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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Reformer zum Generieren eines
Wasserstoffgas enthaltenden Brenngases, insbesondere für
ein Brennstoffzellensystem. Die Erfindung betrifft außerdem
ein mit einem solchen Reformer ausgestattetes Brennstoffzellensystem.
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Ein
Wasserstoffgas enthaltendes Brenngas, das auch als Synthesegas oder
Syngas bezeichnet werden kann, lässt sich mit Hilfe eines
Reformers beispielsweise durch partielle Oxidation eines Kraftstoffes
gewinnen. Als Kraftstoff eignen sich hierzu grundsätzlich
beliebige Kohlenwasserstoffe. Bei Anwendungen in Kraftfahrzeugen
werden flüssige Kraftstoffe, wie z. B. Diesel, Benzin,
Biodiesel und andere synthetische Kraftstoffe, herangezogen, die
im Fahrzeug in flüssiger Form ohnehin mitgeführt
werden. Hierzu umfasst ein herkömmlicher Reformer üblicherweise
eine Kraftstoffzuführeinrichtung zum Zuführen
eines flüssigen Kraftstoffs zum Reformer sowie eine Luftzuführeinrichtung
zum Zuführen von Luft zum Reformer. Ferner enthält
der Reformer üblicherweise eine Mischkammer zum Mischen
von in die Mischkammer eingebrachtem Kraftstoff und darin eingebrachter
Luft. Für die Kraftstoffreformierung ist es erforderlich,
dass der flüssig zugeführte Kraftstoff zunächst
verdampft wird, um dann ein möglichst homogenes Kraftstoffdampf-Luft-Gemisch
zu erzeugen, das beispielsweise einem Katalysator zugefügt werden
kann. Für die Verdampfung des Kraftstoffs kann der Reformer
mit einer entsprechenden Verdampfungseinrichtung ausgestattet sein.
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Aus
der
DE 102 17 675
A1 ist ein Reformer mit einer Verdampfereinrichtung bekannt.
Die Verdampfereinrichtung besteht dabei aus einer porösen Verdampferstruktur,
die an einer Einlassseite der Mischkammer angeordnet ist und an
welche die Kraftstoffzuführeinrichtung so angeschlossen
ist, dass der flüssige Kraftstoff unmittelbar in die Verdampferstruktur
eingebracht werden kann. Die Verdampferstruktur, die beispielsweise
durch Vliesmaterial oder sonstiges Gewebe oder mattenartiges Gewebe,
Schaum, Keramik oder dergleichen gebildet sein kann, besitzt eine
sehr große Oberfläche, was die Verdampfung des
Kraftstoffs begünstigt. Eine Verdampfungseinrichtung, die
mit einer derartigen Verdampferstruktur arbeitet, baut vergleichsweise groß.
Des Weiteren wird die Leistungsfähigkeit des Reformers
durch die Menge des verdampfbaren Kraftstoffs begrenzt.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem,
für einen Reformer der eingangs genannten Art bzw. für
ein damit ausgestattetes Brennstoffzellensystem eine verbesserte
Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere dadurch
charakterisiert, dass bei kompakter Bauweise eine vergleichsweise
hohe Leistung realisierbar ist.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände
der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, den flüssigen
Kraftstoff mit Hilfe einer Zerstäuberdüse direkt
in die Mischkammer einzuspritzen. Beim Zersträuben des
flüssigen Kraftstoffs werden extrem kleine Tröpfchen
erzeugt, wodurch flüssiger Kraftstoff eine entsprechend
große Oberfläche enthält, was die Verdampfung
begünstigt. Mit Hilfe einer solchen Zerstäuberdüse
können bei entsprechenden Drücken sehr große
Kraftstoffmengen zugeführt und verdampft werden, was die
Leistungsfähigkeit des Reformers und des damit ausgestatteten Brennstoffzellensystems
entsprechend erhöht. Gleichzeitig baut der Reformer mit
der Zerstäuberdüse kompakt, was insbesondere einen
Einsatz in einem Kraftfahrzeug erleichtert.
