DE10002000A1 - Zerstäubungsanordnung - Google Patents

Zerstäubungsanordnung

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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Zerstäubungsanordnung für ein Gas-Flüssigkeitsgemisch, insbesondere zum Eintrag in einen chemischen Reformer zur Erzeugung von Wasserstoff, die mindestens eine Gaszuleitung (10, 10') für die Zufuhr eines Gasstroms (11, 11') und mindestens eine Flüssigkeitszuleitung für die Zufuhr eines Flüssigkeitsstroms enthält. Die Gaszuleitung (10, 10') weist zumindest eine erste Verzweigungsstelle (14, 14') auf, an der ein Teilstrom (21, 21') des Gasstroms (11, 11') in eine als Bypass ausgeführte Seitenleitung (20, 20') ableitbar ist. In die Seitenleitung (21, 21') mündet der Flüssigkeitsstrom an einer Austrittsstelle (26) der Flüssigkeitszuleitung. Die Gaszuleitung (10, 10') weist mindestens eine zweite Verzweigungsstelle (16) auf, an der die Seitenleitung (20) mit dem den Flüssigkeitsstrom enthaltenden Teilstrom (21, 21') wieder zuführbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zerstäubungsanordnung ins­ besondere zum Eintrag eines Gas/Flüssigkeitsgemisches in einen chemischen Reformer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Unter den alternativen Antriebskonzepten für Kraftfahr­ zeuge finden zur Zeit vor allem brennstoffzellenge­ stützte Systeme eine verstärkte Aufmerksamkeit. Diese Systeme beinhalten üblicherweise PEM-Brennstoffzellen (PEM: Polymer Electrolyte Membrane), die mit Wasser­ stoff und Luft als Energieträger betrieben werden.
Da sich die Betankung und Speicherung von Wasserstoff im Kraftfahrzeug nach wie vor als problematisch er­ weist, wird der Wasserstoff in einer vorgeschalteten Reformerstufe aus gut zu handhabenden Kraftstoffen wie beispielsweise Methanol, Methan, Diesel oder Benzin je nach Bedarf direkt "on board" hergestellt und sofort verbraucht. Die dabei zum Einsatz kommenden Reformer stellen chemische Reaktoren dar, mit deren Hilfe die Kraftstoffe unter Luft- und Feuchtigkeitszusatz bei­ spielsweise bei 800°C an beheizten Katalysatoren partiell zu Wasserstoff und weiteren Folgeprodukten wie CO und CO2 oxidiert werden.
Dabei kommt der Beschickung des Reformers mit den für die Reaktion benötigten Edukten eine große Bedeutung zu. Üblicherweise werden alle Edukte wie Luft, Wasser und Kraftstoff in gasförmigem Zustand dem Reformer zu­ geführt. Dies erfordert einen Vorverdampfer, der in der Lage ist, die entsprechenden Mengen an gasförmigem Kraftstoff und Wasserdampf zur Verfügung zu stellen.
Während der Kaltstartphase kommt es allerdings zu Pro­ blemen, da die flüssigen Edukte dann nicht über die Ab­ wärme des Reformers verdampft werden können, sondern nur mittels eines elektrisch beheizten Verdampfers. Auch bei sich abrupt ändernden Lastwechselanforderungen sind konventionelle Verdampfer nicht in der Lage, ver­ zögerungsfrei die entsprechenden Mengen an gasförmigen Reaktanden zu erzeugen.
Alternativ wurden daher Konzepte entwickelt, Treibstof­ fe und Wasser in flüssiger Form direkt in den Reformer einzudüsen. Um jedoch eine möglichst optimale Reakti­ onsführung im Reformer zu gewährleisten, müssen die flüssigen Edukte in feinstverteilter Form in den Refor­ mer eingetragen werden. In der US-PS 3,971,847 wird ein Reaktor zur Herstellung von Wasserstoff beschrieben, der eine Düse beinhaltet, mit deren Hilfe flüssige Koh­ lenwasserstoffe in einen Luftstrom eingesprüht werden. Der entstehende Nebel wird an Ablenkplatten verwirbelt bevor er in die eigentliche Reaktionszone gelangt. Das zur Reaktion benötigte Wasser wird jedoch separat in einem Vorverdampfer verdampft.
