Verdampfungsvorrichtung zum Aufbereiten von Brennstoff für einen Reformer und ein Brennstoffzellensystem

Die Erfindung betrifft eine Verdampfungsvorrichtung, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, mit einem Verdampfer, der im Betrieb zum Fraktionieren eines Ausgangsbrennstoffs vorgesehen ist.

Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Steuerung einer Verdampfungsvorrichtung, insbesondere einer für ein Brennstoffzellensystem, mit einem Verdampfer, der im Betrieb einen Ausgangsbrennstoff fraktioniert.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem, das eine solche Verdampfungsvorrichtung aufweist und/oder die dazu ausgelegt ist, ein derartiges Verfahren durchzuführen.

Allgemein sind gattungsgemäße Verdampfungsvorrichtungen aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der DE 10 2005 005 118 Al. Diese dem Stand der Technik angehörende Verdampfungsvorrichtung weist einen Verdampfer auf, der im Betrieb einen AusgangskraftStoff beziehungsweise Ausgangs- brennstoff fraktioniert. Insbesondere wird der Ausgangsbrennstoff mittels des Verdampfers in Leichsiederanteile beziehungsweise leicht flüchtige Bestandteile und in Schwersiederanteile beziehungsweise schwer flüchtige Bestandteile des Brennstoffs fraktioniert beziehungsweise ab- getrennt. Nach der Fraktionierung werden die Leichtsieder- anteile des Ausgangsbrennstoffs üblicherweise einem Reformer zugeführt werden, beispielsweise einem einem Brennstoffzellensystem angehörenden Reformer. Dadurch kann das

Reformierungsvermögen des Reformers verbessert werden. Insbesondere Brennstoffzellensysteme, die mit Kohlenwasserstoffen wie Erdgas, Benzin oder Diesel betrieben werden, benötigen einen Reformer, der ein Gemisch aus Brennstoff und Luft in ein wasserstoffhaltiges Reformat umsetzt. Dieses Reformat wird anschließend einer Brennstoffzelle oder einem Brennstoffzellenstapel zur Erzeugung elektrischer E- nergie zugeführt. Wird dabei keine dem Reformer Leichtsie- deranteile zuführende Verdampfungsvorrichtung verwendet, so kann sich dies nachteilig auf den Reformer und auf das

BrennstoffZeilensystem auswirken. Beispielsweise werden die im Brennstoff enthaltenen Katalysatorgifte wie Schwefel vollständig über in den Reformierungszonen des Reformers befindlichen Katalysatoren und in nachfolgende Brennstoff- zelle geleitet und können unter Umständen zur Katalysator- deaktivierung führen. Weiterhin sind im Brennstoff Russvorläufer enthalten, wie zum Beispiel polyzyklische Aromaten, die vollständig über die Katalysatoren des Reformers geleitet werden. Ebenso können sie dort zur maximalen Katalysa- tordeaktivierung durch Russablagerungen auf den Katalysatoren führen. Dies führt zu einem Leistungseinbruch, verringerter Lebensdauer der Katalysatoren und erfordert darüber hinaus die Durchführung von zusätzlichen Katalysatorregenerationsverfahren. Insbesondere weisen derartige Brennstoff- zellensysteme in dem geschilderten Fall eine hohe Abgastemperatur auf, welche zu Wirkungsgradverlusten und einer Auskühlung der Hotbox führen könnte. Um das Brennstoffzellen- system jedoch trotzdem auf hoher Betriebstemperatur halten zu können, müssen die verbauten Reformer und Brenner für unnötig hohe thermische Leistungen ausgelegt und bei diesen sehr hohen Leistungen betrieben werden, wodurch eine gewünschte Verkleinerung des Bauraums des Brennstoffzellen- systems nicht begünstigt wird. Weiterhin nehmen die Anforderungen an die Komponenten (z.B. Brenner, Reformer, Kraft-

stoffpumpen) aufgrund der vergrößerten Modulation (Verhältnis von maximaler zu minimaler Leistung) unnötigerweise zu. Selbst wenn eine Verdampfungsvorrichtung dem Reformer Leichtsiederanteile des Ausgangsbrennstoffs zuführt, kann dennoch der Fall auftreten, dass die Verdampfungsvorrichtung dem Reformer nicht hinreichend Leichtsiederanteile zur Verfügung stellen kann. Dieser kann beispielsweise Brenn- stoffbedingt, das heißt durch Variation der Brennstoffqua- lität, auftreten. Dadurch können letztlich wieder die vor- genannten Nachteile auftreten, die eigentlich durch die Verdampfungsvorrichtung verhindert werden sollten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäßen Verdampfungsvorrichtungen und Verfahren zur Steuerung von derartigen Verdampfungsvorrichtungen so weiterzubilden, dass dem Reformer fortwährend im Betrieb der Verdampfungsvorrichtung ausreichend Leichtsiederfraktionen zur Verfügung gestellt werden können.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst .