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Entsprechend
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann die
Mischkammer durch einen Zwischenboden von einem Vorraum getrennt sein,
der zumindest eine Bodenöffnung enthält, wobei
die Zerstäuberdüse durch den Vorraum hindurch in
die Bodenöffnung hineinragt. Diesem Vorraum kann ein Gas,
z. B. Luft und/oder Wasserdampf und/oder rezirkuliertes Anodenabgas,
zugeführt werden, wobei zwischen der Zerstäuberdüse
oder einer Düsenaufnahme einerseits und einem Rand der
Bodenöffnung andererseits ein Ringspalt ausgebildet ist,
durch den das jeweilige Gas vom Vorraum zur Mischkammer strömen
kann. Bei dieser Bauweise wird der mit Hilfe der Zerstäuberdüse
erzeugte Einspritzstrahl radial außen bezüglich
einer Hauptspritzrichtung von dem durch den Ringspalt in die Mischkammer
eingebrachten Gas umhüllt. Gleichzeitig wird eine intensive
Durchmischung des einströmenden Gases und des eingespritzten
Kraftstoffs erreicht.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen
Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils
angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder
in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden
Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen
dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche
oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Es
zeigen, jeweils schematisch,
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1 ein
Brennstoffzellensystem mit einem Reformer in einem Kraftfahrzeug,
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2 eine
stark vereinfachte Schnittansicht eines Reformers,
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3 bis 5 stark
vereinfachten Schnittansichten von verschiedenen Zerstäuberdüsen.
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Entsprechend 1 umfasst
ein Brennstoffzellensystem 1, das in einem im übrigen
nicht dargestellten Kraftfahrzeug angeordnet ist, zumindest eine Brennstoffzelle 2 sowie
einen Reformer 3. Die Brennstoffzelle 2 dient
in üblicher Weise zum Generieren von Strom aus einem Wasserstoffgas
enthaltenden Brenngas und einem Sauerstoffgas enthaltenden Oxidatorgas.
Das Brenngas wird dabei einer Anodenseite 4 der Brennstoffzelle 2 zugeführt,
während das Oxidatorgas, bei dem es sich zweckmäßig
um Luft handelt, einer Kathodenseite 5 der Brennstoffzelle 2 zugeführt
wird. In der Brennstoffzelle 2 trennt ein Elektrolyt 6 die
Anodenseite 4 von der Kathodenseite 5. Üblicherweise
besteht die Brennstoffzelle 2 aus einem Stapel mehrerer
Brennstoffzellenelemente, in denen jeweils die Anodenseite 4 durch
einen Elektrolyten 6 von der Kathodenseite 5 getrennt
ist. Vorzugsweise handelt es sich bei der Brennstoffzelle um eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle,
die insbesondere als Festkörper-Brennstoffzelle bzw. als
SOFC-Brennstoffzelle ausgestaltet sein kann. Ebenso ist es grundsätzlich
möglich, die Brennstoffzelle 2 als Niedertemperatur-Brennstoffzelle
auszugestalten, die insbesondere eine PEM-Brennstoffzelle sein kann, die
mit einer Protonen-Transport-Membran bzw. mit einer Polymer-Elektrolyt-Membran
als Elektrolyt 6 arbeitet. Für diesen Fall kann
zusätzlich eine hier nicht gezeigte CO- Reinigungseinrichtung
zwischen Reformer 3 und Brennstoffzelle 2 vorgesehen
sein.
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Die
Brennstoffzelle 2 erhält eingangsseitig über
eine an die Anodenseite 4 angeschlossene Anodengasleitung 7 ein
durch das Brenngas gebildetes Anodengas. Ein Wasserstoffgas enthaltendes
Anodenabgas verlässt die Brennstoffzelle 2 ausgangsseitig über
eine Anodenabgasleitung 8, die ebenfalls an die Anodenseite 4 angeschlossen
ist. Des Weiteren erhält die Brennstoffzelle 2 eingangsseitig über eine
an die Kathodenseite 5 angeschlossene Kathodengasleitung 9 ein
durch das Oxidatorgas gebildetes Kathodengas. Ein Kathodenabgas
verlässt die Brennstoffzelle 2 ausgangsseitig über
eine Kathodenabgasleitung 10, die hierzu an die Kathodenseite 5 angeschlossen
ist.
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Das
Brennstoffzellensystem 1 ist zweckmäßig
mit einer Luftversorgungseinrichtung 11 ausgestattet, die
zum Zuführen von Oxidatorgas, also insbesondere von Luft,
zu wenigstens einer Komponente des Brennstoffzellensystems 1 ausgestaltet
ist. Hierzu weist sie eine Versorgungsleitung 12 auf, in der
eine geeignete erste Fördereinrichtung 13, z.