Die zu lösende Aufgabe besteht darin, eine Zerstäu­ bungsanordnung für die gleichzeitige Zerstäubung von Wasser und flüssigen Kraftstoffen bereitzustellen, wo­ bei die Zerstäubungsanordnung einen sehr hohen Zerstäu­ bungs- und Vermischungsgrad der Edukte und darüber hin­ aus eine verzögerungsfreie Zudosierung der flüssigen Edukte gewährleisten soll.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Zerstäubungsanordnung und das Ver­ fahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 weist den Vorteil auf, daß ein Gas/Flüssigkeitsgemisch erzeugt wird, das sich durch einen hohen Zerstäubungsgrad und eine gute Durch­ mischung der Reaktanden auszeichnet. Darüber hinaus wird ein gutes Kaltstartverhalten des Systems und eine adäquate Reaktionsfähigkeit auf dynamische Lastwechsel gewährleistet.
Der hohe Zerstäubungsgrad wird erreicht, indem dem der Gasstrom, in den die zu zerstäubende Flüssigkeit einge­ tragen werden soll, in einen Haupt- und einen Teil­ gasstrom aufgespalten wird, der Teilstrom in eine Vor­ mischkammer mündet, in die die zu zerstäubende Flüssig­ keit eingespritzt wird und das dabei entstehende Gas/Flüssigkeitsgemisch in den Hauptgasstrom zurückge­ führt und mit diesem homogen vermischt wird. Besonders vorteilhaft ist dabei, daß sich die Drosselverluste in­ nerhalb der Zerstäubungsanordnung minimieren lassen, da nur ein kleiner Teil des Gesamtgasstroms den strömungs­ technisch ungünstigen Weg über die Vormischkammer nimmt und trotzdem eine gute Zerstäubung und Vermischung der flüssigen Komponenten stattfindet.
Aufgrund der rein gasunterstützten Zerstäubung der Flüssigkeiten sind nur geringe Flüssigkeitsdrücke erforderlich und der Einbau kostspieliger Hochdruckpumpen entfällt.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Zerstäubungsanordnung möglich.
So ist es besonders vorteilhaft, wenn die flüssigen Komponenten dem Reformer je nach Bedarf auch in gasför­ miger Form zur Verfügung gestellt werden können. Dies ist durch eine beheizbare Vormischkammer gewährleistet. Des weiteren ist es von Vorteil, wenn an der Verzwei­ gungsstelle, an der der mit Flüssigkeit beladene Teil­ gasstrom in den Hauptgasstrom zurückgeführt wird eine möglichst effektive Vermischung von Teil- und Haupt­ gasstrom stattfindet. Dies wird erreicht, indem die Hauptgasleitung im Bereich der Verzweigungsstelle eine Querschnittsverengung, bevorzugt in Form eines Venturi­ rohres, aufweist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind zwei separate Gaszuleitungen für Wasserdampf und Luft vorge­ sehen, die jeweils eine Verzweigung für einen Haupt- und einen Teilgasstrom aufweisen. Beide Teilgasströme werden der Vormischkammer zugeführt. Diese Anordnung gestattet eine gute Voreinstellung des in der Vormisch­ kammer erzeugten Gemisches.
Zeichnungen
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Zerstäubungsanordnung und Fig. 2 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels.
