DE10018047A1 - Process for catalytically treating medium used in vehicle fuel cell comprises heating medium using microwave emitter - Google Patents

Process for catalytically treating medium used in vehicle fuel cell comprises heating medium using microwave emitter

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Abstract

Process for catalytically treating a medium used in a vehicle fuel cell comprises heating the medium using a microwave emitter. An Independent claim is also included for a device for catalytically treating a medium used in a vehicle fuel cell. The device is connected to a heating device (11) formed as a microwave emitter. Preferred Features: The device has a mixing chamber (12) for mixing fuel and medium containing water; and a catalytic reactor (13) connected to the mixing chamber.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur katalytischen Behandlung eines insbesondere für eine Brennstoffzelle eines Fahrzeugs vorgesehenen Mediums, wobei die Vorrichtung mit einem Erwärmungsmittel wirkverbunden ist, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a device for the catalytic treatment of a particular medium provided for a fuel cell of a vehicle, the device is operatively connected to a heating means, according to the preamble of claim 1.

Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum katalytischen Behandeln eines insbesondere einer Brennstoffzelle eines Fahrzeugs zuzuführenden Mediums, wobei das Medium zur katalytischen Behandlung erwärmt wird, entsprechend Oberbegriff des An­ spruchs 6.The invention further relates to a method for the catalytic treatment of a in particular to be supplied to a fuel cell of a vehicle, the Medium for catalytic treatment is heated, according to the preamble of the An Proverbs 6

Vorrichtungen und Verfahren der hier angesprochenen Art sind bereits bekannt. Dabei ist das zur katalytischen Behandlung zu erwärmende Medium ein Gemisch aus Kraftstoff, Wasser und gegebenenfalls Luft. Nach Erwärmung des Gemischs auf eine erhöhte Tem­ peratur erfolgt eine erwünschte chemische Reaktion. Bei dem in flüssiger Form vorlie­ genden Kraftstoff kann es sich um einen Kohlenwasserstoff, wie Methanol, oder um ein komplexes Gemisch verschiedener Kohlenwasserstoffe, wie beispielsweise Benzin oder Diesel, handeln. Diese flüssigen Kraftstoffe werden einem sogenannten "Reformer" zu­ geführt, der als katalytischer Reaktor ausgebildet ist und in welchem aus dem kohlen­ wasserstoffhaltigen Kraftstoff ein wasserstoffreiches Gas erzeugt wird. Dies geschieht in Form einer Umwandlung der Kraftstoffe in dem Reformer in Kohlendioxid, beziehungs­ weise Kohlenmonoxid, und Wasserstoff. Die Betriebstemperatur derartiger Reformer liegt üblicherweise deutlich oberhalb der Umgebungstemperatur. Das Kraftstoffgemisch, be­ stehend aus Kraftstoff, Wasser und gegebenenfalls Luft, wird vor Eintritt in den Reformer verdampft und überhitzt. Die Erwärmung des Gemischs erfolgt mittels aufwendiger Wär­ meübertragungsmittel, Verbrennung von überschüssigem Wasserstoff oder Verbrennung von flüssigem Kraftstoff, wie zum Beispiel Methanol. Nachteilhafterweise erlauben diese bekannten Erwärmungsmittel keine effektive und insbesondere schnelle Erwärmung ei­ nes katalytisch zu behandelnden Mediums beziehungsweise Kraftstoffgemischs.Devices and methods of the type mentioned here are already known. It is the medium to be heated for the catalytic treatment is a mixture of fuel, Water and possibly air. After heating the mixture to an elevated tem a desired chemical reaction occurs. The one in liquid form The fuel can be a hydrocarbon, such as methanol, or a complex mixture of different hydrocarbons, such as gasoline or Diesel, act. These liquid fuels become a so-called "reformer" performed, which is designed as a catalytic reactor and in which from the coal hydrogen-containing fuel a hydrogen-rich gas is generated. This happens in Form of conversion of the fuels in the reformer to carbon dioxide, respectively wise carbon monoxide, and hydrogen. The operating temperature of such reformers is usually well above the ambient temperature. The fuel mixture, be standing out of fuel, water and possibly air, is before entering the reformer evaporates and overheats. The mixture is heated by means of complex heat Means of transmission, combustion of excess hydrogen or combustion of liquid fuel, such as methanol. Unfortunately, these allow known heating means no effective and in particular rapid heating medium or fuel mixture to be catalytically treated.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genann­ ten Art vorzuschlagen, welche eine zuverlässige und schnelle Erwärmung eines kataly­ tisch zu behandelnden Mediums ermöglichen.It is an object of the invention, a device and a method of the aforementioned to propose a type that reliably and quickly heats a cataly Allow table medium to be treated.