B. eine Pumpe oder ein Gebläse, zum Antreiben des Oxidatorgases
angeordnet ist. Die Versorgungsleitung 12 kann an die jeweilige
mit Oxidatorgas zu versorgende Komponente des Brennstoffzellensystems 1 direkt
oder – wie hier – über einen entsprechenden Versorgungsleitungszweig
angeschlossen sein. Beim hier gezeigten Beispiel sind zwei derartige
Versorgungsleitungszweige vorgesehen, nämlich ein erster
Versorgungsleitungszweig 14 und ein zweiter Versorgungsleitungszweig 16.
Der erste Versorgungsleitungszweig 14 bildet die Kathodengasleitung 9 und
führt das Oxidatorgas der Brennstoffzelle 2 zu.
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Zur
gezielten Aufteilung des mit der Fördereinrichtung 13 geförderten
Oxidatorgases von der gemeinsamen Versorgungsleitung 12 auf
die einzelnen Versorgungsleitungszweige 14, 16 kann
eine Ventileinrichtung 20 vorgesehen sein, die über
eine entsprechende, hier nicht dargestellte Steuerung gezielt so
betätigbar ist, dass die jeweils erforderliche Oxidatorgasmenge
durch den jeweiligen Versorgungsleitungszweig 14, 16 förderbar
ist.
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Im
Beispiel ist eine weitere Versorgungsleitung 15 vorgesehen,
die im folgenden auch als dritter Versorgungsleitungszweig 15 bezeichnet
wird und die eine zweite Fördereinrichtung 37 enthält,
bei der es sich ebenfalls um eine Pumpe oder ein Gebläse handeln
kann. Grundsätzlich kann der dritte Versorgungsleitungszweig 15 auch
an die Ventileinrichtung 20 angeschlossen sein, so dass
auf die zweite Fördereinrichtung 37 verzichtet
werden kann.
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Der
Reformer 3 dient zum Erzeugen des Brenngases aus einem
flüssigen Kraftstoff und aus einem Oxidatorgas, vorzugsweise
Luft. Hierzu ist der Reformer 3 eingangsseitig an eine
Kraftstoffleitung 17 und an eine Luft- oder Oxidatorleitung 18 angeschlossen.
Beim Kraftstoff handelt es sich um einen atomaren Wasserstoff enthaltenden
flüssigen Kraftstoff, vorzugsweise um einen Kohlenwasserstoff. Zweckmäßig
kann dabei derjenige Kraftstoff verwendet werden, der in einem mit
dem Brennstoffzellensystem 1 ausgestatteten Kraftfahrzeug
ohnehin zum Betreiben einer Brennkraftmaschine des Fahrzeugs vorhanden
ist, also insbesondere Benzin, Diesel, Biodiesel. Zum Antreiben
des Kraftstoffs enthält die Kraftstoffleitung 17 eine
geeignete Fördereinrichtung 68, z. B. eine Pumpe.
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Die
Oxidatorleitung 18 führt dem Reformer 3 das
Oxidatorgas zu und ist im gezeigten Beispiel durch die weitere Versorgungsleitung 15 bzw.
durch den dritten Versorgungsleitungszweig 15 gebildet.
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Das
Brennstoffzellensystem 1 kann außerdem einen Restgasbrenner 21 aufweisen,
der zum Verbrennen von Anodenabgas mit Kathodenabgas ausgestaltet
ist. Hierzu ist der Restgasbrenner 21 eingangsseitig an
die Anodenabgasleitung 8 und an die Kathodenabgasleitung 10 angeschlossen.
Bevorzugt ist der Restgasbrenner 21 mit einem Brennraum 22 ausgestattet,
in dem eine Verbrennungsreaktion mit offener Flamme abläuft.
Grundsätzlich ist jedoch auch ein Restgasbrenner 21 denkbar,
der einen Oxidationskatalysator aufweist und mit katalytischer Verbrennung
arbeitet. Ausgangsseitig ist an den Restgasbrenner 21 eine
Abgasleitung 23 angeschlossen, über die ein durch
die Verbrennungsreaktion gebildetes Brennerabgas vom Restgasbrenner 21 abgeführt wird.