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Die erfindungsgemäße Verdampfungsvorrichtung baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass der Verdampfer mit zumindest einem Speicher gekoppelt ist, dem im Betrieb des Verdampfers eine Brennstofffraktion des fraktionierten Ausgangsbrennstoffs über den Verdampfer zuführbar ist. Die Verdampfungsvorrichtung wird beispielsweise durch das Abgas eines SOFC-Brennstoffzellensystems angetrieben, so dass aufgrund dadurch verminderter Abgastempe- raturen die Effizienz des Brennstoffzellensystems zunimmt.

Weiterhin ist die Verdampfungseinrichtung durch geeignete Schnittstellen als add-on Komponente an das SOFC-System ankoppelbar. Das SOFC-Brennstoffzellensystem kann dadurch mangels Variantenbildung kostengünstig produziert werden. Die Verdampfungsvorrichtung kann dadurch bedarfsweise, je nach den Kraftstofferfordernissen der Zielmärkte, an das SOFC-Brennstoffzellensystem als Modul angekoppelt werden. Die Verdampfungsvorrichtung kann somit als eine add-on- Komponente verwendet werden und in das Brennstoffzellensys- tem integriert werden. Der Einsatz als add-on-Komponente ist besonders für Anwendungen mit dem Einsatzbrennstoff Diesel vorgesehen, da hier besonders die Katalysatordeakti- vierung durch Ruß und Schwefel auftritt. Weiterhin sind insbesondere Anwendungen, bei denen der Ausgangsbrennstoff von schlechter Qualität ist, relevant, zum Beispiel im militärischen Bereich, bei der Schifffahrt und der Luftfahrt, wie vorstehend erwähnt. Die Brennstoffaufbereitung, insbesondere der Verdampfer, nutzt dabei einen Teil einer durch das Brennstoffzellensystem erzeugten Abwärme, beispielswei- se von einem Nachbrenner des Brennstoffzellensystems . Dadurch können aus dem Ausgangsbrennstoff beziehungsweise Einsatzbrennstoff mittels des Verdampfers zwei Fraktionen hergestellt werden. Insbesondere kann eine hoch- oder leichtsiedende und eine schwersiedende Fraktion aus dem Ausgangsbrennstoff erzeugt werden. Diese werden nachstehend als Leichtsiederfraktion und Schwersiederfraktion bezeichnet. Insbesondere bei dem Einsatz von tiefentschwefelten Dieselbrennstoffen resultiert aus dessen Siedelinienverlauf und den Siedepunkten der für Dieselbrennstoff relevanten polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe (PAK) eine geeignete Verdampferbetriebstemperatur beziehungsweise eine Schnitttemperatur von ca. 300 ⁰ C bei einem Atmosphärendruck von 1023 mbar. Dadurch, dass der fraktionierte Brennstoff einem Speicher zugeführt wird, kann der durch den Speicher

versorgten Komponente, insbesondere einem Reformer, entsprechend ausreichend fraktionierter Ausgangsbrennstoff zur Verfügung gestellt werden. Dadurch kann eine Katalysatorde- aktivierung des Reformers weitestgehend vermieden werden. Dies führt somit zur Verbesserung der Lebensdauer und Performance von Reformerkatalysatoren sowie Brennstoffzellen- katalysatoren. Ebenso kann durch entsprechende Versorgung des Reformers mit der dafür vorgesehen Fraktion des Ausgangsbrennstoffs durch den Speicher auch der Betriebsbe- reich des Reformers zu niedrigeren Luftzahlen aufgeweitet werden. Beispielsweise können bessere Wasserstoffausbeuten erzielt werden.

Weiterhin kann die erfindungsgemäße Verdampfungsvorrichtung so weitergebildet werden, dass der Speicher ein Zwischenspeicher ist, dem im Betrieb des Verdampfers eine Leicht- siederfraktion des fraktionierten Brennstoffs über den Verdampfer zuführbar und dem der Ausgangsbrennstoff zuführbar ist, wenn der Verdampfer bei leerem Zwischenspeicher nicht in Betrieb ist. So werden dem Zwischenspeicher im Betrieb des Verdampfers permanent Leichtsiederfraktionen des Ausgangsbrennstoffs zugeführt und darin gespeichert. Dadurch kann der Reformer fortlaufend mit Leichtsiederfraktionen versorgt werden. Bei beispielsweise einer Erstinbetriebnah- me der Verdampfungseinrichtung kann der Zwischenspeicher, der in diesem Fall leer ist, auch mit dem Ausgangsbrennstoff gefüllt werden, um einen Brennerbetrieb des Reformers dennoch zu ermöglichen. In diesem Fall ist der Einsatz des Ausgangskraftstoffes im Reformer bei der Verbrennung unkri- tisch, da kraftstoffbedingte Russvorläufer sowie Schwefelverbindungen bei entsprechendem Brenneraufbau des Reformers vollständig verbrannt werden können.