Zur Lösung der Aufgabe wird eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vor­ geschlagen, die sich dadurch auszeichnet, dass das Erwärmungsmittel als Mikrowellen­ sender ausgebildet ist. Hierbei wird unter Mikrowellensender ein Sender von kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung verstanden. Ein als Mikrowellensender ausgebildetes Er­ wärmungsmittel ist besonders geeignet, eine zuverlässige und schnelle Erwärmung eines Mediums vor der katalytischen Behandlung zu gewährleisten. Hierdurch ist es insbeson­ dere möglich, das Startverhalten von Brennstoffzellenfahrzeugen derart zu verbessern, dass besonders kurze Startzeiten aufgrund der schnellen Erwärmung des katalytisch zu behandelnden Mediums mittels Mikrowellenanregung zu realisieren sind. Dabei ist ein Mikrowellensender in Kooperation mit einer Steuereinheit besonders zur Temperaturre­ gelung des katalytisch zu behandelnden Mediums während des Betriebs der Vorrichtung und der mit ihr in Wirkverbindung stehenden Brennstoffzelle geeignet.To achieve the object, a device with the features of claim 1 is provided struck, which is characterized in that the heating means as microwaves transmitter is trained. Here, a transmitter of short-wave is used under microwave transmitters understood electromagnetic radiation. An Er designed as a microwave transmitter warming agent is particularly suitable for reliable and quick heating of a Ensure medium before the catalytic treatment. This is especially so possible to improve the starting behavior of fuel cell vehicles in such a way that particularly short start times due to the rapid warming of the catalytically treating medium can be realized by means of microwave excitation. There is one Microwave transmitter in cooperation with a control unit especially for temperature control gelation of the medium to be catalytically treated during the operation of the device and the fuel cell that is operatively connected to it.

Mit Vorteil weist die Vorrichtung eine Mischkammer zur Vermischung des Kraftstoff und Wasser enthaltenden Mediums auf. Die Mischkammer dient zu einer zuverlässigen und schnellen Vermischung der Bestandteile des Mediums, welches aus flüssigem Kraftstoff (Methanol oder Benzin oder Diesel), Wasser und gegebenenfalls Luft besteht. Der Kraft­ stoff und das Wasser werden aus einem Tank gepumpt und in die Mischkammer einge­ düst. Dabei können Kraftstoff und Wasser in einem vorangegangenen Schritt gegebe­ nenfalls vorgemischt werden. Bei Bedarf kann in die Mischkammer auch Luft hinzugeführt werden. In der Mischkammer werden die Edukte intensiv beispielsweise mittels einer Drallströmung vermischt.The device advantageously has a mixing chamber for mixing the fuel and Medium containing water. The mixing chamber serves as a reliable and rapid mixing of the components of the medium, which consists of liquid fuel (Methanol or petrol or diesel), water and possibly air. The force The substance and the water are pumped out of a tank and fed into the mixing chamber gloomy Fuel and water can be given in a previous step if necessary, be premixed. If necessary, air can also be added to the mixing chamber become. The starting materials are intensified in the mixing chamber, for example by means of a Swirl flow mixed.

Mit Vorteil weist die Vorrichtung einen katalytischen Reaktor auf, der eingangsseitig mit der Mischkammer in Wirkverbindung steht. Der katalytische Reaktor dient als Reformer, in welchem bei einer bestimmten Betriebstemperatur eine Reformierungsreaktion von Kohlenwasserstoff zu CO, beziehungsweise CO2, und H2 stattfinden kann. Hierzu ist der Reformer mit aus einem Keramikmaterial oder Metall (Trägermaterial), wie zum Beispiel Siliziumcarbid (SIC), hergestellten Trägerelementen versehen, welche eine katalytisch beschichtete Oberfläche aufweisen. The device advantageously has a catalytic reactor which is operatively connected on the inlet side to the mixing chamber. The catalytic reactor serves as a reformer, in which a reforming reaction of hydrocarbon to CO, or CO 2 , and H 2 can take place at a certain operating temperature. For this purpose, the reformer is provided with carrier elements made of a ceramic material or metal (carrier material), such as silicon carbide (SIC), which have a catalytically coated surface.

Gemäß einer ersten alternativen Ausführungsform ist der Mikrowellensender mit der Mischkammer wirkverbunden. In dieser Weise kann insbesondere das in der Mischkam­ mer vorliegende flüssige Wasser von der Mikrowellenenergie angeregt, verdampft und überhitzt werden. Durch den intensiven Kontakt aller Substanzen (Kraftstoff, Wasser, gegebenenfalls Luft) in der Mischkammer erwärmen sich vorteilhafterweise auch nicht angeregte Substanzen nahezu in gleicher Weise. Die Wirkverbindung des Mikrowellen­ senders mit der Mischkammer erlaubt somit eine schnelle und zuverlässige Vermischung und gleichzeitige Erwärmung der einzelnen Substanzen des katalytisch zu behandelnden Mediums.According to a first alternative embodiment, the microwave transmitter with the Mixing chamber operatively connected. In this way, especially in the mix mer present liquid water is excited, evaporated and be overheated. Due to the intensive contact of all substances (fuel, water, if necessary, air) in the mixing chamber advantageously also does not heat up excited substances in almost the same way. The active connection of the microwave transmitter with the mixing chamber thus allows quick and reliable mixing and simultaneous heating of the individual substances to be treated catalytically Medium.