Optional kann an den Restgasbrenner 21 eine Kühlgasleitung 24 angeschlossen
sein, und zwar insbesondere kathodenseitig. Über die Kühlgasleitung 24 ist
bei Bedarf ein Kühlgas, vorzugsweise Luft, dem Restgasbrenner 21 zuführbar.
Im gezeigten Beispiel ist die Kühlgasleitung 24 durch
den zweiten Versorgungsleitungszweig 16 gebildet.
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Bei
der hier gezeigten, bevorzugten Ausführungsform dient die
Luftversorgungseinrichtung 11 zur Versorgung der Brennstoffzelle 2,
des Reformers 3 und des Restgasbrenners 21 mit
Luft. Bei einer anderen Ausführungsform kann die Luftversorgungseinrichtung 11 auch
so ausgestaltet sein, dass sie nur eine dieser Komponenten 2, 3, 21 oder
nur zwei dieser Komponenten 2, 3, 21 mit
Luft versorgt. Zur Versorgung der jeweils anderen Komponente oder
Komponenten 2, 3, 21 kann dann zumindest
eine weitere Luftversorgungseinrichtung vorgesehen sein.
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Das
Brennstoffzellensystem 1 kann des Weiteren zumindest einen
Wärmeübertrager aufweisen. Im gezeigten Beispiel
sind drei Wärmeübertrager vorgesehen, nämlich
ein Hauptwärmeübertrager 25, ein Rezirkulationswärmeübertrager 27 und
ein Hilfswärmeübertrager 28. Der Hauptwärmeübertrager 25 ist
einerseits in die Abgasleitung 23 und andererseits in die
Kathodengasleitung 9 bzw. in den ersten Versorgungsleitungszweig 14 eingebunden
und dient somit zur Übertragung von Wärme vom
Brennerabgas auf das Kathodengas. Der Rezirkulationswärmeübertrager 27 ist
einerseits in die Oxidatorgasleitung 18 bzw. in den dritten
Versorgungsleitungszweig 15 und andererseits in eine Rezirkulationsleitung 29 eingebunden.
Diese Rezirkulationsleitung 29 zweigt bei 30 von
der Anodenabgasleitung 8 ab und ist an die Eingangsseite
des Reformers 3 angeschlossen. Sie enthält stromab
des Rezirkulationswär meübertragers 27 eine
Fördereinrichtung 31 zum Antreiben des rezirkulierten
Anodenabgases, bei der es sich beispielsweise um eine Pumpe, ein
Gebläse oder einen Kompressor handeln kann. Das Anodenabgas
kann je nach Betriebszustand der Brennstoffzelle 2 einen relativ
hohen Anteil an Wasserstoffgas enthalten und kann somit durch die
Rückführung in den Reformer 3 zur Steigerung
des Wirkungsgrads und zur Rußreduzierung genutzt werden.
Schließlich ist der Hilfswärmeübertrager 28 einerseits
in die Abgasleitung 23 und andererseits in eine Leitung 32 eingebunden,
die zu einem grundsätzlich beliebigen Wärmeverbraucher
führen kann. Insbesondere kann der Hilfswärmeübertrager 28 über
die Leitung 32 in einen Kühlkreis einer Brennkraftmaschine
des mit dem Brennstoffzellensystem 1 ausgestatteten Kraftfahrzeugs oder
in einen Heizkreis zum Aufwärmen eines Fahrzeuginnenraums
des mit dem Brennstoffzellensystem 1 ausgestatteten Fahrzeugs
eingebunden sein. Der Hilfswärmeübertrager 28 ist
in der Abgasleitung 23 stromab des Hauptwärmeübertragers 25 angeordnet
und kann dem Brennerabgas zusätzliche Wärme entziehen.
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Brennstoffzelle 2,
Restgasbrenner 21, Hauptwärmeübertrager 25,
Rezirkulationswärmeübertrager 27 und
Hilfswärmeübertrager 28 bilden in den
gezeigten Beispielen jeweils separate Komponenten. Grundsätzlich
ist es jedoch möglich, zumindest zwei dieser Komponenten
baulich zu einer Einheit zu integrieren. Beispielsweise kann der
Restgasbrenner 21 in eine Ausgangsseite der Brennstoffzelle 2 integriert
werden. Zusätzlich oder alternativ kann der Hauptwärmeübertrager 25 in
eine Ausgangsseite des Restgasbrenners 21 integriert werden.