In diesem Zusammenhang ist die erfindungsgemäße Verdampfungsvorrichtung so ausgebildet, dass dem Zwischenspeicher der Ausgangsbrennstoff über den Verdampfer zuführbar ist. Vorzugsweise wird der Zwischenspeicher dadurch befüllt, dass dem Verdampfer, der sich außer Betrieb befindet,

Brennstoff zugeführt wird. Dadurch wird der Brennstoff über den Verdampfer zu dem Zwischenspeicher unfraktioniert geleitet, wodurch der Brennerbetrieb des Reformers aufgenommen werden kann.

Vorzugsweise wird die erfindungsgemäße Verdampfungsvorrichtung dann so verwirklicht, dass dem Verdampfer der Ausgangsbrennstoff durch eine mit dem Verdampfer gekoppelte Brennstoffpumpe zuführbar ist. über die Brennstoffpumpe kann eine Ausgangsbrennstoffzufuhr entsprechend den Betriebsbedingungen der Verdampfungsvorrichtung und auch des Brennstoffzellensystems gesteuert beziehungsweise eingestellt werden.

Ferner kann es vorteilhaft sein, die erfindungsgemäße Verdampfungsvorrichtung derart auszuführen, dass ein Wärmetauscher vorgesehen ist, der zur Wärmeübertragung zwischen der Kopplung zwischen dem Verdampfer und dem Zwischenspeicher und der Kopplung zwischen der Brennstoffpumpe und dem Ver- dampfer vorgesehen ist. Dadurch kann der von dem Verdampfer dem Zwischenspeicher zugeführte, fraktionierte Ausgangs- brennstoff abgekühlt werden, so dass zumindest teilweise eine Kondensation des fraktionierten Ausgangsbrennstoffs in dem Zwischenspeicher eintritt. Hingegen wird der von der Brennstoffpumpe dem Verdampfer zugeführte Ausgangsbrennstoff erwärmt, wodurch die Fraktionierung zumindest teilweise begünstigt werden kann.

Vorzugsweise wird die erfindungsgemäße Verdampfungsvorrichtung so weitergebildet, dass der Zwischenspeicher einen An- schluss umfasst, der zur Kopplung mit einem Reformer eines Brennstoffzellensystems vorgesehen ist. Der Zwischenspei- eher speichert im Wesentlichen Leichsiederfraktionen des Ausgangsbrennstoffs. Die Schwersiederfraktionen werden durch den Verdampfer weitestgehend abgetrennt. Dies ist insbesondere dahingehend von Vorteil, da die Schwersieder- fraktionen einen höheren Schwefelgehalt aufweisen und damit für den Reformer beziehungsweise einen Reformerkatalysator schädlich sein können. Insbesondere bei Einsatz von tief- entschwefelten fossilen Dieselkraftstoffen mit Schwefelgehalten < 10 ppmw sind die schwefelhaltigen Komponenten am obersten Ende des Siedebereiches in Form von alkylierten Dibenzothiophenen vorzufinden. Durch gezieltes Ausschneiden beziehungsweise durch die gezielte Abtrennung dieses Bereiches können eine deutliche Erhöhung des Schwefelgehaltes in der Schwersiederfraktion und eine Reduktion des Schwefelgehaltes in der Leichtsiederfraktion stattfinden. Dementspre- chend kann der Reformierungsbetrieb verbessert werden, da nach der Erzeugung der Fraktionen die schwefel- und PAK- arme Leichtsiederfraktion dem Reformer bereitgestellt, um Wasserstoff zu erzeugen. Hingegen kann die schwersiedende Fraktion einem Nachbrenner des Brennstoffzellensystems zur Verfügung gestellt werden.

Weiterhin kann die erfindungsgemäße Verdampfungsvorrichtung so ausgebildet sein, dass der Verdampfer weiterhin mit einem Schwersiederfraktionsspeicher gekoppelt ist, dem im Be- trieb des Verdampfers eine Schwersiederfraktion des fraktionierten Ausgangsbrennstoffs über den Verdampfer zuführbar ist.

Darüber hinaus ist es besonders vorteilhaft, die erfindungsgemäße Verdampfungsvorrichtung so zu verwirklichen, dass dem Schwersiederfraktionsspeicher über eine weitere Kopplung unmittelbar Ausgangsbrennstoff zuführbar ist. Dies kann insbesondere dann relevant sein, wenn der Verdampfer ausschließlich eine Leichtsiederfraktion aus dem Ausgangs- brennstoff liefert, was sich aus der Art des Ausgangsbrennstoffs und der Betriebstemperatur beziehungsweise Schnitttemperatur des Verdampfers ergeben kann.

In diesem Zusammenhang wird die erfindungsgemäße Verdampfungsvorrichtung derart ausgeführt, dass die weitere Kopplung ein Ventil umfasst, durch das die Zufuhr des Ausgangs- brennstoffs zu dem Schwersiederfraktionsspeicher einstell- bar ist.