Entsprechend einer zweiten alternativen Ausführungsform ist der Mikrowellensender mit dem katalytischen Reaktor wirkverbunden. Das Material der Trägerelemente, welches verschiedene Materialien, wie beispielsweise Siliziumcarbid (SIC) oder Metalllegierungen (insbesondere kohlenstoffhaltige Verbindungen) sein können, ist mittels Mikrowellen thermisch anregbar und gewährleistet innerhalb sehr kurzer Zeit eine zuverlässige Er­ wärmung des katalytisch zu behandelnden Mediums im Reformer. Das im Reformer vor­ liegende Gemisch aus Kraftstoff und Wasser (reine Dampfreformierung) beziehungswei­ se das zweifasige Gemisch aus Luft, Kraftstoff und Wasser (Kraftstofftropfen und Was­ sertropfen in Luft) wird an der katalytisch beschichteten Oberfläche der Trägerelemente mittels Konvektion auf die Temperatur des Trägermaterials erwärmt. Die Flüssig­ keitstropfen verdampfen und überhitzen an der katalytisch beschichteten und erwärmten Oberfläche beziehungsweise in der sie umgebenden Temperaturgrenzschicht. Aufgrund der mittels der Mikrowellenanregung erzielten Betriebstemperatur im Reformer kann die Reformierungsreaktion von Kohlenwasserstoff zu CO, beziehungsweise CO2, und H2 vorteilhafterweise nach einer sehr kurzen Aufwärmungszeit (Startzeit) beginnen.According to a second alternative embodiment, the microwave transmitter is operatively connected to the catalytic reactor. The material of the carrier elements, which can be various materials, such as silicon carbide (SIC) or metal alloys (in particular carbon-containing compounds), can be thermally excited by means of microwaves and ensures reliable heating of the medium to be treated catalytically in the reformer within a very short time. The mixture of fuel and water in the reformer (pure steam reforming) or the two-phase mixture of air, fuel and water (fuel drops and water drops in air) is heated on the catalytically coated surface of the carrier elements by means of convection to the temperature of the carrier material. The liquid drops evaporate and overheat on the catalytically coated and heated surface or in the surrounding temperature boundary layer. On account of the operating temperature achieved in the reformer by means of the microwave excitation, the reforming reaction of hydrocarbon to CO, or CO 2 , and H 2 can advantageously begin after a very short warm-up time (start time).

Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Verfahren zum katalytischen Behandeln eines insbesondere einer Brennstoffzelle eines Fahrzeugs zuzuführenden Mediums vorge­ schlagen, das die Merkmale des Anspruchs 6 aufweist. Das erfindungsgemäße Verfah­ ren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Mediums mittels Mikrowellen­ anregung erfolgt. Hierbei wird unter Mikrowellenanregung die Anregung des Mediums mittels einer kurzwelligen elektromagnetischen Strahlung verstanden. Dieses Verfahren ist geeignet, die in Bezug auf die Vorrichtung vorgenannten Vorteile zu erzielen. A method for the catalytic treatment of a in particular a medium to be supplied to a fuel cell of a vehicle propose that has the features of claim 6. The inventive method Ren is characterized in that the heating of the medium by means of microwaves excitation takes place. Here, the excitation of the medium is under microwave excitation understood by means of a short-wave electromagnetic radiation. This method is suitable to achieve the advantages mentioned above in relation to the device.  

Vorteilhafterweise enthält das Medium Kraftstoff und Wasser, wobei beide Substanzen in einer Mischkammer eine Mikrowellenanregung erfahren. Durch diese Mikrowellenanre­ gung beider Substanzen in der Mischkammer wird selbiges thermisch angeregt, ver­ dampft und überhitzt. Durch den intensiven Kontakt aller vermischten Substanzen (Kraft­ stoff, Wasser und gegebenenfalls Luft) in der Mischkammer erwärmen sich die nicht an­ geregten Substanzen in nahezu gleicher Weise.The medium advantageously contains fuel and water, both substances in experience microwave excitation in a mixing chamber. Through this microwave device Both substances in the mixing chamber are thermally excited, ver steams and overheats. Due to the intensive contact of all mixed substances (force material, water and possibly air) in the mixing chamber do not heat up excited substances in almost the same way.

Gemäß einer alternativen Ausführungsvariante wird zur Erwärmung des Mediums ein mit diesem in Wirkkontakt stehendes Trägerelement eines katalytischen Reaktors mittels Mikrowellen thermisch angeregt. Das Trägerelement besteht vorzugsweise aus einem Trägermaterial, wie zum Beispiel Siliziumcarbid (SIC) oder auch metallische Werkstoffe, die mittels Mikrowellen besonders gut thermisch anregbar und somit innerhalb sehr kur­ zer Zeit erwärmbar ist. Das Trägerelement ist mit einer katalytisch beschichteten Oberflä­ che versehen, welche beispielsweise mit einem Gemisch (Medium) aus Kraftstoff, Was­ ser und gegebenenfalls Luft in direktem Wirkkontakt kommt. Das Gemisch wird an der katalytisch beschichteten Oberfläche mittels Konvektion auf die Temperatur des ther­ misch angeregten Trägerelements erwärmt. Dabei verdampfen und überhitzen die Flüs­ sigkeitstropfen des Gemischs an der katalytischen Oberfläche beziehungsweise in der sie umgebenden Grenzschicht. Es ist somit in zuverlässiger und schneller Weise eine er­ wünschte Betriebstemperatur im Reformer beispielsweise zur Einleitung einer Reformie­ rungsreaktion von Kohlenwasserstoff zu CO, beziehungsweise CO2, und H2 einstellbar.According to an alternative embodiment variant, a carrier element of a catalytic reactor, which is in active contact with the medium, is thermally excited by means of microwaves to heat the medium. The carrier element preferably consists of a carrier material, such as silicon carbide (SIC) or also metallic materials, which can be thermally excited particularly well by means of microwaves and thus can be heated within a very short time. The carrier element is provided with a catalytically coated surface which, for example, comes into direct operative contact with a mixture (medium) of fuel, water and possibly air. The mixture is heated on the catalytically coated surface by convection to the temperature of the thermally excited carrier element. The liquid drops of the mixture evaporate and overheat on the catalytic surface or in the boundary layer surrounding it. It is thus a reliable and quick way he desired operating temperature in the reformer, for example, to initiate a reforming reaction of hydrocarbon to CO, or CO 2 , and H 2 adjustable.