Ausführungsbeispiele
Die in Fig. 1 dargestellte Zerstäubungsanordnung um­ faßt eine Gaszuleitung 10, die von einem Gasstrom 11 durchströmt wird und einen Bereich 12 beinhaltet, der einen reduzierten Strömungsquerschnitt aufweist und vorzugsweise als Venturirohr ausgestaltet ist. Die Gas­ zuleitung weist weiterhin eine erste und eine zweite Verzweigungsstelle 14, 16 auf. An der ersten Verzwei­ gungsstelle 14 zweigt eine als Bypass ausgeführte Sei­ tenleitung 20 ab, die einen Teilstrom 21 des Gasstroms 11 einer Vormischkammer 22 zuführt. Am austrittsseiti­ gen Ende der Vormischkammer 22 setzt sich die Seiten­ leitung 20 fort und mündet an der zweiten Verzweigungs­ stelle 16 in die Gaszuleitung 10. Die Verzweigungsstel­ le 16 befindet sich dabei im Bereich 12 der Gaszulei­ tung 10, der bevorzugterweise als Venturirohr ausge­ staltet ist. Dabei ist eine Position im Bereich des kleinsten Strömungsquerschnitts des Venturirohres, der auch als Kehlquerschnitt bezeichnet wird, besonders vorteilhaft.
In die Vormischkammer 22 ist eine Austrittsöffnung 26 in Form einer Zerstäubungsdüse integriert, die die über eine Flüssigkeitszuleitung zugeführten flüssigen Edukte wie Wasser und/oder Kraftstoff mit den gasförmigen Edukten, die den Teilstrom 21 bilden, homogen ver­ mischt. Als Zerstäubungsdüse können die üblichen, der Fachwelt geläufigen Düsen, wie Lochstrahldüse, Schirm­ strahlventil u. a. verwendet werden.
Um eine gute Vermischung zu gewährleisten, enthält die Vormischkammer 22 beispielsweise zusätzlich einen in die Kammerwand integrierten Ringkanal, in den der Teil­ gasstrom 21 einmündet. Alternativ kann der Teilstrom 21 der Vormischkammer 22 auch tangential zugeführt werden.
Zwischen der ersten Verzweigungsstelle 14 und dem Ab­ schnitt der Querschnittsverengung 12 weist die Gaszu­ leitung 10 ein Mittel zur Regulierung des Gasvolumen­ stroms, bevorzugterweise eine Drosselklappe 18 auf. Sie regelt die prozentuale Aufteilung des Gasstroms 11 in einen Restgasstrom 11a und den Teilgasstrom 21. Dabei ist aus strömungstechnischen Gründen ein möglichst ge­ ringer Anteil des Teilgasstromes 21 am Hauptgasstrom 11 wünschenswert.
Der Gasstrom 11 setzt sich im wesentlichen aus den gas­ förmigen Edukten des Reformers zusammen und enthält vor allen Dingen Luft, Wasserdampf oder auch gasförmige Kraftstoffe. Diese können schon vor Eintritt in die er­ findungsgemäße Zerstäubungsanordnung vermischt sein; es ist aber auch möglich, Wasserdampf bzw. gasförmige Kraftstoffe dem Gasstrom 11 innerhalb der Zerstäubungs­ anordnung, beispielsweise zwischen den Verzweigungs­ stellen 14, 16 zuzuführen oder erst nach dem Verlassen der Zerstäubungsanordnung. Diese Möglichkeiten sind in Fig. 1 durch die Pfeile A gekennzeichnet.
Als flüssige Edukte werden der Zerstäubungsanordnung Wasser und flüssige Kraftstoffe wie Benzin, Diesel, Methanol, Methanol-Wassermischungen oder Benzin-Wasser­ emulsionen zugeführt. Die flüssigen Edukte können dabei wahlweise einzeln oder gemischt dem Teilgasstrom 21 zu­ geführt werden. Alternativ kann für jedes flüssige Edukt eine eigene Austrittsstelle 26 vorgesehen werden.
In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der er­ findungsgemäßen Zerstäubungsanordnung dargestellt. Es sind zwei separate Gaszuleitungen 10, 10' vorgesehen, die es ermöglichen, der erfindungsgemäßen Zerstäubungs­ anordnung die gasförmigen Edukte wie Luft, Wasserdampf und ggf. vorverdampften Kraftstoff einzeln zuzuführen. Die Gaszuleitung 10' weist eine weitere erste Verzei­ gungsstelle 14' auf, an der ein weiterer Teilgasstrom 21' in eine weitere Seitenleitung 20' abzweigt. Die weitere Seitenleitung 20' mündet, wie auch die Seiten­ leitung 20, in die Vormischkammer 22.