Ferner kann die erfindungsgemäße Verdampfungsvorrichtung so ausgebildet sein, dass der Schwersiederfraktionsspeicher einen Anschluss aufweist, der zur Kopplung mit einem Nach- brenner eines BrennstoffZeilensystems vorgesehen ist. Dadurch kann dem Nachbrenner die Schwersiederfraktion zur Verbrennung zugeführt werden, wobei die aus dieser Verbrennung gewonnene Wärme wiederum für den Betrieb des Verdampfers verwendet werden kann. Dadurch umgehen die Katalyator- gifte Schwefel und Russvorläufer die katalytischen Systeme Reformer und Brennstoffzelle, was deren Lebensdauer erhöht.

Darüber hinaus ist es besonders vorteilhaft, die erfindungsgemäße Verdampfungsvorrichtung so auszuführen, dass an dem Verdampfer ein Wärmetauscher vorgesehen ist, mit dem der Verdampfer in einer Wärme tauschenden Beziehung steht. Beispielsweise kann die durch den Nachbrenner erzeugte Wärme dem Verdampfer über diesen Wärmetauscher zugeführt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass im Betrieb des Verdampfers zumindest einem mit dem Verdampfer gekoppelten Spei- eher eine Brennstofffraktion des fraktionierten Ausgangsbrennstoffs über den Verdampfer zugeführt wird. Dadurch ergeben sich die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Verdampfungsvorrichtung erläuterten Eigenschaften und Vorteile in gleicher oder ähnlicher Weise, weshalb zur Vermei- düng von Wiederholungen auf die entsprechenden Ausführungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Verdampfungsvorrichtung verwiesen wird.

Gleiches gilt sinngemäß für die folgenden bevorzugten Aus- führungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei zur Vermeidung von Wiederholungen auch diesbezüglich auf die entsprechenden Ausführungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Verdampfungsvorrichtung verwiesen wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann in vorteilhafter Weise so weitergebildet sein, dass dem Speicher, der als ein Zwischenspeicher ausgebildet ist, im Betrieb des Verdampfers eine Leichtsiederfraktion des fraktionierten Brennstoffs über den Verdampfer zugeführt wird, wobei dem Zwischenspei- eher der Ausgangsbrennstoff zugeführt wird, wenn der Verdampfer bei leerem Zwischenspeicher nicht betrieben wird.

Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verfahren so ausgeführt werden, dass dem Zwischenspeicher der Ausgangsbrennstoff über den Verdampfer zugeführt wird.

In diesem Zusammenhang kann das erfindungsgemäße Verfahren derart verwirklicht werden, dass eine mit dem Verdampfer

gekoppelte Brennstoffpumpe dem Verdampfer den Ausgangs- brennstoff zuführt.

Ferner kann das erfindungsgemäße Verfahren so realisiert werden, dass ein Wärmetauscher eine Wärmeübertragung zwischen der Kopplung zwischen dem Verdampfer und dem Zwischenspeicher und der Kopplung zwischen der Brennstoffpumpe und dem Verdampfer bewirkt .

Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren derart umgesetzt, dass der Zwischenspeicher über einen Anschluss mit einem Reformer eines Brennstoffzellensystems gekoppelt wird.

Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verfahren so weitergebildet sein, dass im Betrieb des Verdampfers einem mit dem Verdampfer gekoppelten Schwersiederfraktionsspeicher eine Schwersiederfraktion des fraktionierten Ausgangsbrennstoffs über den Verdampfer zugeführt wird.

In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, das erfindungsgemäße Verfahren derart zu gestalten, dass dem Schwersiederfraktionsspeicher über eine weitere Kopplung unmittelbar Ausgangsbrennstoff zugeführt wird, wenn der Verdampfer ausschließlich eine Leichtsiederfraktion aus dem

Ausgangsbrennstoff liefert.

In diesem Fall kann das erfindungsgemäße Verfahren so ausgeführt werden, dass durch ein Ventil in der weiteren Kopp- lung die Zufuhr des Ausgangsbrennstoffs zu dem Schwersiederfraktionsspeicher eingestellt wird.

Ferner ist es vorteilhaft, das erfindungsgemäße Verfahren so zu verwirklichen, dass der Schwersiederfraktionsspeicher

über einen Anschluss mit einem Nachbrenner eines Brennstoffzellensystems gekoppelt wird.

Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Verfahren auch so verwirklicht werden, dass ein an dem Verdampfer vorgesehener Wärmetauscher mit dem Verdampfer einen Wärmetausch durchführt .

Im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellen- System, das die erfindungsgemäße Verdampfungsvorrichtung aufweist und/oder die dazu ausgelegt ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen, ergeben sich die vorgenannten Vorteile auf gleiche oder ähnliche Weise.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figur beispielhaft erläutert.

