserstoffanschlussabschnitt zur fluidkommunizierenden Verbindung mit einem Wasserstoffzulauf des
Brennstoffzellensystems aufweist, zum Einleiten von Wasserstoff in den
Verdampfungsabschnitt. Ein derartiger Wasserstoffanschlussabschnitt ermöglicht somit, dass zusätzlich zu Wasser als flüssigem Medium Wasserstoff in den
Verdampfungsabschnitt eingeleitet werden kann. Durch Wasserstoff im
Verdampfungsabschnitt kann eine Dampferzeugung von Wasser zu Wasserdampf unterstützt werden. Auch kann beispielsweise bei einem Betriebsbeginn durch die durch den Wasserstoff ausgelöste Verdampfung des Wassers erzeugten hohen Temperaturen eine benötigte Zeit für diesen Betriebsstart verkürzt werden. Mit anderen Worten kann durch die zusätzliche Bereitstellung von Wasserstoff ein Erreichen einer Betriebstemperatur eines erfindungsgemäßen Verdampfers verkürzt werden.
Ferner kann ein erfindungsgemäßer Verdampfer dahin gehend weiterentwickelt sein, dass der Verdampfungsabschnitt im Bereich der thermischen Kontaktierung mit der ersten Wärmetauscherstufe und/oder mit der zweiten Wärmetauscherstufe eine katalytische Beschichtung zur Erzeugung von Wasserdampf aus Wasser und
Wasserstoff aufweist. Durch eine derartige katalytische Beschichtung kann eine Reaktion zwischen, bevorzugt gasförmig vorliegendem, Wasserstoff und Wasser zur Erzeugung von Wasserdampf unterstützt werden. Eine noch bessere
Wasserdampferzeugung kann dadurch ermöglicht werden. Auch die oben
beschriebene Aufheizung bei Betriebsbeginn, die durch die Verwendung von zusätzlichem Wasserstoff beschleunigt werden kann, kann durch die katalytische Beschichtung unterstützt werden. Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Brennstoffzellensystem, aufweisend zumindest einen Brennstoffzellenstapel mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, einen Luftzuführabschnitt zum
Zuführen von Luft zur ersten Elektrode, einen Nutzgaszuführabschnitt zum Zuführen von Nutzgas zur zweiten Elektrode, einen Abluftabschnitt zum Abführen von Abluft von der ersten Elektrode, einen Nutzabgasabschnitt zum Abführen von Nutzabgas von der zweiten Elektrode, ferner aufweisend einen Verdampfer. Ein
erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem ist dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ausgebildet ist. Sämtliche Vorteile, die ausführlich in Bezug auf einen Verdampfer gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind, können somit auch durch ein
Brennstoffzellensystem gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung bereitgestellt werden, das einen erfindungsgemäßen Verdampfer gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung aufweist. In einem derartigen Brennstoffzellensystem ist keine zusätzliche Energie notwendig, um Wasser verdampfen zu können. Die dafür benötigte Energie kommt insbesondere zur Gänze aus dem Brennstoffzellensystem selbst.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann ferner vorgesehen sein, dass der Nutzabgasabschnitt einen ersten Nutzabgaszweig und einen zweiten Nutzabgaszweig aufweist, wobei der Abluftabschnitt und der erste Nutzabgaszweig in einen Abgasbrenner zum zumindest teilweisen katalytischen Verbrennen der Abluft und des Nutzabgases münden, wobei das Brennstoffzellensystem ferner einen Brennerabgasabschnitt zum Abführen von Brennerabgas vom Abgasbrenner aufweist, und wobei der
Brennerabgasabschnitt mit dem Brennerabgasanschlussabschnitt des ersten
Wärmetauschers fluidkommunizierend verbunden ist und der zweite Nutzabgaszweig mit dem Nutzabgasanschlussabschnitt des zweiten Wärmetauschers
fluidkommunizierend verbunden ist. In dieser ersten bevorzugten Ausführungsform werden somit Nutzabgas und Brennerabgas als erstes bzw. zweites Heizmedium eingesetzt. Dabei wird das Brennerabgas, das bevorzugt bereits durch
Wärmetauscher Wärmeenergie an Fluide im Brennstoffzellensystem abgegeben haben kann, als erstes Heizmedium zum Erwärmen bzw. Aufheizen des flüssigen Mediums eingesetzt. Nutzabgas, das direkt aus dem Brennstoffzellenstapel zum erfindungsgemäßen Verdampfer geleitet wird, wird als zweites Heizmedium zum eigentlichen Verdampfen des flüssigen Mediums zum verdampften Medium
eingesetzt. Bei Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, bei dem im Brennerabgas eine größere Menge an
Wärmeenergie gespeichert ist als im Nutzabgas kann bevorzugt alternativ auch eine umgekehrte Anschlussreihenfolge des Brennerabgasabschnitts und des
Nutzabgasabschnitts am erfindungsgemäßen Verdampfer vorgesehen sein und somit das Nutzabgas als erstes Heizmedium in der ersten Wärmetauscherstufe und das Brennerabgas als zweites Heizmedium in der zweiten Wärmetauscherstufe verwendet werden.