Mit Vorteil besteht das Medium aus Kraftstoff, Wasser und gegebenenfalls Luft, wird in einer Mischkammer vermischt und einem katalytischen Reaktor zugeführt, wobei die Er­ wärmung des Mediums mittels Mikrowellenanregung in der Mischkammer und/oder in dem katalytischen Reaktor erfolgt. Eine schnelle und zuverlässige Erwärmung des Me­ diums auf Betriebstemperatur kann mittels Mikrowellenanregung in der Mischkammer oder im katalytischen Reaktor oder auch in beiden miteinander wirkverbundenen Funk­ tionseinheiten erfolgen. Mittels einer Mikrowellenanregung des Mediums in der Misch­ kammer und/oder in dem katalytischen Reaktor lässt sich in verhältnismäßig einfacher Weise die Betriebstemperatur während des Mischens und/oder katalytischen Behandelns des Mediums regeln.The medium advantageously consists of fuel, water and possibly air, is in mixed in a mixing chamber and fed to a catalytic reactor, the Er heating of the medium by means of microwave excitation in the mixing chamber and / or in the catalytic reactor. A quick and reliable warming of the Me The medium can be heated to operating temperature by means of microwave excitation in the mixing chamber or in the catalytic reactor or in both radio systems that are operatively connected to one another units. By means of microwave excitation of the medium in the mixer chamber and / or in the catalytic reactor can be relatively simple Way the operating temperature during mixing and / or catalytic treatment regulate the medium.

Vorteilhafterweise wird eine bei der Mikrowellenanregung auftretende Verlustenergie in Form von Wärme zur Vorwärmung des Mediums mittels Konvektion genutzt. Da ein an sich bekannter Mikrowellensender bei der Umsetzung von elektrischer Primärenergie in kurzwellige elektromagnetische Energie einen Wirkungsgrad von circa 50 bis 80% auf­ weisen kann, tritt eine Verlustenergie in Form von Wärme auf. Diese Wärme kann zur Vorwärmung von Wasser und/oder Kraftstoff mittels Konvektion vor deren Eintritt in die Mischkammer beziehungsweise in den katalytischen Reaktor genutzt werden.Advantageously, a loss of energy occurring in the microwave excitation Form of heat used to preheat the medium by convection. Since one  well-known microwave transmitter in the conversion of electrical primary energy in short-wave electromagnetic energy has an efficiency of approximately 50 to 80% loss energy occurs in the form of heat. This heat can Preheating water and / or fuel by convection before entering it Mixing chamber or used in the catalytic reactor.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung.Further advantageous embodiments of the invention result from the description.

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:The invention is described in an exemplary embodiment based on an associated Drawing explained in more detail. Show:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines mit einer Brennstoffzelle in Wirkverbindung ste­ henden Reformers; Figure 1 is a block diagram of a reformer with a fuel cell in active connection standing reformer.

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechend einer ersten, alternativen Ausführungsform mit einem mit einer Mischkam­ mer wirkverbundenen Mikrowellensender, und Fig. 2 is a block diagram of a device according to the invention in accordance with a first alternative embodiment with a microwave transmitter operatively connected to a mixing chamber, and