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Ebenso
ist es möglich, zwei oder mehr Wärmeübertrager 25, 27, 28 zu
einer baulichen Einheit zu integrieren.
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Das
Brennstoffzellensystem 1 weist hier außerdem eine
thermisch isolierende Isolationshülle 33 auf,
die durch eine unterbrochene Linie angedeutet ist. Sie besteht aus
einem thermisch isolierenden Material. Im gezeigten Beispiel sind
von der Isolationshülle 33 die Brennstoffzelle 2,
der Reformer 3, der Restgasbrenner 21 und der
Hauptwärmeübertrager 25 umhüllt,
während der Rezirkulationswärmeübertrager 27 mit
der zugehörigen Fördereinrichtung 31 und
der Hilfswärmeübertrager 28 sowie Teile
der Oxidatorversorgungseinrichtung 11 außerhalb
der Isolationshülle 33 angeordnet sind. Denkbar
ist auch eine Ausführungsform, bei der die Isolationshülle 33 aus mehreren
Teilhüllen besteht.
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Im
Bereich der mit den entsprechenden Anschlüssen versehenen
Eingangsseite des Reformers 3 ist die Kraftstoffleitung 17 direkt
an den Reformer 3 anschließbar; die Isolationshülle 33 kann
dort eine entsprechende Aussparung aufweisen. Auf diese Weise wird
vermieden, die Kraftstoffleitung 17 innerhalb der Isolationshülle 33 zu
verlegen.
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Der
Reformer 3 enthält einen Gemischbildungsabschnitt 34 und
einen Reaktorabschnitt 35. Im Gemischbildungsabschnitt 34 wird
ein möglichst homogenes Gemisch aus teilweise oder vollständig
verdampftem Kraftstoff und Oxidatorgas sowie ggf. rückgeführtem
Anodenabgas gebildet. Dieses Gemisch wird dem Reaktorabschnitt 35 zugeführt.
Im Reaktorabschnitt 35 erfolgt die Generierung des Reformatgases
oder Brenngases oder Anodengases. Der Reaktorabschnitt 35 arbeitet
beispielsweise mit partieller Oxidation und kann hierzu einen entsprechenden Katalysator 38 enthalten.
Zur Verdampfung des dem Reformer 3 in flüssigem
Zustand zugeführten Kraftstoffs, bei dem es sich vorzugsweise
um Benzin handelt, weist der Reformer 3 eine Verdampfereinrichtung 36 auf,
an welche die Kraftstoffleitung 17 angeschlossen ist.
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Entsprechend 2 umfasst
der Reformer 3 in einem Gehäuse 39 eine
Mischkammer 40, welche den zuvor genannten Gemischbildungsabschnitt 34 bildet.
Die Mischkammer 40 ist dabei von einer inneren zylindrischen
Wand 41 umhüllt, die ihrerseits von einer äußeren
zylindrischen Wand 42 des Gehäuses 39 beabstandet
umhüllt ist, wodurch ein Ringraum 43 entsteht,
der die Mischkammer 40 in Umfangsrichtung umschließt.
Des weiteren ist im Gehäuse 39 ein Vorraum 44 ausgebildet,
der durch einen Zwischenboden 45 von der Mischkammer 40 getrennt
ist. Im Beispiel trennt der Zwischenboden 45 außerdem
den Ringraum 43 vom Vorraum 44. Der Vorraum 44 ist gegenüber
vom Zwischenboden 45 mit einem Endboden 46 verschlossen.
Im Beispiel geht die Innenwand 41 in einem zylindrischen
Rohrkörper 47 über, der den Reaktorabschnitt 35 bildet
und hierzu den Katalysator 38 enthält. Daran schließt
die Brenngasleitung 7 bzw. die Anodengasleitung 7 an.
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Der
Reformer 3 weist zumindest einen Kraftstoffanschluss 48 auf, über
den dem Reformer 3 der flüssige Kraftstoff mittels
der Kraftstoffpumpe 68 zugeführt wird. Die zugehörige
Kraft stoffleitung 17 ist durch einen Pfeil angedeutet.
Ferner weist der Reformer 3 zumindest einen Anschluss 49 auf.
Im Beispiel sind zwei Anschlüsse 49a und 49b vorgesehen.
Beispielsweise kann zumindest einer der beiden Anschlüsse 49a, 49b an
die Luftleitung 18 angeschlossen sein. Hier sind beide
Anschlüsse 49a, 49b an die Luftleitung 18 angeschlossen.