In Strömungsrichtung des Gasstroms 11' der Verzwei­ gungsstelle 14' nachgeordnet befindet sich in der wei­ teren Gaszuleitung 10' als weiteres Mittel zur Regulie­ rung des Gasvolumenstroms eine weitere Drosselklappe 18'. Die weitere Gaszuleitung 10' mündet beispielsweise zwischen Drosselklappe 18 und dem Bereich der Quer­ schnittsverengung 12 in die Gaszuleitung 10. Es ist aber auch möglich, die Gaszuleitungen 10, 10' erst in Strömungsrichtung des Gasstroms 11, 11' nach der Zer­ stäubungsanordnung zusammenzuführen. Diese Möglichkei­ ten sind in Fig. 2 durch die Pfeile A' gekennzeichnet.
Alle Komponenten der Zerstäubungsanordnung sind bei­ spielsweise aus rostfreiem Stahl gefertigt, es lassen sich aber auch andere beständige und korrosionsfeste Materialien verwenden.
Zur Erzeugung des Wasserstoffs im nachgeschalteten Re­ former können je nach Anforderungen verschiedene Edukt­ gemische zum Einsatz kommen. So läßt sich Wasserstoff durch partielle Oxidation von Kraftstoffen unter Zusatz von wahlweise Wasserdampf, Luft oder einem Gemisch aus beidem gewinnen. Die Umsetzung erfolgt üblicherweise an einem beheizbaren Katalysator, wobei als Kraftstoffe Benzin, Diesel, Methan oder Methanol verwendet werden können. Weiterhin eignen sich auch Methanol- Wassermischungen oder Benzin-Wasseremulsionen.
Je nach Lastanforderung an die Brennstoffzelle sind verschiedene Betriebszustände des Reformers bzw. des Gesamtsystems zu unterscheiden. Die erfindungsgemäße Zerstäubungsanordnung ist auch bei wechselnden Be­ triebszuständen stets in der Lage, die benötigten Eduk­ te in der erforderlichen Menge und Zusammensetzung dem System zur Verfügung zu stellen.
Unter stationären Betriebsbedingungen müssen dem Refor­ mer Luft und/oder Wasserdampf zugeführt werden. Dabei können Luft und Wasserdampf entweder in bereits vorge­ mischter Form oder als weitestgehend getrennte Gasströ­ me dem Reformer zuführt werden. Der flüssige Kraftstoff wird beispielsweise an der Austrittsöffnung 26 über ei­ ne Zerstäubungsdüse der Zerstäubungsanordnung zugeführt und gelangt in feinstverteilter Form in den Teilstrom 21, 21', wird mit dem Restgasstrom 11a vermischt und gelangt als homogenes Gas/Flüssigkeitsgemisch in den Reformer. Je nach Betriebszustand des Reformers kann der Zerstäubungsanordnung auch Wasser über die Aus­ trittsstelle 26 zugeführt werden. Dies ist vor allen Dingen bei abrupten Lastwechselvorgängen von Bedeutung. Weiterhin ist es möglich, der Zerstäubungsanordnung Kraftstoff/Wassermischungen zuzuführen.
Während der Kaltstartphase des Systems steht kein Was­ serdampf zur Verfügung und das Wasser wird in flüssiger Form dem Reformer zugeführt. Der hohe Zerstäubungsgrad der von der erfindungsgemäßen Zerstäubungsanordnung er­ zeugten Gas/Flüssigkeitsgemische bewirkt eine deutliche Beschleunigung des Startvorgangs. Ergänzend kann das Startverhalten durch einen beheizten Katalysator im Re­ former weiter verbessert werden.