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechend einer zweiten, alternativen Ausführungsform mit einem mit einem Reformer wirkverbundenen Mikrowellensender. Fig. 3 is a block diagram of an inventive apparatus according to a second alternative embodiment having a reformer operatively connected to a microwave transmitter.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung in Form eines Blockschaltbildes einen allge­ mein mit 13 bezeichneten Reformer beziehungsweise katalytischen Reaktor, der mit ei­ ner Brennstoffzelle 28 wirkverbunden ist. Der Reformer 13 enthält eine Einheit 17 zur katalytischen Reformierung eines Mediums, welches im vorliegenden Fall aus Wasser, Kraftstoff und Luft besteht. Die Einheit 17 ist eingangsseitig mit einer als Pfeil 14 darge­ stellten Wasser-Zuführleitung, mit einer als Pfeil 15 dargestellten Kraftstoff-Zuführleitung und mit einer als Pfeil 16 dargestellten Luft-Zuführleitung wirkverbunden. Ausgangsseitig steht die Einheit 17 mittels einer als Pfeil 18 dargestellten Verbindungsleitung mit einer Einheit 19 zur Schwefeladsorption in Wirkverbindung. Die Einheit 19 ist ausgangsseitig durch eine als Pfeil 20 dargestellte Verbindungsleitung mit einer als "Shift" ausgebildeten Einheit 22 wirkverbunden. Die Einheit 22 ist eingangsseitig zusätzlich mittels einer als Pfeil 21 dargestellten Zuführleitung mit Wasser beaufschlagbar. Ausgangsseitig ist die Einheit 22 mittels einer als Pfeil 23 dargestellten Verbindungsleitung mit einer Einheit 25 zur selektiven Oxidation wirkverbunden, welche zusätzlich eingangsseitig mit einer als Pfeil 24 dargestellten Zuführleitung mit Luft beaufschlagbar ist. Die selektive Oxidation in der Einheit 25 erfolgt bei circa 250°C. Die Einheit 25 ist ausgangsseitig mittels einer als Pfeil 26 dargestellten Verbindungsleitung, die im Betrieb wasserstoffreiches Gas fördert, mit der Brennstoffzelle 28 wirkverbunden, welche zusätzlich mittels einer als Pfeil 27 dar­ gestellten Zuführleitung mit Luft beaufschlagbar ist. Ausgangsseitig weist die Brennstoff­ zelle 28 eine als Pfeil 29 dargestellte Abgasleitung für Luft und Wasser und eine als Pfeil 30 dargestellte Abgasleitung für restliches H2, N2, CO2 auf. Der Reformer 13 weist somit eingangsseitig drei als Pfeile 14, 15, 16 dargestellte Zuführleitungen für Wasser, Kraft­ stoff und Luft und eine ausgangsseitige und zur Brennstoffzelle 28 führende, als Pfeil 26 dargestellte Verbindungsleitung auf. Der weitere konstruktive Aufbau und die Funktions­ weise des Reformers 13 sind an sich bekannt und werden deshalb nicht im einzelnen dargestellt beziehungsweise beschrieben. Fig. 1 shows a schematic representation in the form of a block diagram of a general with my designated 13 reformer or catalytic reactor, which is operatively connected to egg ner fuel cell 28 . The reformer 13 contains a unit 17 for the catalytic reforming of a medium, which in the present case consists of water, fuel and air. The unit 17 is operatively connected on the input side to a water supply line shown as an arrow 14 , with a fuel supply line shown as an arrow 15 and with an air supply line shown as an arrow 16 . On the output side, unit 17 is operatively connected to a unit 19 for sulfur adsorption by means of a connecting line shown as arrow 18 . The unit 19 is operatively connected on the output side by a connecting line shown as arrow 20 to a unit 22 designed as a "shift". The unit 22 can additionally be supplied with water by means of a feed line shown as arrow 21 on the input side. On the output side, the unit 22 is operatively connected to a unit 25 for selective oxidation by means of a connecting line shown as arrow 23 , which can additionally be acted upon by air on the input side with a supply line shown as arrow 24 . The selective oxidation in the unit 25 takes place at approximately 250 ° C. The unit 25 is operatively connected to the fuel cell 28 on the output side by means of a connecting line shown as arrow 26 , which promotes hydrogen-rich gas during operation, which can additionally be acted upon by air by means of a supply line shown as arrow 27 . On the output side, the fuel cell 28 has an exhaust line, shown as arrow 29 , for air and water and an exhaust line, shown as arrow 30 , for residual H 2 , N 2 , CO 2 . The reformer 13 thus has on the input side three as arrows 14 , 15 , 16 shown supply lines for water, fuel and air and an output side and leading to the fuel cell 28 , shown as arrow 26 connecting line. The further construction and the function of the reformer 13 are known per se and are therefore not shown or described in detail.