Gemäß einer ebenfalls bevorzugten, weiteren alternativen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann ferner vorgesehen sein, dass der Abluftabschnitt und der Nutzabgasabschnitt in einen Abgasbrenner zum zumindest teilweisen katalytischen Verbrennen der Abluft und des Nutzabgases münden, wobei das Brennstoffzellensystem ferner einen Brennerabgasabschnitt zum Abführen von Brennerabgas vom Abgasbrenner aufweist, und wobei der Abluftabschnitt mit dem Abluftanschlussabschnitt des ersten Wärmetauschers fluidkommunizierend verbunden ist und der Brennerabgasabschnitt mit dem
Brennerabgasanschlussabschnitt des zweiten Wärmetauschers fluidkommunizierend verbunden ist. In dieser alternativen Ausführungsform werden die Brennerabgase direkt an den Verdampfer geleitet, wodurch sie im Gegensatz zur oben
beschriebenen Ausführungsform noch eine sehr hohe Temperatur und dadurch eine große Menge an gespeicherter Wärmeenergie aufweisen. Insbesondere weist das Brennerabgas dadurch zumeist auch eine höhere Temperatur und insbesondere eine größere Menge an in ihr gespeicherter Wärmeenergie auf als eine Abluft des
Brennstoffzellenstapels. Aus diesem Grund ist es in dieser Ausführungsform günstig, die Abluft des Brennstoffzellenstapels als erstes Heizmedium einzusetzen, wofür der Abluftabschnitt des Brennstoffzellensystems mit dem Abluftanschlussabschnitt des ersten Wärmetauschers fluidkommunizierend verbunden ist. Das Brennerabgas wird durch eine fluidkommunizierende Verbindung zwischen dem Brennerabgasabschnitt mit dem Brennerabgasanschlussabschnitt des zweiten Wärmetauschers dem
Verdampfer zugeführt. Auch in dieser Ausführungsform kann somit durch den ersten Wärmetauscherabschnitt ein Erwärmen, durch den zweiten Wärmetauscherabschnitt ein Verdampfen des flüssigen Mediums zum dampfförmigen Medium sichergestellt werden.
Darüber hinaus kann ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem dahin gehend ausgebildet sein, dass stromaufwärts des zumindest einen ersten Wärmetauschers und zweiten Wärmetauschers jeweils ansteuerbare Steuerungsventile, insbesondere Hochtemperaturventile, zur Steuerung einer Menge des dem Verdampfer
zugeführten ersten Heizmediums und zweiten Heizmediums angeordnet sind. Durch derartige Steuerungsventile kann eine besonders genaue Steuerung und/oder Regelung eines Betriebs eines erfindungsgemäßen Verdampfers insbesondere durch eine Steuerung und/oder Regelung der durch die Wärmetauscherelemente fließenden Heizmedien bereitgestellt werden. Durch die stromaufwärts
vorgenommene Anordnung der Steuerungsventile sind diese den hohen
Temperaturen der Heizmedien ausgesetzt. Bevorzugt kann daher ein Einsatz von Hochtemperaturventilen als Steuerungsventile vorgesehen sein. Auch ist diese Ausführungsform oftmals für einen stationären Einsatz des Brennstoffzellensystems vorgesehen, da die verwendeten Steuerungsventile eben durch die hohen
thermischen Anforderungen aufwendig sind, insbesondere hinsichtlich des
benötigten Bauraums.