Es zeigt :

Figur 1 ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Verdampfungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figur 1 zeigt ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Verdamp- fungsvorrichtung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Verdampfungsvorrichtung 10 ist im dargestellten Fall an einen Fahrzeugtank 12 eines Kraftfahrzeugs gekoppelt, der einem Verdampfer 20 einen Ausgangsbrennstoff zur Verfügung stellt. Zur Förderung des Ausgangsbrennstoffs zum Verdampfer 20 ist daher eine Brennstoffpumpe 14 mit dem Fahrzeugtank 12 über eine Leitung 50 gekoppelt. Anhand der Brennstoffpumpe 14 ist der Ausgangsbrennstoff in der Leitung 50 förderbar, wobei die Leitung 50 durch einen Wärmetauscher 16 vor Erreichen des Verdampfers 20 verläuft. Der

Verdampfer 20 ist mit einem Zwischenspeicher 18 über eine Leitung 52 gekoppelt, die durch den Wärmetauscher 16 vor Erreichen des Zwischenspeichers 18 verläuft. Der Zwischenspeicher 18 verfügt in diesem Ausführungsbeispiel über ei- nen Anschluss 36, mit dem der Zwischenspeicher 18 durch

Fortführung der Leitung 52 gekoppelt ist. Der Anschluss 36 ist in diesem Fall an einen Brennstoff- beziehungsweise Kraftstoffpfad eines nicht dargestellten Reformers eines BrennstoffZeilensystems angeschlossen. Insbesondere ist der Kraftstoffpfad an in dem Reformer zur Brennstoffeinsprit- zung vorgesehenen Kraftstoffpumpen angeschlossen. Weiterhin weist der Zwischenspeicher 18 eine Rücklaufleitung 44 auf, die von dem Zwischenspeicher 18 in die Leitung 50 zwischen dem Fahrzeugtank 12 und die Brennstoffpumpe 14 mündet. Ebenso ist jedoch denkbar, dass die Rücklaufleitung 44 direkt in den Fahrzeugtank 12 mündet. An dem Verdampfer 20 ist ferner ein Wärmetauscher 22 vorgesehen beziehungsweise angegliedert, der mit dem Verdampfer 20 in einer Wärme ü- bertragenden Beziehung steht. über den Wärmetauscher 22 ist der Verdampfer 20 über eine Leitung 58 mit einem Schwersie- derfraktionsspeicher 28 beziehungsweise Schwersiederanteil- speicher 28 gekoppelt. Dabei verläuft die Leitung 58 vor Erreichen des Schwersiederfraktionsspeichers 28 durch einen Wärmetauscher 24. Weiterhin wird die Leitung 58 nach Durch- laufen des Schwersiederfraktionsspeichers 28 zu einem Anschluss 42 fortgeführt, der in diesem Fall an einen Kraftstoffpfad des Nachbrenners des Brennstoffzellensystems angeschlossen ist. Insbesondere ist durch den Kraftstoffpfad des Nachbrenners eine darin Kraftstoffpumpe mit Kraftstoff belieferbar. Darüber hinaus ist der Schwersiederfraktions- speicher 28 über eine Rücklaufleitung 46 mit der Leitung 50 zwischen dem Fahrzeugtank 12 und der Brennstoffpumpe 14 gekoppelt. Auch in diesem Fall kann die Rücklaufleitung 46 ebenso direkt in den Fahrzeugtank 12 münden. Ferner ist der

Schwersiederfraktionsspeicher 28 über eine Leitung 48 mit der Leitung 50 zwischen dem Fahrzeugtank 12 und der Brennstoffpumpe 14 gekoppelt, wobei ein StrömungsSteuerventil 26 zur Strömungseinstellung in der Leitung 48 vorgesehen ist. Durch den an dem Verdampfer 20 angegliederten Wärmetauscher 22 verläuft weiterhin eine Leitung 54. Die Leitung 54 ist an einen Anschluss 34 gekoppelt. In diesem Fall ist der An- schluss 34 an einen Ausgang eines Abgassystems des nicht dargestellten Brennstoffzellensystems angeschlossen, wo- durch der Anschluss 34 dem Wärmetauscher 22 heißes Abgas liefern kann. Beispielsweise kann das heiße Abgas von einem Ausgang des Nachbrenners des Brennstoffzellensystems stammen. Ausgehend von dem Anschluss 34 verläuft die Leitung 54 durch den Wärmetauscher 22 und weiterhin durch einen Wärme- tauscher 30 und anschließend zu einem Anschluss 40. Der Anschluss 40 ist zur Abführung von kaltem Abgas vorgesehen und kann beispielsweise mit der Atmosphäre verbunden sein. Weiterhin ist ein Anschluss 38 vorgesehen, der in diesem Fall an ein Gebläse des Brennstoffzellensystems zum Liefern von Umgebungsluft angeschlossen ist. Der Anschluss 38 ist mit einer Leitung 56 gekoppelt, die durch den Wärmetauscher 30 und anschließend durch den Wärmetauscher 24 zu einem Anschluss 32 verläuft. Der Anschluss 32 ist zur Abführung von heißer Luft vorgesehen und ist im vorliegenden Fall an das Brennstoffzellensystem zum Liefern von heißer Prozessluft vorgesehen.

