DE102006025664B4 - Baugruppe zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases - Google Patents

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Abstract

Baugruppe zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases, umfassend eine Reformierungseinrichtung (12) mit einer Kraftstoffzufuhr (16) und einer Gaszufuhr (14), eine bzgl. des Gasstromes stromaufwärts eines Katalysators (26) der Reformierungseinrichtung (12) angeordnete Verdampfungseinheit (18) mit einem in einer Kammer (20) angeordneten elektrischen Heizelement (22) in Form einer Glühkerze zum Verdampfen von Kraftstoff, wobei der Dampf in den Gasstrom geleitet wird, eine der Kammer (20) vorgeschaltete Vorheizeinrichtung für den Kraftstoff in Form eines Wärmetauschers (24) sowie wenigstens eine Steuereinrichtung (28), die die durch das Heizelement (22) abgegebene, zur Verdampfung noch notwendige Wärmemenge in Abhängigkeit von Kraftstoffmassenstrom und -temperatur steuert.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Baugruppe zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases.
  • Für wasserstoffhaltiges Gas gibt es unterschiedlichste Verwendungsmöglichkeiten, etwa in einer Brennstoffzelle, als Kraftstoff für eine Brennkraftmaschine oder zur Regeneration eines Abgasreinigungssystems, etwa eines NOx-Speicherkatalysators oder Partikelfilters in der Abgasanlage eines Diesel- oder Magergemischmotors. Wasserstoffhaltiges Gas kann mittels einer Reformierungseinrichtung (beispielsweise einem sogenannten POX-Katalysator oder einem autothermen Reformer) aus einem Kraftstoff-Luft-Gemisch erzeugt werden, indem das Gemisch in einem Katalysator der Reformierungseinrichtung in ein mit Wasserstoff angereichertes Gas zerlegt wird.
  • Dabei hat es sich als ungünstig herausgestellt, der Reformierungseinrichtung den Kraftstoff direkt in flüssiger Form zuzuführen, da in diesem Fall die in der Reformierungseinrichtung herrschende Temperatur aufgrund der für die Verdampfung des Kraftstoffs nötigen thermischen Energie zumindest in einem Eintrittsbereich der Flüssigkeit stark abfällt. Unter Umständen reicht die von der Reformierungseinrichtung zur Verfügung gestellte Energiemenge nicht aus, um den Kraftstoff vor Eintritt in den Katalysator (auch als Reaktionskammer oder Reaktor bezeichnet) vollständig zu verdampfen und somit eine gute Durchmischung mit der Luft zu erzielen. Besonders in einer Startphase muß deshalb die Reformierungseinrichtung vorgeheizt werden, bevor der Kraftstoff eingebracht werden kann. Eine weitere bekannte Lösung besteht darin, den Kraftstoff grundsätzlich außerhalb des Katalysators der Reformierungseinrichtung mit Hilfe einer externen Wärmequelle zu verdampfen, wodurch aber der Energieverbrauch steigt.
  • Die nachveröffentlichte EP 1 787 949 A2 offenbart eine Reformierungseinrichtung mit einer Mischzone für sauerstoffhaltiges Gas und Kraftstoffdampf, wobei der Kraftstoff vor dem Einbringen in die Mischzone mit Hilfe eines aktiven und eines passiven Wärmetauschers erwärmt wird.
  • Aus der WO 2004/062788 A1 ist eine Verdampfungseinrichtung zur Erzeugung von Kraftstoffdampf für einen autothermen Reformer bekannt, in der ein Teil einer Kraftstoff-Luft-Mischung mittels einer Glühkerze partiell oxidiert wird. Durch die erzeugte Wärme wird der restliche Kraftstoff verdampft. Dem autothermen Reformer ist ein Wärmetauscher nachgeschaltet, der zur Erwärmung des der Verdampfungseinrichtung zugeführten Kraftstoffs dient.
  • Die US 5 987 878 A schließlich beschreibt eine Reformierungseinrichtung, der ein teilweise oxidiertes Gemisch aus Kraftstoff und Wasserdampf zugeführt wird, wobei das Gemisch vor der partiellen Oxidation mit Hilfe eines Wärmetauschers vorgewärmt wird.