Der Reformer beziehungsweise katalytische Reaktor 13 dient zur Erzeugung eines was­ serstoffreichen Gases aus einem kohlenwasserstoffhaltigen Kraftstoff. Ein derartiger Kraftstoff kann beispielsweise Methanol, oder Benzin beziehungsweise Diesel (komple­ xes Gemisch verschiedener Kohlenwasserstoffe), sein. Der Kraftstoff wird in dem Refor­ mer 13 in Kohlendioxid, beziehungsweise Kohlenmonoxid, und Wasserstoff umgewan­ delt, wobei hierzu im Reformer 13 eine bestimmte Betriebstemperatur einzustellen ist, welche üblicherweise deutlich oberhalb der Umgebungstemperatur liegt. Deshalb ist ein zusätzliches, nicht in Fig. 1 dargestelltes Erwärmungsmittel zur Erwärmung des kataly­ tisch zu behandelnden Mediums beziehungsweise Gemischs vorzusehen.The reformer or catalytic reactor 13 is used to generate a what gas rich in hydrogen from a hydrocarbon fuel. Such a fuel can be, for example, methanol, or gasoline or diesel (complex mixture of different hydrocarbons). The fuel is reduced to any delt the Refor mer 13 in carbon dioxide, or carbon monoxide, and hydrogen, for which purpose a certain operating temperature is set in the reformer 13, which is usually well above the ambient temperature. Therefore, an additional heating means, not shown in FIG. 1, is to be provided for heating the medium or mixture to be catalytically treated.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung in Form eines Blockschaltbildes einer ersten, alternativen Ausführungsform einer allgemein mit 10 bezeichneten Vorrichtung zur kata­ lytischen Behandlung eines für eine Brennstoffzelle eines Fahrzeugs (nicht dargestellt) vorgesehenen Mediums. Die Vorrichtung 10 enthält eine Mischkammer 12 und einen Reformer beziehungsweise einen katalytischen Reaktor 13, welcher entsprechend dem Reaktor 13 gemäß Fig. 1 ausgebildet sein kann. Gemäß der Ausführungsform nach Fig. 2 ist die Mischkammer 12 mit einem als Mikrowellensender ausgebildeten Erwär­ mungsmittel 11 versehen. Hierbei wird unter Mikrowellensender ein Sender einer kurz­ welligen elektromagnetischen Strahlung verstanden. Die Vorrichtung 10 ist in Bezug auf die Mischkammer 12 eingangsseitig mit einer als Pfeil 14 dargestellten Wasser- Zuführleitung, mit einer als Pfeil 15 dargestellten Kraftstoff-Zuführleitung und mit einer als Pfeil 16 dargestellten Luft-Zuführleitung verbunden. Die Zuführleitungen (Pfeile 14, 15, 16) weisen jeweils vorzugsweise ein als Pumpe ausgebildetes Fördermittel 31, 32, 33 auf. Die Vorrichtung 10 ist in Bezug auf den Reformer 13 ausgangssseitig mit der zur Brennstoffzelle 28 (nicht in Fig. 2 dargestellt) führenden und als Pfeil 26 dargestellten Verbindungsleitung, welche im Betrieb ein wasserstoffreiches Gas fördert, wirkverbun­ den. Entsprechend dieser Ausführungsform wird eine zuverlässige und schnelle Vermi­ schung und gleichzeitige Erwärmung der Komponenten des Mediums (Wasser, Kraftstoff, Luft) erzielt. Hierbei kann die Vermischung der das Medium bildenden Edukte beispiels­ weise mittels einer Drallströmung in der Mischkammer 12 erfolgen, während beispiels­ weise gleichzeitig die Erwärmung des Mediums mittels Mikrowellenanregung in der Mischkammer 12 erfolgt. Die vom Erwärmungsmittel 11 in die Mischkammer 12 übertra­ gene Mikrowellenenergie führt dazu, dass insbesondere das flüssige Wasser in der Mischkammer 12 angeregt, verdampft und überhitzt wird. Durch den intensiven Kontakt aller Substanzen (Wasser, Kraftstoff, Luft) in der Mischkammer 12 erwärmen sich nicht angeregte Substanzen nahezu in gleicher Weise. Das mittels des als Mikrowellensender ausgebildeten Erwärmungsmittels 11 auf Betriebstemperatur erwärmte Medium (Ge­ misch) wird von der Mischkammer 12 in den Reformer 13 geleitet, in welcher es einer katalytischen Behandlung unterzogen wird. Die katalytische Behandlung dient dabei zur Erzeugung eines wasserstoffreichen Gases aus einem kohlenwasserstoffhaltigen Kraft­ stoff. Fig. 2 shows a schematic representation in the form of a block diagram of a first, alternative embodiment of a device generally designated 10 for catalytic treatment of a medium provided for a fuel cell of a vehicle (not shown). The device 10 contains a mixing chamber 12 and a reformer or a catalytic reactor 13 , which can be designed corresponding to the reactor 13 according to FIG. 1. According to the embodiment according to FIG. 2, the mixing chamber 12 is provided with a heating means 11 designed as a microwave transmitter. Here, a microwave transmitter is understood to mean a transmitter of short-wave electromagnetic radiation. With respect to the mixing chamber 12, the device 10 is connected on the inlet side to a water supply line shown as arrow 14 , to a fuel supply line shown as arrow 15 and to an air supply line shown as arrow 16 . The feed lines (arrows 14 , 15 , 16 ) each preferably have a conveying means 31 , 32 , 33 designed as a pump. The device 10 is with respect to the reformer 13 on the output side with the fuel cell 28 (not shown in FIG. 2) leading and shown as an arrow 26 connecting line, which promotes a hydrogen-rich gas in operation, the. According to this embodiment, a reliable and fast mixing and simultaneous heating of the components of the medium (water, fuel, air) is achieved. In this case, the mixing of the starting materials forming the medium can take place, for example, by means of a swirl flow in the mixing chamber 12 , while, for example, the medium is heated by means of microwave excitation in the mixing chamber 12 . The microwave energy transferred from the heating means 11 into the mixing chamber 12 has the result that, in particular, the liquid water in the mixing chamber 12 is excited, vaporized and overheated. Due to the intensive contact of all substances (water, fuel, air) in the mixing chamber 12 , non-excited substances heat up in almost the same way. The medium (Ge mixture) heated by means of the heating means 11 designed as a microwave transmitter is passed from the mixing chamber 12 into the reformer 13 , in which it is subjected to a catalytic treatment. The catalytic treatment serves to generate a hydrogen-rich gas from a hydrocarbon-containing fuel.