Alternativ oder zusätzlich kann bei einem erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystem ferner vorgesehen sein, dass stromabwärts des zumindest einen ersten Wärmetauschers und zweiten Wärmetauschers jeweils ansteuerbare Steuerungsventile zur Steuerung einer Menge des dem Verdampfer zugeführten ersten Heizmediums und zweiten Heizmediums angeordnet sind. In dieser
Ausführungsform sind die ansteuerbaren Steuerungsventile bezüglich einer
Fließrichtung der Heizmedien nach dem Verdampfer angeordnet. Auch hier ist durch die Steuerungsventile eine besonders genaue Steuerung und/oder Regelung eines Betriebs des Verdampfers durch eine Steuerung und/oder Regelung des durch die Wärmetauscherelemente fließenden Heizmediums ermöglicht. Durch die geringere Temperatur der Heizmedien nach dem Verdampfer ist in dieser Ausführungsform ein Einsatz von Ventilen als Steuerungsventile mit geringen Anforderungen hinsichtlich beispielsweise einer Hitzebeständigkeit der verwendeten Ventile ermöglicht. Die eingesetzten Steuerungsventile können somit kleiner und weniger aufwendig sein. Insbesondere bei einem mobilen Einsatz eines erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems ist dies von Vorteil.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der
Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Figuren hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen, können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen
erfindungswesentlich sein. Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren 1 bis 3 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
Es zeigen schematisch:
Figur 1 ein erfindungsgemäßer Verdampfer,
Figur 2 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems, und
Figur 3 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems.
Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Verdampfer 30, der für einen Einsatz in einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem 100 (nicht mit abgebildet) vorgesehen ist. Zentrales Bauelement eines erfindungsgemäßen Verdampfers 30 ist
insbesondere ein Verdampfungsabschnitt 31. Dieser Verdampfungsabschnitt 31 weist einen Flüssigkeitseinlass 40 auf, durch den ein flüssiges Medium 60 in einer Strömungsrichtung 62 in den Verdampfungsabschnitt 31 einströmen kann. Bevorzugt kann der Flüssigkeitseinlass 40 als Wasseranschlussabschnitt 41 ausgebildet sein, sodass eine Verbindung eines erfindungsgemäßen Verdampfers 30 mit einem
Wasserzulauf 50 (nicht mit abgebildet) eines Brennstoffzellensystems 100 ermöglicht werden kann. Auf diese Weise kann somit Wasser 25 als flüssiges Medium 60 im erfindungsgemäßen Verdampfer 30 verdampft werden. Bezüglich der
Strömungsrichtung 62 stromabwärts ist in dieser Ausführungsform am
Verdampfungsabschnitt 31 und damit am gesamten Verdampfer 30 ein
Dampfauslass 42 angeordnet, durch den das dampfförmige Medium 61 in der Strömungsrichtung 62 aus dem Verdampfungsabschnitt 31 ausströmen kann.
Bevorzugt wiederum kann der Dampfauslass 42 als Wasserdampfauslass 43 zum Verbinden mit einem Dampfleitungsabschnitt 51 (nicht mit abgebildet) eines
Brennstoffzellensystems 100 ausgebildet sein, um Wasserdampf 26 für eine
Verwendung im Brennstoffzellensystem 100 bereitstellen zu können.
Für eine Verdampfung des flüssigen Mediums 60 zum dampfförmigen Medium 61 weist der Verdampfer 30 erfindungswesentlich zumindest zwei Wärmetauscherstufen 32, 35 auf, die bezüglich der Strömungsrichtung 62 nacheinander thermisch kontaktierend am Verdampfungsabschnitt 31 angeordnet sind. Durch die bevorzugte Ausführungsform der Wärmetauscherstufen 32, 35 dahin gehend, dass sie sowohl voneinander getrennt und bevorzugt auch gegeneinander isoliert ausgebildet sind, kann eine Verwendung von zwei verschiedenen Heizmedien 34, 37 ohne
gegenseitige Beeinflussung der Heizmedien 34, 37 in einem erfindungsgemäßen Verdampfer 30 besonders einfach bereitgestellt werden. Die einzelnen
Wärmetauscherstufen 32, 35 weisen insbesondere jeweils einen
Wärmetauscherabschnitt 33, 36 auf. Auch können für ein Einleiten von
verschiedenen Heizmedien 34, 37 die beiden Wärmetauscherabschnitte 33, 36 jeweils Vorrichtungen zum Verbinden mit entsprechenden Elementen des
Brennstoffzellensystems 100 aufweisen. So kann jeweils beispielsweise ein
Abluftanschlussabschnitt 44 zur Verwendung von Abluft 22, ein
Nutzabgasanschlussabschnitt 45 zur Verwendung von Nutzabgas 23 bzw. ein Brennerabgasanschlussabschnitt 46 zur Verwendung von Brennerabgas 24 als Heizmedium 34, 37 vorgesehen sein. Besonders bevorzugt kann dabei vorgesehen sein, dass sich die beiden Heizmedien 34, 37 unterscheiden, wobei insbesondere das erste Heizmedium 34 zumeist eine niedrigere Temperatur und damit eine geringere gespeicherte Wärmeenergie als das zweite Heizmedium 37 aufweist.