  • Demgegenüber schafft die Erfindung eine Baugruppe zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases, die sich durch einen besonders geringen Energieverbrauch auszeichnet.
  • Erfindungsgemäß ist hierzu eine Baugruppe zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases vorgesehen, mit einer Reformierungseinrichtung mit einer Kraftstoffzufuhr und einer Gaszufuhr, einer bezüglich des Gasstromes stromaufwärts eines Katalysators der Reformierungseinrichtung angeordneten Verdampfungseinheit mit einem in einer Kammer angeordneten elektrischen Heizelement in Form einer Glühkerze zum Verdampfen von Kraftstoff, wobei der Dampf in den Gasstrom geleitet wird, einer der Kammer vorgeschalteten Vorheizeinrichtung für den Kraftstoff in Form eines Wärmetauschers sowie wenigstens einer Steuereinrichtung, die die durch das Heizelement abgegebene, zur Verdampfung noch notwendige Wärmemenge in Abhängigkeit von Kraftstoffmassenstrom und -temperatur steuert. Hierbei wird der Kraftstoff hauptsächlich mit Hilfe des Wärmetauschers erwärmt bzw. sogar vollständig verdampft und das Heizelement lediglich bei Bedarf verwendet, etwa in einer Startphase des Verbrennungsmotors oder der Reformierungseinrichtung, in der der Wärmetauscher keine oder nicht die benötigte Energie liefern kann. Auf diese Weise wird in erster Linie die im System bereits vorhandene Energie genutzt, nur im Bedarfsfall kommt das zusätzliche Heizelement zum Einsatz. Die Verwendung einer Glühkerze als Heizelement ist von Vorteil, da diese als Massenartikel besonders günstig verfügbar ist. Durch die Steuerung der durch das Heizelement abgegebenen Wärmemenge in Abhängigkeit von Kraftstoffmassenstrom und Kraftstofftemperatur ergibt sich ein besonders effizientes System. Insbesondere steuert die Steuereinrichtung die Stromzufuhr des elektrischen Heizelements.
  • Bei der Gaszufuhr handelt es sich insbesondere um eine Luftzufuhr.
  • Der Wärmetauscher ist gemäß einer Ausführungsform dem Gasstrom ausgesetzt, der die Reformierungseinrichtung durchströmt. Dabei kann der Wärmetauscher in der Reformierungseinrichtung selbst positioniert sein oder aber stromabwärts der Reformierungseinrichtung an einer geeigneten Stelle im wasserstoffhaltigen Gasstrom, also im Abgas der Reformierungseinrichtung. Ebenso ist es denkbar, den Wärmetauscher stromaufwärts der Reformierungseinrichtung zu positionieren, etwa im vorgeheizten Luftstrom.
  • Vorzugsweise ist der Wärmetauscher stromabwärts des Katalysators in der Reformierungseinrichtung oder im Katalysator positioniert, bei dem es sich z. B. um einen partiellen Oxidationskatalysator (POX) handelt. Bei beiden Anordnungen wird die bei der Reaktion freigesetzte Energie zur Verdampfung des der Reformierungseinrichtung zuzuführenden Kraftstoffs genutzt.
  • Wenn der Reformierungseinrichtung eine Brennstoffzelle nachgeschaltet ist, kann der Wärmetauscher auch im Bereich dieser Brennstoffzelle positioniert sein, insbesondere stromaufwärts einer kalten Brennstoffzelle oder stromabwärts einer heißen Brennstoffzelle.
  • Bei Verwendung des wasserstoffhaltigen Gases zur Regeneration eines Abgasreinigungssystems ist der Wärmetauscher bevorzugt im zugehörigen Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine positioniert.
  • Allgemein gilt aber, daß der Wärmetauscher an jeder beliebigen Stelle angeordnet sein kann, an der die benötigte Energie verfügbar ist.
  • Zwischen Wärmetauscher und Heizelement sollte ein Temperatursensor vorgesehen sein, der mit der Steuereinrichtung gekoppelt ist, wobei auf Basis der vom Temperatursensor erfaßten Daten die Wärmemenge ermittelt wird, die dem Kraftstoff noch zugeführt werden muß.
  • Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist zwischen der Verdampfungseinheit und der Reformierungseinrichtung eine Zündeinrichtung für die der Reformierungseinrichtung zugeführte Kraftstoff-Luft-Mischung vorgesehen. Bei der Zündeinrichtung kann es sich beispielsweise um eine Zündkerze, einen Lichtbogen oder einen keramischen Glühstift (MIMS) handeln.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der beigefügten Zeichnung. In dieser zeigt:
  • 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Baugruppe zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases und
  • 2 eine perspektivische Ansicht der als Zwischenflanscheinsatz ausgebildeten Aufheizeinrichtung für den Brennstoff.
  • Eine Baugruppe 10 zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases umfaßt eine Reformierungseinrichtung 12, die eine Gaszufuhr 14 in Form einer Luftzufuhr sowie eine Kraftstoffzufuhr 16 aufweist. In der Kraftstoffzufuhr 16 ist eine Verdampfungseinheit 18 angeordnet, die ein in einer Kammer 20 positioniertes elektrisches Heizelement 22, hier eine Glühkerze, aufweist. Alternativ kann als Heizelement 22 ein keramischer Glühstift (MIMS) eingesetzt werden. Die Verdampfungseinheit 18 befindet sich also bezüglich des die Reformierungseinrichtung 12 durchströmenden Gasstroms stromaufwärts eines Katalysators 26 der Reformierungseinrichtung 12, bei dem es sich insbesondere um einen partiellen Oxidationskatalysator (POX) handelt.
  • Der Kammer 20 vorgeschaltet ist eine Vorheizeinrichtung für den Kraftstoff in Gestalt eines Wärmetauschers 24, der bei der gezeigten Ausführungsform in der Reformierungseinrichtung 12 stromabwärts des Katalysators 26 positioniert ist. Der Wärmetauscher 24 ist somit dem Gasstrom ausgesetzt, der die Reformierungseinrichtung 12 durchströmt. Abweichend von der gezeigten Anordnung kann der Wärmetauscher 24 auch im Bereich einer der Reformierungseinrichtung 12 nachgeschalteten Brennstoffzelle positioniert sein. Wird die erfindungsgemäße Baugruppe 10 in Kombination mit einer Verbrennungskraftmaschine verwendet, sei es zur Bereitstellung von wasserstoffangereichertem Brennstoff für die Verbrennungskraftmaschine oder zur Erzeugung eines Reduktionsmittels für die Regeneration eines zugehörigen Abgasreinigungssystems, so kann der Wärmetauscher 24 auch im Bereich der Verbrennungskraftmaschine positioniert sein, insbesondere in deren Abgasstrang.
  • Weiterhin ist eine Steuereinrichtung 28 vorgesehen, die mit einem Temperatursensor 30 gekoppelt ist, der zwischen dem Wärmetauscher 24 und dem Heizelement 22 in der Kraftstoffzufuhr 16 angeordnet ist.
  • Im Betrieb wird der Reformierungseinrichtung 12 über die Gaszufuhr (evtl. vorgeheizte) Frischluft und über die Kraftstoffzufuhr 16 (bzw. die Verdampfungseinheit 18) dampfförmiger Kraftstoff zugeführt, die miteinander vermischt werden. Im Katalysator 26 findet eine partielle Oxidation des Kraftstoffs statt, bei der Wasserstoff freigesetzt wird. Die Verdampfung des zunächst flüssigen Kraftstoffs erfolgt zu einem überwiegenden Teil im Wärmetauscher 24, wobei in der Steuereinrichtung 28 auf Basis der vom Temperatursensor 30 erfaßten Daten sowie in Abhängigkeit vom Massenstrom in der Kraftstoffzufuhr 16 die Wärmemenge ermittelt wird, die gegebenenfalls zur vollständigen Verdampfung des Kraftstoffs noch notwendig ist. In Abhängigkeit von der ermittelten Wärmemenge steuert die Steuereinrichtung 28 eine Stromversorgung des Heizelements 22; der die Kammer 20 im flüssigen Zustand erreichende Kraftstoff wird dann durch das Heizelement 22 vollständig verdampft, bevor er in die Reformierungseinrichtung 12 eintritt. Die Verdampfungseinheit 18 kommt folglich insbesondere in einer Kaltstartphase der Reformierungseinrichtung 12 zum Einsatz.