Die Luftleitung 18 zweigt sich hierzu über eine
Ventileinrichtung 50 in zwei Luftleitungszweige 18a und 18b auf,
die separat an jeweils einen der Anschlüsse 49a, 49b angeschlossen
sind. Zusätzlich oder alternativ kann zumindest einer der
beiden Anschlüsse 49a, 49b an die Rezirkulationsleitung 29 angeschlossen
sein. Hier sind beide Anschlüsse 49a, 49b an
die Rezirkulationsleitung 29 angeschlossen. Die Rezirkulationsleitung 29 zweigt
sich hierzu über eine Ventileinrichtung 69 in
zwei Rezirkulationsleitungszweige 29a und 29b auf,
die separat an jeweils einen der Anschlüsse 49a, 49b angeschlossen
sind.
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Alternativ
kann das rezirkulierte Anodenabgas der Luftleitung 18 oder
einem der Luftleitungszweige 18a, 18b zugeführt
werden, um so das rezirkulierte Anodenabgas zusammen mit Luft über
zumindest einen der Anschlüsse 49a, 49b dem
Reformer 3 zuzuführen. Darüber hinaus
ist grundsätzlich auch denkbar, das rezirkulierte Anodenabgas
nicht über einen dieser Anschlüsse 49a, 49b,
sondern über einen zusätzlichen, hier nicht gezeigten
separaten Rezirkulationsanschluss dem Reformer 3 zuzuführen,
wozu der jeweilige Anschluss dann einerseits an die Rezirkulationsleitung 29 angeschlossen
ist und andererseits mit der Mischkammer 40 oder mit dem
Vorraum 44 kommuniziert.
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Bei
einer autothermen Reformierung ist auch eine Zuführung
von Wasserdampf zum Reformer 3 denkbar, die dann über
wenigstens einen der Anschlüsse 49a, 49b oder über
einen separaten Anschluss erfolgen kann, gegebenenfalls zusammen mit
Luft und/oder rezirkuliertem Anodenabgas.
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Die
Verdampfereinrichtung 36 des hier vorgestellten Reformers 3 weist
zumindest eine Zerstäuberdüse 51 auf,
mit deren Hilfe der flüssig zugeführte Kraftstoff
direkt in die Mischkammer 40 eingespritzt werden kann.
Die Zerstäuberdüse 51 ist zweckmäßig so
ausgestaltet, dass sie einen sich in der Einspritzrichtung kegelförmig
aufweitenden Spritzstrahl 52 generiert, der zweckmäßig
bezüglich einer Längsmittelachse 53 rotationssymmetrisch
ausgestaltet ist. Diese Längsmittelachse 53 definiert
dabei eine Hauptstrahlrichtung 54, die hier durch einen
Pfeil symbolisiert ist und die mit der Längsmittelachse 53 zusammen
fällt. Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform,
bei welcher die Zerstäuberdüse 51 koaxial
zur zylindrischen Mischkammer 40 angeordnet ist. Außerdem
ist die Zerstäuberdüse 51 hier bevorzugt
an einer axialen Stirnseite der Mischkammer 40 angeordnet,
und zwar im Bereich des Zwischenbodens 45. Ferner ist die
Zerstäuberdüse 51 zum axialen Einspritzen
des Kraftstoffs in die Mischkammer 40 angeordnet. Hierdurch
fallen die Längsmittelachsen 53 von Zerstäuberdüse 51 und
Mischkammer 40 zusammen.
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Bei
der in 2 gezeigten bevorzugten Ausführungsform
weist der Zwischenboden 45 für jede Zerstäuberdüse 51 eine
Bodenöffnung 55 auf. Im Beispiel weist der Reformer 3 genau
eine Zerstäuberdüse 51 auf. Dementsprechend
weist der Zwischenboden 45 auch nur eine Bodenöffnung 55 auf.
Die Zerstäuberdüse 51 erstreckt sich
durch den Vorraum 44 koaxial hindurch und ragt in die Bodenöffnung 55 hinein.
Im Beispiel ist der Endboden 46 mit einer Düsenaufnahme 56 ausgestattet,
in welche die Zerstäuberdüse 51 eingesetzt
ist. Zwischen der Zerstäuberdüse 51 bzw.
der Düsenaufnahme 56 einerseits und einem Rand 57 der
Bodenöffnung 55 andererseits ist ein Ringspalt 58 ausgebildet.