Im Folgenden wird die Betriebsweise der erfindungsgemäßen Verdampfungsvorrichtung 10 beschrieben. Das erfindungsgemä- ße Verfahren wird dabei von einem nicht dargestellten Controller gesteuert. Dieser übernimmt beispielsweise die Ansteuerung des Verdampfers 20, der Brennstoffpumpe 14, von Komponenten des Brennstoffzellensystems wie dem Reformer oder Nachbrenner etc. Zunächst wird der Betriebsfall be-

schrieben, in dem der Zwischenspeicher 18 zumindest teilweise mit einer Leichtsiederfraktion des fraktionierten Ausgangsbrennstoffs gefüllt ist. Weiterhin wird davon ausgegangen, dass der Schwersiederfraktionsspeicher 28 zumin- dest teilweise mit einer Schwersiederfraktion des fraktionierten Ausgangsbrennstoffs gefüllt ist. Der Betriebsfall, dass der Zwischenspeicher 18 leer ist, beispielsweise bei einem Erststart der Verdampfungsvorrichtung 10, wird anschließend betrachtet.

Während einer Startphase beziehungsweise Anfahrphase (Kaltstartphase) des mit der Verdampfungsvorrichtung 10 über die Anschlüsse 32, 34, 36, 38, 40, 42 gekoppelten Brennstoff- Zeilensystems ist es zunächst erforderlich, den Reformer, insbesondere den Reformer, der aus der DE 103 59 205 Al bekannt ist, als einen Brenner zu betreiben. In diesem Fall liegt Diesel als Ausgangsbrennstoff in dem Fahrzeugtank 12 vor. Dementsprechend sind Leicht- und Schwersiederfraktio- nen des Ausgangsstoffes Diesel entsprechend in dem Zwi- schenspeicher 18 und dem Schwersiederfraktionsspeicher 28 vorhanden. Dadurch wird der Reformer während der Startphase als ein Diesel-Brenner betrieben, um die zur Reformierung notwendige Temperatur für die in dem Reformer vorgesehenen Katalysatoren zu erreichen. Der Reformer bezieht in diesem Fall von dem Zwischenspeicher 18, der somit auch als

Leichtsiederfraktionsspeicher angesehen werden kann, die Leichtsiederfraktion für seinen Brennbetrieb. Ebenso beziehungsweise zur gleichen Zeit wird dem Nachbrenner des Brennstoffzellensystems die Schwersiederfraktion von dem Schwersiederfraktionsspeicher 28 zugeführt. Daher findet in dem Nachbrenner eine Diesel-Verbrennung statt. Zur besseren Veranschaulichung der Startphase werden ferner vereinfachte Berechnungen angestellt. Dabei wird vereinfacht davon ausgegangen, dass die Heizwerte und Dichten der Leichtsieder-

fraktion und Schwersiederfraktion des Ausgangsbrennstoffs Diesel identisch sind. Ferner wird angenommen, dass die in dem Zwischenspeicher 18 vorliegende Leichtsiederfraktionen beziehungsweise das Destillat 90% v/v der leicht siedenden Stoffe des Ausgangsbrennstoffes enthält. Damit verbrennt der Reformer ausgehend von einer 30 Minuten andauernden Kaltstartphase des Brennstoffzellensystems bei einer benötigten thermischen Leistung von 5 kW 0,42 kg/h des Ausgangsbrennstoffs Diesel, das einer Gesamtmenge von 0,21 kg entspricht. Da der Zwischenspeicher 18, ausreichend befüllt ist, kann der Zwischenspeicher 18 für die gesamte Startphase ausreichend Leichtsiedrefraktionen zur Verfügung stellen, bis der Reformer seinen Brennbetrieb abschließt. Für einen derartigen Reformer mit ca. 5 kW thermischer Leistung ist der Zwischenspeicher 18 näherungsweise so ausgelegt, dass er einen Inhalt von mindestens 0,21 kg Diesel- Brennstoff umfassen kann. Dies entspricht näherungsweise einer größeren Brennstoffmenge, als einer für den Kaltstart erforderlichen Brennstoffmenge . Die Befüllung des Zwischen- Speichers 18 und des Schwersiederfraktionsspeichers 28 wird dabei von dem Verdampfer 20 vorgenommen. Dieser wird jedoch erst dann betrieben, sofern der Verdampfer 20 eine zur Fraktionierung des Ausgangsbrennstoffs erforderliche Temperatur erreicht hat. Dies wird in diesem Ausführungsbeispiel durch den angegliederten Wärmetauscher 22 bewerkstelligt, der von der Leitung 54 zugeführte Wärme auf den Verdampfer beziehungsweise den darin vorliegenden, zu fraktionierenden Ausgangsbrennstoff überträgt. Die Leitung 54 wird von heißem Abgas des Brennstoffzellensystems durchströmt, das in diesem Fall durch den Nachbrennerbetrieb entsteht. Hat der