Darüber hinaus kann der Verdampfungsabschnitt 31 , wie gezeigt, ein
Wasserstoffanschlussabschnitt 47 zum Einleiten von Wasserstoff 27 in den
Verdampfungsabschnitt 31 aufweisen. Zusammen mit Wasser 25 als flüssiges Medium 60 kann unter Wärmeeinwirkung ein noch schnelleres Verdampfen des Wassers 25 zu Wasserdampf 26 im Verdampfungsabschnitt 31 ermöglicht werden. Durch eine katalytische Beschichtung des Verdampfungsabschnitts 31 , zumindest im Bereich des ersten Wärmetauscherabschnitts 33 und/oder des zweiten
Wärmetauscherabschnitts 36 kann dies weiter unterstützt werden.
Zusammenfassend kann durch einen erfindungsgemäßen Verdampfer 30 somit insbesondere eine Verwendung von verschiedenen Heizmedien 34, 37 bereitgestellt werden, wodurch ein Einsatz, insbesondere ein autarker Einsatz, eines derartigen Verdampfers 30 in einem Brennstoffzellensystem 100 unterstützt werden kann. Externe zusätzliche Aufheizvorrichtungen zum Verdampfen des flüssigen Mediums 60 zum dampfförmigen Medium 61 können durch einen erfindungsgemäßen
Verdampfer 30 vermieden werden. In Fig. 2 ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems 100 gezeigt, in dem ein erfindungsgemäßer Verdampfer 30 verbaut ist. Hauptkomponente eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 100 ist ein Brennstoffzellenstapel 1 mit einer ersten Elektrode 2 und einer zweiten Elektrode 3. Je nach Betriebsart des Brennstoffzellensystems kann die erste
Elektrode 2 als Kathode und die zweite Elektrode 3 als Anode fungieren oder umgekehrt. Ein Luftzuführabschnitt 10 sowie ein Nutzgaszuführabschnitt 11 stellen Luft 20 bzw. Nutzgas 21 in den Elektroden 2, 3 des Brennstoffzellenstapel 1 zur Verfügung. Über einen Abluftabschnitt 12 bzw. einen Nutzabgasabschnitt 13 werden nach den Reaktionen im Brennstoffzellenstapel 1 entsprechend eine Abluft 22 und ein Nutzabgas 23 wieder vom Brennstoffzellenstapel 1 weggeführt. Dabei kann die Abluft 2 und das Nutzabgas 23 beispielsweise einem Abgasbrenner 4 zugeführt werden, in dem zumindest teilweise eine katalytische Verbrennung der Abluft 22 und des Nutzabgas 23 stattfindet. In der dargestellten Ausführungsform erfolgt dies hinsichtlich des Nutzabgases 23 insbesondere über einen ersten Nutzabgaszweig 15, der an einer Verzweigstelle 14 vom Nutzabgasabschnitt 13 abzweigt. Der zweite Nutzabgaszweig 16 ist direkt mit dem erfindungsgemäßen Verdampfer 30, und dort mit dessen zweiter Wärmetauscherstufe 35 verbunden. Brennerabgas 24 wird über einen Brennerabgasabschnitt 17 der ersten Wärmetauscherstufe 32 des
erfindungsgemäßen Verdampfers 30 zugeführt. Da sich in der abgebildeten
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 100 im
Brennerabgasabschnitt 17 auch weitere Wärmetauscher 8 befinden, die zum
Übertragen von im Brennerabgas 24 gespeicherter Wärmeenergie auf Luft 20 bzw. Nutzgas 21 vorgesehen sind, weist das resultierende Brennerabgas 24 am
Verdampfer 30 nur noch eine geringere Temperatur auf, wodurch ein Einsatz des Brennerabgases 24 in der ersten Wärmetauscherstufe 32 als erstes Heizmedium 34 (nicht mit abgebildet) zum Aufheizen und/oder zumindest teilweisen Verdampfen des als flüssigen Mediums 60 (nicht mit abgebildet) verwendeten Wassers 25 möglich ist. Das heiße Nutzabgas 23 wird im Verdampfer 30 anschließend in der zweiten