Fig. 3 zeigt eine zweite, alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vor­ richtung 10, welche hinsichtlich ihres konstruktiven Aufbaus und ihrer Funktionsweise im Wesentlichen derjenigen der Fig. 2 entspricht, wobei allerdings das als Mikrowellensen­ der ausgebildete Erwärmungsmittel 11 mit dem Reformer beziehungsweise katalytischen Reaktor 13 wirkverbunden ist. Bei dieser Ausführungsform gemäß Fig. 3 wird ein nicht dargestelltes Trägerelement aus mikrowellenabsorbierendem Material (Trägermaterial), wie zum Beispiel Siliziumcarbid (SIC) oder anderen vorzugsweise kohlenstoffhaltigen Materialien im katalytischen Reaktor 13 mittels Mikrowellen thermisch angeregt und vor­ teilhafterweise innerhalb sehr kurzer Zeit erwärmt. Das Trägerelement weist eine kataly­ tisch beschichtete Oberfläche auf, welche mit dem Medium (Gemisch aus Kraftstoff, Wasser, Luft) in Wirkkontakt steht. Das Trägerelement besteht somit aus einem Träger­ material (Substrat), auf welchem ein Katalysator aufgebracht ist. Das thermisch ange­ regte Trägermaterial erwärmt die katalytisch beschichtete Oberfläche des Trägerele­ ments, welche mittels Konvektion das zweifasige Gemisch aus Luft, Kraftstoff und Wasser (Kraftstofftropfen und Wassertropfen in Luft) auf die Temperatur des Trägermaterials erwärmt. Dies führt zu einer Verdampfung und Überhitzung der Flüssigkeitstropfen an der katalytischen Oberfläche beziehungsweise in der sie umgebenden Temperaturgrenz­ schicht. Nach Erreichen einer Betriebstemperatur erfolgt eine Reformierungsreaktion im Reformer 13 von Kohlenwasserstoff zu CO, beziehungsweise CO2, und H2. Bei dieser Ausführungsform erfolgt somit eine Vermischung der Komponenten des Mediums in der Mischkammer 12 und eine schnelle Erwärmung des Mediums auf eine Betriebstempera­ tur im Reformer 13, in welchem nach Erreichen dieser Betriebstemperatur ein wasser­ stoffreiches Gas aus einem kohlenwasserstoffhaltigen Kraftstoff erzeugt wird. Fig. 3 shows a second, alternative embodiment of a device 10 according to the invention, which essentially corresponds to that of FIG. 2 in terms of its structural design and its mode of operation, although the heating means 11 formed as a microwave sensor is operatively connected to the reformer or catalytic reactor 13 . In this embodiment according to FIG. 3, a carrier element (not shown) made of microwave-absorbing material (carrier material), such as silicon carbide (SIC) or other preferably carbon-containing materials, is thermally excited in the catalytic reactor 13 by means of microwaves and, advantageously, heated within a very short time. The carrier element has a catalytically coated surface which is in operative contact with the medium (mixture of fuel, water, air). The carrier element thus consists of a carrier material (substrate) on which a catalyst is applied. The thermally excited carrier material heats the catalytically coated surface of the carrier element, which heats the two-phase mixture of air, fuel and water (fuel drops and water drops in air) to the temperature of the carrier material by convection. This leads to evaporation and overheating of the liquid drops on the catalytic surface or in the surrounding temperature limit layer. After an operating temperature has been reached, a reforming reaction takes place in the reformer 13 from hydrocarbon to CO, or CO 2 , and H 2 . In this embodiment, there is thus a mixing of the components of the medium in the mixing chamber 12 and a rapid heating of the medium to an operating temperature in the reformer 13 , in which a hydrogen-rich gas is generated from a hydrocarbon-containing fuel after this operating temperature has been reached.

Die Prozessgrößen bei einer Kraftstoffreformierung gemäß Fig. 1 sind je nach Einsatz­ kraftstoff und verwendeten Katalysatoren unterschiedlich. Dabei ist die Abfolge der Ver­ fahrensschritte von den Prozessgrößen und von der Art des verwendeten Kohlenwasser­ stoffs unabhängig. Ferner ist es möglich, bei einer reinen Dampfreformierung auf die Zu­ gabe von Luft (Pfeil 16) zu verzichten.The process variables in a fuel reforming according to FIG. 1 differ depending on the fuel used and the catalysts used. The sequence of the process steps is independent of the process variables and the type of hydrocarbon used. It is also possible to dispense with the addition of air to a pure steam reforming (arrow 16 ).

Vorteilhafterweise kann die Mikrowellenanregung als Starthilfe - vergleichbar einem An­ lasser - zum Betreiben einer Brennstoffzelle verwendet werden. Häufig ist die Reformie­ rungsreaktion leicht exotherm, wobei sie zumindest in der Aufwärmphase durch Zugabe von weniger Wasser vollständig exotherm geführt werden kann. Hierbei wird im katalyti­ schen Reaktor Wärme entwickelt, so dass nach einer relativ kurzen Startzeit ein auto­ thermer Betrieb des Reformers möglich ist. Die Mikrowellenanregung kann somit lediglich für eine erste Startzeit bis zum Erreichen der katalytischen Anspringtemperatur im Re­ former aufrechterhalten werden. Nach Erreichen dieser Anspringtemperatur kann die Leistung des als Mikrowellensender ausgebildeten Erwärmungsmittels reduziert bezie­ hungsweise letzterer vollständig abgeschaltet werden.The microwave excitation can advantageously be used as a starting aid - comparable to an An lasser - used to operate a fuel cell. The reformie is common tion reaction slightly exothermic, being at least in the warm-up phase by adding can be completely exothermic by less water. Here is in the catalytic heat developed so that an auto Thermer operation of the reformer is possible. The microwave excitation can only for a first start time until the catalytic light-off temperature in the Re is reached be maintained. After reaching this light-off temperature, the Power of the heating means designed as a microwave transmitter is reduced or reduced the latter can be completely switched off.