Verdampfer 20 die zur Fraktionierung erforderliche Temperatur erreicht, so wird ihm der Ausgangbrennstoff über die Leitung 50 mittels der Brennstoffpumpe 14 von dem Fahrzeugtank 12 zugeführt. Dadurch fraktioniert der Verdampfer 20

den Ausgangsbrennstoff in eine Schwersiederfraktion und Leichtsiederfraktion. Die Leichtsiederfraktion wird über die Leitung 52 dem Zwischenspeicher 18 zugeführt. Auf dem Weg zum Zwischenspeicher 18 wird die Leichtsiederfraktion durch den Wärmetauscher 16 abgekühlt, so dass ein Teil der Leichsiederfraktion kondensiert. Die Abkühlung basiert darauf, dass der von dem Fahrzeugtank 12 herrührende Ausgangsbrennstoff relativ kalt ist und die Leitung 50 mit dem Wärmetauscher 16 durchströmt. Im Gegenzug wird der in der Lei- tung 50 vorliegende Ausgangsbrennstoff erwärmt und anschließend nach Durchlaufen des Wärmetauschers 16 dem Verdampfer 20 zugeführt. Dadurch wird die Fraktionierung im Verdampfer 20 zumindest teilweise begünstigt. Weiterhin liefert der Verdampfer 20 dem Schwersiederfraktionsspeicher 28 eine Schwersiederfraktion des Ausgangsbrennstoffs über die Leitung 58. Auf dem Weg zum Schwersiederfraktionsspeicher 28 wird die Schwersiederfraktion durch den Wärmetauscher 24 abgekühlt, wodurch zumindest ein Teil der Schwersiederfraktion kondensiert. Dadurch wird die in der Leitung 56 zum Anschluss 32 strömende Luft wiederum durch die Wärmeübertragung von dem Wärmetauscher 24 erwärmt. Dieser wurde zuvor durch den Wärmetauscher 30 bereits Wärme zugeführt, die von dem Abgas des Nachbrenners stammt. Da das Abgas des Nachbrenners jedoch bereits den Wärmetauscher 22 durchlaufen hat und eine große Wärmemenge dort abgeführt hat, wird der Luft in der Leitung 56 nur im geringeren Maße Wärme durch den Wärmetauscher zugeführt. Für den Fall, dass der Zwischenspeicher 18 und der Schwersiederfraktionsspeicher 28 einen maximal zulässigen Füllstand erreicht haben, sind jeweils die Rücklaufleitungen 44 und 46 vorgesehen, um die entsprechenden Fraktionen zur Leitung 50 rückzuführen. Ebenso wird in diesem Ausführungsbeispiel eine Entlüftung in den Rücklaufleitungen 44 und 48 vorgenommen, damit keine Dampfblasen vor die Brennstoffpumpe 14 gelangen und die

Brennstoffförderung der Brennstoffpumpe 14 negativ beeinträchtigen. Ist die Startphase abgeschlossen und der Reformer kann seinen Reformierungsbetrieb aufnehmen, so kann der aus dem Zwischenspeicher 18 fraktionierte Ausgangsbrenn- stoff weiterhin dem Reformer zugeführt werden, da der Verdampfer 20 durch die Fraktionierung ständig die entsprechenden Fraktionen des Ausgangsbrennstoffs erzeugt und nachfördert. In diesem Fall arbeitet der Reformer dann als Wasserstofferzeuger beziehungsweise als Synthesegasgenera- tor. Da die Betriebsdauer der Reformierung mehrere Stunden beträgt, ist davon auszugehen, dass der Zwischenspeicher 18 nach Beendigung der Reformierung immer ausreichend mit fraktioniertem Brennstoff für die Startphase gefüllt ist. Die während der Reformierung erzeugte Leichtsiederfraktion wird damit ebenso direkt für die Reformierung verwandt. Da das Verhältnis von produzierten und angeforderten Leichtsiederfraktionsströmen brennstoffbedingt variieren kann, beispielsweise abhängig von der Ausgangsbrennstoffqualität, wird der Zwischenspeicher 18 mit einer überforderung be- trieben, um auch während des Reformierungsbetriebs des Reformer permanent ausreichend Leichtsiederfraktionen liefern zu können. Im Hinblick auf die überförderung der Leichtsiederfraktionen ist jedoch ein Siedelinienverlauf des verwendeten Brennstoffs heranzuziehen. Beispielsweise kann eine Brennstoffpumpe 14 verwendet werden, die zur Förderung von 0,42 kg/h ca. 30 W elektrische Leistung braucht. Da eine überförderung von beispielsweise 12% angesichts einer derartig geringen elektrischen Leistungsaufnahme verglichen mit einer elektrischen Gesamtleistung eines Brennstoffzel- lensystems, insbesondere eines SOFC-Brennstoffzellen- systems, von 1 kW als gering anzusehen ist, ist das Betreiben der Brennstoffpumpe 14 zur überförderung schon mit geringen elektrischen Aufwand möglich.