Wärmetauscherstufe 35 als zweites Heizmedium 37 (nicht mit abgebildet) zum Verdampfen des Wassers 25 zu Wasserdampf 26 eingesetzt. Dementsprechend ist der Verdampfer 30 bzw. dessen Verdampfungsabschnitt 31 (nicht mit abgebildet) fluidkommunizierend mit einem Wasserzulauf 50 und einem Dampfleitungsabschnitt 51 des Brennstoffzellensystems 100 verbunden. Um eine Steuerung und/oder Regelung der Dampferzeugung im Verdampfer bereitstellen zu können sind im Nutzabgasabschnitt 13 und im Brennerabgasabschnitt 17 stromaufwärts vom
Verdampfer 30 Steuerungsventile 5 angeordnet. Eine Menge an Nutzabgas 23 und/oder Brennerabgas 24 und damit eine Menge der durch das jeweilige Fluid zugeführten Wärmeenergie, die jeweils dem Verdampfer 30 bereitgestellt wird, kann dadurch gesteuert und/oder geregelt eingestellt werden. Ferner ist in der
dargestellten Ausführungsform ein Wasserstoffzulauf 52 ebenfalls mit dem
Verdampfungsabschnitt 31 verbunden, um Wasserstoff 27 in den Verdampfer 30 einzuleiten und dort das Verdampfen des Wassers 25 zu Wasserdampf 26 weiter zu unterstützen. Nachgeschaltet an den erfindungsgemäßen Verdampfer 30 zweigt vom zweiten Nutzabgaszweig 16 ein Rezirkulationsabschnitt 18 zum Rezirkulieren von Nutzabgas 23 ab. Darüber hinaus kann das Nutzabgas 23 über den zweiten
Nutzabgaszweig 16 einer Kondensationsvorrichtung 9 zugeführt werden, um Wasser 25 bzw. Kondensatgas 28 abzuscheiden. Eine Kondensatnachbehandlung 70 reinigt das Kondensatgas 28 für ein nachfolgendes Speichern in einem Nutzgastank 71 , der neben Nutzgasquellen 72 zum Bereitstellen von Nutzgas 21 für den
Nutzgaszuführabschnitt 11 ausgebildet ist. Wasser 25 kann von der
Kondensationsvorrichtung 9 in einen Wassertank 73 geleitet werden, der ebenfalls aus weiteren Quellen mit Wasser 25 befüllt werden kann. Die für einen Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 benötigte Luft 20 kann der Umgebung 101 entnommen werden. Weitere Ventilelemente 6 und Förderelemente 7 komplettieren das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 100.
Fig. 3 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 100. Neben den bereits in Bezug auf Fig. 2 beschriebenen Komponenten, wie beispielsweise ein Brennstoffzellenstapel 1 mit erster Elektrode 2 und zweiter Elektrode 3, ein Abgasbrenner 4 sowie ein Rezirkulationsabschnitt 18, weist in dieser Ausführungsform das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 100 insbesondere auch einen Startbrenner 80 auf, der über einen Startnutzgasabschnitt 81 und einen Startluftabschnitt 82 mit Luft 20 bzw. Nutzgas 21 (jeweils nicht mit abgebildet) versorgt werden kann. Ein Startvorgang des Brennstoffzellensystems 100 kann durch einen derartigen Startbrenner 80 beschleunigt werden. Auch ist ein zusätzlicher Luftbypass 83 vorgesehen, um der ersten Elektrode 2 des
Brennstoffzellenstapels 1 nicht aufgeheizte und damit kühlere Luft 20 zuführen zu können. Eine Kondensationsvorrichtung 9 und die daran angeschlossenen
Komponenten, wie sie in der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 100 vorgesehen sind, fehlen jedoch in der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems 100. Die weiteren dargestellten Elemente des
Brennstoffzellensystems 100 entsprechen im Wesentlichen denen bereits in Bezug auf Fig. 2 beschriebenen Elementen, insbesondere die verwendeten Ventilelemente 6, die Förderelemente 7 sowie die Wärmetauscher 8.