Vorteilhafterweise kann die bei der Mikrowellenanregung auftretende Verlustenergie in Form von Wärme zur Vorwärmung des Mediums (Wasser, Kraftstoff, gegebenenfalls Luft) mittels Konvektion benutzt werden. Die Vorwärmung kann dabei vor der Mischkam­ mer 12 beziehungsweise in selbiger erfolgen.Advantageously, the loss of energy that occurs during microwave excitation in the form of heat can be used to preheat the medium (water, fuel, possibly air) by means of convection. The preheating can be done in front of the mixing chamber 12 or in the same.

Gemäß einer zusätzlichen Ausführungsvariante ist es möglich, mittels der auf das Ge­ misch aus Kraftstoff, Wasser, Luft einwirkenden Mikrowellenstrahlung ein Plasma zu er­ zeugen, welches zur Zündung des Gemischs und zu dessen schneller Erwärmung genutzt werden kann. Nach der Zündung des Gemischs erfolgt mittels einer partiellen Oxi­ dation ein Reformierungsprozess, welcher eine unmittelbare Wasserstofferzeugung er­ möglicht. Ferner ist es möglich, mittels einer Mikrowellenanregung selektiv insbesondere die verhältnismäßig dünne Katalysatorschicht zu erhitzen.According to an additional embodiment, it is possible to use the Ge mixes a plasma from fuel, water, air and microwave radiation testify which is used to ignite the mixture and to heat it up quickly  can be. After the mixture has ignited, a partial oxi is used dation a reforming process, which he direct hydrogen production possible. Furthermore, it is possible to selectively in particular by means of microwave excitation to heat the relatively thin catalyst layer.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur katalytischen Behandlung eines insbesondere für eine Brennstoff­ zelle eines Fahrzeugs vorgesehenen Mediums, wobei die Vorrichtung mit einem Erwärmungsmittel verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Erwär­ mungsmittel (11) als Mikrowellensender ausgebildet ist.1. Device for the catalytic treatment of a medium provided in particular for a fuel cell of a vehicle, the device being connected to a heating means, characterized in that the heating means ( 11 ) is designed as a microwave transmitter. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Misch­ kammer (12) zur Vermischung des Kraftstoff und Wasser enthaltenden Mediums aufweist.2. Device according to claim 1, characterized in that it has a mixing chamber ( 12 ) for mixing the fuel and water-containing medium. 3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, dass sie einen katalytischen Reaktor (13) aufweist, der eingangsseitig mit der Mischkammer (12) in Wirkverbindung steht.3. Device according to one of the preceding claims, characterized in that it has a catalytic reactor ( 13 ) which is operatively connected on the input side to the mixing chamber ( 12 ). 4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, dass der Mikrowellensender (11) mit der Mischkammer (12) wirkverbunden ist.4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the microwave transmitter ( 11 ) with the mixing chamber ( 12 ) is operatively connected. 5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, dass der Mikrowellensender (11) mit einem katalytischen Reaktor (13) wirkver­ bunden ist.5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the microwave transmitter ( 11 ) is connected to a catalytic reactor ( 13 ). 6. Verfahren zum katalytischen Behandeln eines insbesondere einer Brennstoffzelle eines Fahrzeugs zuzuführenden Mediums, wobei das Medium zur katalytischen Behandlung erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Mediums mittels Mikrowellenanregung erfolgt.6. Process for the catalytic treatment of a fuel cell in particular medium to be supplied to a vehicle, the medium being used for catalytic Treatment is heated, characterized in that the heating of the Medium is done by means of microwave excitation. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium Kraft­ stoff und Wasser enthält und beide Substanzen in einer Mischkammer (12) eine Mikrowellenanregung erfahren. 7. The method according to claim 6, characterized in that the medium contains fuel and water and both substances experience microwave excitation in a mixing chamber ( 12 ). 8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erwärmung des Mediums ein mit diesem in Wirkkontakt stehendes Trä­ gerelement eines katalytischen Reaktors (13) mittels Mikrowellen thermisch ange­ regt wird.8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that for heating the medium, an element that is in active contact with this carrier element of a catalytic reactor ( 13 ) is thermally excited by means of microwaves. 9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium aus Kraftstoff, Wasser und gegebenenfalls Luft besteht, in einer Mischkammer (12) vermischt und einem katalytischen Reaktor (13) zugeführt wird, wobei die Erwärmung des Mediums mittels Mikrowellenanregung in der Misch­ kammer (12) und/oder in dem katalytischen Reaktor (13) erfolgt.9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the medium consists of fuel, water and optionally air, mixed in a mixing chamber ( 12 ) and fed to a catalytic reactor ( 13 ), the heating of the medium by means of microwave excitation in the Mixing chamber ( 12 ) and / or in the catalytic reactor ( 13 ). 10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine bei der Mikrowellenanregung auftretende Verlustenergie in Form von Wärme zur Vorwärmung des Mediums mittels Konvektion genutzt wird.10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a loss of energy occurring during microwave excitation in the form of Heat is used to preheat the medium by means of convection.
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