In Hinblick auf die speziell verwendeten Ausgangsbrennstoffe wird im Folgenden das Betreiben des Verdampfers 20 näher erläutert. Insbesondere wird auf eine Betriebstemperatur beziehungsweise eine Schnitttemperatur (cut point) des Ver- dampfers 20 eingegangen. Zunächst wird als Ausgangsbrennstoff Biodiesel näher betrachtet, dessen Siedelinienverlauf oberhalb von Siedekurven von fossilen Diesel-Brennstoffen liegt und sehr flach verläuft. Wird der Verdampfer 20 mit der Schnitttemperatur von 300 ⁰ C betrieben, so erhält man im Falle von Biodiesel keine Leichtsiederfraktion, sondern lediglich 100% Schwersiederfraktion. In diesem Fall wird die erfindungsgemäße Verdampfungsvorrichtung 10 so betrieben, dass eine Biodieselzufuhr in den Zwischenspeicher 18 unabhängig von dem Verdampfer 18 erfolgt. Dies könnte bei- spielsweise über eine separate Leitung, welche nicht dargestellt ist, erfolgen. Dadurch kann der Reformer letztlich auch mit Biodiesel betrieben werden. Ebenso kann aber auch die Schnitttemperatur angehoben werden. Bei Verwendung des arctic-Diesels als Ausgangsbrennstoff ist der Verlauf der Siedelinie unterhalb derjenigen von fossilen Dieselbrennstoffen gelegen. In diesem Fall würde eine Schnitttemperatur des Verdampfers 20 von 300 ⁰ C zu 100% Leichtsiederfrak- tionen und keinen Schwersiederfraktionen führen. In diesem Fall kann der Reformierungsbetrieb des Reformers ohne wei- teres aufgenommen werde. Ebenso ist die Verwendung dieses

Brennstoffs aufgrund geringer polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe (PAK) und im Allgemeinen geringer Schwefelgehalte des arctic-Diesels bei der Reformierung vorteilhaft. Insbesondere wird bei der katalytischen partiellen Oxidation von Biodiesel und arctic-Diesel mit Verbrennungs- abgasen an beispielsweise CPOX-Katalysatoren des Reformers weit weniger Ruß gebildet als bei fossilen Brennstoffen für gemäßigte Klimazonen. Um dem Brennstoffzellensystem für dessen Start die benötigten Schwersiederfraktionen bereit-

zustellen, kann beispielsweise eine zusätzliche Ankopplung an eine schwefelreiche Brennstoffstrecke bereitgestellt werden. Weiterhin kann in diesem Fall, um eine Rückströmung in den Verdampfer 20 entgegenzuwirken, ein Sperrventil vor- gesehen sein. Ebenso ist auch eine Androsselung denkbar.

Im Folgenden soll nun der Fall betrachtet werden, bei dem der Zwischenspeicher leer ist, beispielsweise bei einem ersten Kaltstart oder eine ersten Inbetriebnahme. Liegt dieser Zustand vor, so wird in diesem Fall die Verdampfungsvorrichtung 10 geflutet. Das heißt, dass die Brennstoffpumpe 14 zur Ausgangsbrennstoffförderung betrieben wird, der Verdampfer 20 jedoch nicht seine Betriebstemperatur erreicht hat und dementsprechend nicht fraktioniert. Daher wird zumindest die Leitung 50, der Verdampfer 20 und die Leitung 52 geflutet, um den Zwischenspeicher 18 zu füllen. Folglich wird gewährleistet, dass beispielsweise für die erste Inbetriebnahme oder den ersten Kaltstart des Reformers Ausgangsbrennstoff in dem Zwischenspeicher 18 zur Verfügung steht. Dass in diesem Fall der nicht fraktionierte Ausgangsbrennstoff in dem Zwischenspeicher 18 vorliegt, ist unerheblich, da der Reformer zunächst während des Kaltstarts als Brenner betrieben wird und Rußvorläufer idealerweise verbrannt werden. Dadurch findet keine Beeinträchti- gung des Reformierungsbetriebs statt. Alternativ kann im

Falle der ersten Inbetriebnahme die Verdampfung durch eine in dem Verdampfer vorgesehene Zusatzheizung bewerkstelligt werden. Dadurch kann selbst während der Kaltstartphase der Ausgangsbrennstoff fraktioniert werden.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.