Wesentlicher Unterschied des in Fig. 3 gezeigten Brennstoffzellensystems 100 gegenüber dem in Fig. 2 gezeigten Brennstoffzellensystem 100 ist insbesondere, dass der Verdampfer 30 im Nutzgaszuführabschnitt 11 angeordnet ist. Somit wird als flüssiges Medium 60 bzw. dampfförmiges Medium 61 (jeweils nicht mit abgebildet) Nutzgas 21 verwendet. Auch die Fleizmedien 34, 37 (jeweils nicht mit abgebildet) unterscheiden sich zwischen den beiden in Fig. 2 und 3 gezeigten
Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 100. So wird in der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform als erstes Fleizmedium 34 dem
Verdampfer 30 durch den Abluftabschnitt 12 eine Abluft 22 (nicht mit abgebildet) zugeführt. Als zweites Fleizmedium 37 (nicht mit abgebildet) wird 34 dem Verdampfer 30 durch einen Brennerabgasabschnitt 17 ein Brennerabgas 24 (nicht mit abgebildet) zugeführt. Ferner unterscheidet sich die dargestellte Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 100 von der in Fig. 2 gezeigten
Ausführungsform dadurch, dass die Steuerungsventile 5 stromabwärts vom
Verdampfer 30 angeordnet sind. Da die Fleizmedien 34, 37 nach einem Durchlaufen des Verdampfers 30 ihre Wärmeenergie, bevorzugt zu einem großen Teil, an das Nutzgas 21 abgegeben haben, zumindest im Wesentlichen abgegeben haben, können als Steuerungsventile 5 Ventile verwendet werden, die eine geringe
Anforderung hinsichtlich einer Flitzebeständigkeit aufweisen. Insbesondere bei einem mobilen Einsatz des in Fig. 3 dargestellten Brennstoffzellensystems 100 kann dies vorteilhaft sein.
Bezugszeichenliste
1 Brennstoffzellenstapel
2 erste Elektrode
3 zweite Elektrode
4 Abgasbrenner
5 Steuerungsventil
6 Ventilelement
7 Förderelement
8 Wärmetauscher
9 Kondensationsvorrichtung
10 Luftzuführabschnitt
11 Nutzgaszuführabschnitt
12 Abluftabschnitt
13 Nutzabgasabschnitt
14 Verzweigstelle
15 erster Nutzabgaszweig
16 zweiter Nutzabgaszweig
17 Brennerabgasabschnitt
18 Rezirkulationsabschnitt
20 Luft
21 Nutzgas
22 Abluft
23 Nutzabgas
24 Brennerabgas
25 Wasser
26 Wasserdampf
27 Wasserstoff
28 Kondensatgas
30 Verdampfer
31 Verdampfungsabschnitt
32 erste Wärmetauscherstufe
33 erster Wärmetauscherabschnitt
34 erstes Heizmedium
35 zweite Wärmetauscherstufe
36 zweiter Wärmetauscherabschnitt zweites Heizmedium
Flüssigkeitseinlass
Wasseranschlussabschnitt
Dampfauslass
Wasserdampfauslass
Abluftanschlussabschnitt
Nutzabgasanschlussabschnitt
Brennerabgasanschlussabschnitt
Wasserstoffanschlussabschnitt
Wasserzulauf
Dampfleitungsabschnitt
Wasserstoffzulauf
flüssiges Medium
dampfförmiges Medium
Strömungsrichtung
Kondensatnachbehandlung
Nutzgastank
Nutzgasquelle
Wassertank
Startbrenner
Startnutzgasabschnitt
Startluftabschnitt
Luftbypass
Brennstoffzellensystem
Umgebung

Claims

Patentansprüche
1. Verdampfer (30) für ein Brennstoffzellensystem (100), aufweisend einen Verdampfungsabschnitt (31 ) zum Verdampfen eines flüssigen Mediums (60) zu einem dampfförmigen Medium (61 ) mit einem Flüssigkeitseinlass (40) zum Einleiten des flüssigen Mediums (60) in den Verdampfungsabschnitt (31 ) und einen Dampfauslass (42) zum Ausleiten des dampfförmigen Mediums (61 ) aus dem Verdampfungsabschnitt (31 ),
dadurch gekennzeichnet, dass