Wird die erfindungsgemäße Zerstäubungsanordnung mit ei­ nem entsprechenden Dosiersystem für die gasförmigen und flüssigen Edukte gekoppelt, so ergibt sich vorteilhaft eine räumliche Trennung von Dosierung und Zerstäubung. Dies ist vor allem dann von Bedeutung, wenn die Zer­ stäubungsanordnung in die Reaktorwand des Reformers in­ tegriert wird, da beispielsweise Dosierventile bei ge­ ringer räumlicher Distanz zum Reformer aufwendig ge­ kühlt werden müßten.
Die erfindungsgemäße Zerstäubungsanordnung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern es sind weitere Ausgestaltungen einer Zerstäu­ beranordnung, die auf einer gasstromunterstützten Zer­ stäubung beruhen, denkbar.

Claims (12)

1. Zerstäubungsanordnung für ein Gas/Flüssigkeitsgemisch, insbesondere zum Eintrag in einen chemischen Reformer zur Erzeugung von Wasserstoff, mit mindestens einer Gaszuleitung für die Zufuhr eines Gasstroms und mindestens einer Flüssig­ keitszuleitung für die Zufuhr eines Flüssigkeitsstroms, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszuleitung (10, 10') zumindest eine erste Verzeigungsstelle (14, 14') auf­ weist, an der ein Teilstrom (21, 21') des Gasstroms (11, 11') in eine als Bypass ausgeführte Seitenleitung (20, 20') ableitbar ist, in die der Flüssigkeitsstrom an einer Austrittsstelle (26) der Flüssigkeitszuleitung mündet, und daß die Gasleitung (10, 10') mindestens eine zweite Verzweigungsstelle (16) aufweist, an der die Seitenleitung (20) mit dem den Flüssigkeitsstrom enthaltenden Teilstrom (21, 21') der Gaszuleitung (10) wieder zuführbar ist.
2. Zerstäubungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenleitung (20, 20') eine Vormischkammer (22) aufweist, in der sich die Austrittsstelle (26) befindet.
3. Zerstäubungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Vormischkammer (22) be­ heizbar ist.
4. Zerstäubungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszuleitung (10) im Bereich der zweiten Verzweigungsstelle (16) einen Bereich mit verengtem Querschnitt (12) aufweist.
5. Zerstäubungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszuleitung (10) im Bereich der zweiten Verzweigungsstelle (16) als Venturirohr ausgestaltet ist und sich die zweite Verzweigungsstelle (16) im Bereich des geringsten Querschnitts der Gaszuleitung (10) befindet.
6. Zerstäubungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsstelle (26) als Zerstäubungsdüse ausgestaltet ist.
7. Zerstäubungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Flüssigkeiten Wasser und/oder ein Kraftstoff zuleitbar sind.
8. Zerstäubungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vor­ mischkammer (22) ein Mittel zur Verdrallung des Teil­ stroms (21, 21'), vorzugsweise einen Ringkanal, auf­ weist.
9. Zerstäubungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vormischkammer (22) zylindrisch ausgestaltet ist und der Teilstrom (21, 21') zur Vermeidung von Inhomogenitäten tangential in die Vormischkammer (22) einleitbar ist.
10. Zerstäubungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Gaszuleitung (10, 10') in Strömungsrichtung des Gasstroms (11, 11') zwischen der ersten Verzweigungs­ stelle (14, 14') und der zweiten Verzweigungsstelle (16) ein Mittel zur Regulierung des Gasvolumenstroms, vorzugsweise eine Drosselklappe (18), vorgesehen ist.
11. Zerstäubungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß minde­ stens eine zweite Gaszuleitung (10') vorgesehen ist, von der an einer weiteren Verzweigungsstelle (14') ein weiterer Teilstrom (21') in eine weitere Seitenleitung (20') abzweigt, die der Vormischkammer (22) zugeführt ist.
12. Verwendung einer Zerstäubungsanordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Zerstäubung flüssiger Edukte eines Reformers für Brennstoffzellen.
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