  • Um die Reformierungseinrichtung 12 rasch auf Reaktionstemperatur zu bringen und/oder das System zu stabilisieren, kann optional zwischen der Verdampfungseinheit 18 und der Reformierungseinrichtung 12 (bzw. dem Katalysator 26) eine Zündeinrichtung 32 für das Kraftstoff-Luft-Gemisch vorgesehen sein, etwa eine Zündkerze, ein Lichtbogen oder ein keramischer Glühstift.
  • Abweichend von der gezeigten Ausgestaltung kann es sich bei der Reformierungseinrichtung um einen sogenannten autothermen Reformer handeln, der zusätzlich zu einem partiellen Oxidationsabschnitt einen Dampfreformierungsabschnitt sowie eine Wasserdampfzufuhr aufweist.
  • Bei der Ausführungsform nach 2 ist die Aufheizeinrichtung für den Brennstoff in einen Zwischenflanscheinsatz 34 integriert. Ein in den warmen Luftstrom ragender, gewendelter Wärmetauscher erwärmt den Kraftstoff. Der Luftstrom wiederum kann z. B. durch die Energie stromabwärts der Reformierungseinrichtung oder der Brennstoffzelle bzw. des Katalysators über weitere Wärmetauscher erwärmt werden. In den Zwischenflanscheinsatz 34 kann eventuell auch die Reformierungseinrichtung 12 integriert werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Baugruppe
    12
    Reformierungseinrichtung
    14
    Gaszufuhr
    16
    Kraftstoffzufuhr
    18
    Verdampfungseinheit
    20
    Kammer
    22
    Heizelement
    24
    Wärmetauscher
    26
    Katalysator
    28
    Steuereinrichtung
    30
    Temperatursensor
    32
    Zündeinrichtung
    34
    Zwischenflanscheinsatz

Claims (9)

  1. Baugruppe zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases, umfassend eine Reformierungseinrichtung (12) mit einer Kraftstoffzufuhr (16) und einer Gaszufuhr (14), eine bzgl. des Gasstromes stromaufwärts eines Katalysators (26) der Reformierungseinrichtung (12) angeordnete Verdampfungseinheit (18) mit einem in einer Kammer (20) angeordneten elektrischen Heizelement (22) in Form einer Glühkerze zum Verdampfen von Kraftstoff, wobei der Dampf in den Gasstrom geleitet wird, eine der Kammer (20) vorgeschaltete Vorheizeinrichtung für den Kraftstoff in Form eines Wärmetauschers (24) sowie wenigstens eine Steuereinrichtung (28), die die durch das Heizelement (22) abgegebene, zur Verdampfung noch notwendige Wärmemenge in Abhängigkeit von Kraftstoffmassenstrom und -temperatur steuert.
  2. Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Gaszufuhr (14) um eine Luftzufuhr handelt.
  3. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (24) dem Gasstrom ausgesetzt ist, der die Reformierungseinrichtung (12) durchströmt.
  4. Baugruppe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (24) in der Reformierungseinrichtung (12) positioniert ist.
  5. Baugruppe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (24) stromabwärts des Katalysators (26) in der Reformierungseinrichtung (12) positioniert ist.
  6. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (24) im Bereich einer der Reformierungseinrichtung (12) nachgeschalteten Brennstoffzelle positioniert ist.
  7. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (24) im Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine positioniert ist.
  8. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Temperatursensor (30) zwischen Wärmetauscher (24) und Heizelement (22) vorgesehen ist, der mit der Steuereinrichtung (28) gekoppelt ist, wobei auf Basis der vom Temperatursensor (30) erfaßten Daten die Wärmemenge ermittelt wird.
  9. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Verdampfungseinheit (18) und der Reformierungseinrichtung (12) eine Zündeinrichtung (32) vorgesehen ist.
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