der Verdampfer (30) zumindest eine erste Wärmetauscherstufe (32) mit einem von zumindest einem ersten Heizmedium (34) durchström baren ersten Wärmetauscherabschnitt (33) und eine zweite Wärmetauscherstufe (35) mit einem von zumindest einem zweiten Heizmedium (37) durchström baren zweiten Wärmetauscherabschnitt (36) aufweist, wobei die Wärmetauscherstufen (32, 35) zum Übertragen von thermischer Energie jeweils mit dem Verdampfungsabschnitt (31 ) thermisch kontaktierend verbunden sind und wobei ferner bezüglich einer Strömungsrichtung (62) des flüssigen Mediums (60) und/oder dampfförmigen Mediums (61 ) im Verdampfungsabschnitt (31 ) die zweite Wärmetauscherstufe (35) stromabwärts von der ersten Wärmetauscherstufe (32) angeordnet ist.
2. Verdampfer (30) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wärmetauscherstufe (32) mit dem von dem ersten Heizmedium (34) durchströmbaren ersten Wärmetauscherabschnitt (33) und eine zweite Wärmetauscherstufe (35) mit dem von dem zweiten Heizmedium (37) durchströmbaren zweiten Wärmetauscherabschnitt (36) aufweist.
3. Verdampfer (30) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wärmetauscherstufe (32) mit dem von dem ersten Heizmedium (34) und dem zweiten Heizmedium (37) durchströmbaren ersten Wärmetauscherabschnitt (33) und eine zweite Wärmetauscherstufe (35) mit dem von dem ersten Heizmedium (34) und dem zweiten Heizmedium (37) durchströmbaren zweiten Wärmetauscherabschnitt (36) aufweist.
4. Verdampfer (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine erste Wärmetauscherabschnitt (33) und zweite
Wärmetauscherabschnitt (36) voneinander getrennt sind.
5. Verdampfer (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zumindest eine erste Wärmetauscherabschnitt (33) und zweite
Wärmetauscherabschnitt (36) gegeneinander thermisch isoliert sind.
6. Verdampfer (30) nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zumindest eine erste Wärmetauscherabschnitt (33) und/oder zweite Wärmetauscherabschnitt (36) einen Abluftanschlussabschnitt (44) zum fluidkommunizierenden Verbinden mit einem Abluftabschnitt (12) des Brennstoffzellensystems (100) aufweist zum Verwenden einer Abluft (22) als erstes Heizmedium (34) und/oder zweites Heizmedium (37).
7. Verdampfer (30) nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zumindest eine erste Wärmetauscherabschnitt (33) und/oder zweite Wärmetauscherabschnitt (36) einen Nutzabgasanschlussabschnitt (45) zum fluidkommunizierenden Verbinden mit einem Nutzabgasabschnitt (13) des Brennstoffzellensystems (100) aufweist zum Verwenden eines Nutzabgases (23) als erstes Heizmedium (34) und/oder zweites Heizmedium (37).
8. Verdampfer (30) nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zumindest eine erste Wärmetauscherabschnitt (33) und/oder zweite Wärmetauscherabschnitt (36) einen Brennerabgasanschlussabschnitt (46) zum fluidkommunizierenden Verbinden mit einem Brennerabgasabschnitt (17) eines Abgasbrenners (4) des Brennstoffzellensystems (100) aufweist zum Verwenden eines Brennerabgases (24) als erstes Heizmedium (34) und/oder zweites Heizmedium (37).
9. Verdampfer (30) nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Flüssigkeitseinlass (40) als ein Wasseranschlussabschnitt (41 ) zum fluidkommunizierenden Verbinden mit einem Wasserzulauf (50) des Brennstoffzellensystems (100) sowie der Dampfauslass (42) als ein Wasserdampfauslass (43) zum fluidkommunizierenden Verbinden mit einem Dampfleitungsabschnitt (51 ) des Brennstoffzellensystems (100) ausgebildet ist zum Bereitstellen von Wasserdampf (26) für das Brennstoffzellensystem (100).
10. Verdampfer (30) nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Verdampfungsabschnitt (31 ) einen Wasserstoffanschlussabschnitt (47) zum fluidkommunizierenden Verbinden mit einem Wasserstoffzulauf (52) des Brennstoffzellensystems (100) aufweist zum Einleiten von Wasserstoff (27) in den Verdampfungsabschnitt (31 ).
11. Verdampfer (30) nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Verdampfungsabschnitt (31 ) im Bereich der thermischen Kontaktierung mit der ersten Wärmetauscherstufe (32) und/oder mit der zweiten Wärmetauscherstufe (35) eine katalytische Beschichtung zur Erzeugung von Wasserdampf (26) aus Wasser (25) und Wasserstoff (27) aufweist.
12. Brennstoffzellensystem (100), aufweisend zumindest einen
Brennstoffzellenstapel (1 ) mit einer ersten Elektrode (2) und einer zweiten Elektrode (3), einen Luftzuführabschnitt (10) zum Zuführen von Luft (20) zur ersten Elektrode (2), einen Nutzgaszuführabschnitt (11 ) zum Zuführen von Nutzgas (21 ) zur zweiten Elektrode (3), einen Abluftabschnitt (12) zum Abführen von Abluft (22) von der ersten Elektrode (2), einen
Nutzabgasabschnitt (13) zum Abführen von Nutzabgas (23) von der zweiten Elektrode (3), ferner aufweisend einen Verdampfer (30),
dadurch gekennzeichnet, dass
der Verdampfer (30) nach einem der vorangegangenen Ansprüchen ausgebildet ist.
13. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Nutzabgasabschnitt (13) einen ersten Nutzabgaszweig (15) und einen zweiten Nutzabgaszweig (16) aufweist, wobei der Abluftabschnitt (12) und der erste Nutzabgaszweig (15) in einen Abgasbrenner (4) zum zumindest teilweisen katalytischen Verbrennen der Abluft (22) und des Nutzabgases (23) münden, wobei das Brennstoffzellensystem (100) ferner einen Brennerabgasabschnitt (17) zum Abführen von Brennerabgas (24) vom Abgasbrenner (4) aufweist, und wobei der Brennerabgasabschnitt (17) mit dem Brennerabgasanschlussabschnitt (46) des ersten Wärmetauschers (32) fluidkommunizierend verbunden ist und der zweite Nutzabgaszweig (16) mit dem Nutzabgasanschlussabschnitt (45) des zweiten Wärmetauschers (35) fluidkommunizierend verbunden ist.
14. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Abluftabschnitt (12) und der Nutzabgasabschnitt (13) in einen Abgasbrenner (4) zum zumindest teilweisen katalytischen Verbrennen der Abluft (22) und des Nutzabgases (23) münden, wobei das Brennstoffzellensystem (100) ferner einen Brennerabgasabschnitt (17) zum Abführen von Brennerabgas (24) vom Abgasbrenner (4) aufweist, und wobei der Abluftabschnitt (12) mit dem Abluftanschlussabschnitt (44) des ersten Wärmetauschers (32) fluidkommunizierend verbunden ist und der Brennerabgasabschnitt (17) mit dem Brennerabgasanschlussabschnitt (46) des zweiten Wärmetauschers (35) fluidkommunizierend verbunden ist.
15. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 12 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
stromaufwärts des zumindest einen ersten Wärmetauschers (8) und zweiten Wärmetauschers (35) jeweils ansteuerbare Steuerungsventile (5), insbesondere Hochtemperaturventile, zur Steuerung einer Menge des dem Verdampfer (30) zugeführten ersten Heizmediums (34) und zweiten Heizmediums (37) angeordnet sind.
16. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 12 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, dass
stromabwärts des zumindest einen ersten Wärmetauschers (8) und zweiten Wärmetauschers (35) jeweils ansteuerbare Steuerungsventile (5) zur Steuerung einer Menge des dem Verdampfer (30) zugeführten ersten Heizmediums (34) und zweiten Heizmediums (37) angeordnet sind.
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