Der eine Anschluss 49a ist an den Vorraum 44 angeschlossen,
so dass dem Vorraum 44 Luft und/oder rezirkuliertes Anodenabgas
und/oder Wasserdampf oder ein beliebiges anderes Gas zugeführt
werden kann. Dieses Gas gelangt vom Vorraum 44 durch den
Ringsspalt 58 in die Mischkammer 40.
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Im
gezeigten Beispiel endet die Zerstäuberdüse 51 bzw.
die Düsenaufnahme 56 axial bündig mit dem
Zwischenboden 45. Hierdurch wird in der Mischkammer 40 die
Ausbildung einer exponierten Kontur vermieden, die einer erhöhten
Temperaturbelastung ausgesetzt wäre. Der Ringspalt 58 zeigt
hier einen sich in der Strömungsrichtung des Gases verjüngenden
Querschnitt. Erreicht wird dies einerseits dadurch, dass die Düsenaufnahme 56 eine
konische Außenkontur 59 aufweist, die in den Ringspalt 58 hineinragt.
Des weiteren weist auch der Rand 57 der Bodenöffnung 55 eine
konische Innenkontur 60 auf. Die beiden Konizitäten
der Außenkontur 58 und der In nenkontur 60 sind
unterschiedlich, so dass sie in der Strömungsrichtung des
Gases aufeinander zulaufen bzw. konvergieren.
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Bei
der hier gezeigten Ausführungsform kann die Luftzuführeinrichtung 18 über
den zweiten Anschluss 49b dem Ringraum 43 Luft
zuführen. Die Innenwand 41 weist mehrere Wandöffnungen 61 auf, durch
welche Luft vom Ringraum 43 in die Mischkammer 40 überströmen
kann. Die Positionierung und/oder Dimensionierung der Wandöffnungen 61 kann
dabei an die Geometrie des Spritzstrahls 52 angepasst sein,
um eine intensive Durchmischung, Verwirbelung zu realisieren. Hierdurch
können eine effektive Verdampfungswirkung und eine intensive
Homogenisierung des Kraftstoffdampf-Luft-Gemischs realisiert werden.
Wie erläutert kann über besagten Anschluss 49b dem
Ringraum 43 auch rezirkuliertes Anodenabgas und/oder Wasserdampf
zugeführt werden. Optional kann der Ringraum 43 in
zwei gasdicht voneinander getrennte Teilräume unterteilt
sein, denen jeweils mehrere dieser Wandöffnungen 61 zugeordnet
sind und die jeweils über einen separaten Anschluss mit
verschiedenen Gasen, wie z. B. Luft, Anodenabgas, Wasserdampf, versorgt
werden.
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Der
Reformer 3 ist hier mit einer Zündeinrichtung 62 ausgestattet,
mit deren Hilfe ein zündfähiges Gemisch in Mischkammer 40 gezündet
werden kann. Eine derartige Zündeinrichtung 62,
bei der es sich beispielsweise um einen Glühstift oder
um eine Zündkerze handeln kann, ist insbesondere dann von Interesse,
wenn der Reformer 3 im Rahmen eines Kaltstarts zunächst
als Brenner betrieben wird. Des weiteren ist hier zumindest ein
Temperatursensor 63 vorgesehen, mit dessen Hilfe die Temperatur
in der Mischkammer 40 und/oder des Katalysators 38 gemessen
werden kann. Des weiteren ist im Beispiel auch einer Reaktionskammer 64,
die an die Mischkammer 40 angrenzt und die hier den Reaktorabschnitt 35 mit
dem Katalysator 38 bildet, ein weiterer Temperatursensor 63 zugeordnet,
mit dessen Hilfe beispielsweise die Austrittstemperatur des Brenngases
bzw. die Auslasstemperatur des Katalysators 38 gemessen
werden kann. Ein weiterer Temperatursensor 63 ist beispielsweise
der Düsenaufnahme 56 zugeordnet, um die thermische
Belastung der Zerstäuberdüse 51 überwachen
zu können.
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Bei
der in 2 gezeigten Ausführungsform handelt es
sich bei der Zerstäuberdüse 51 um eine Einstoffdüse,
die ausschließlich den ihr zugeführten Kraftstoff
zerstäubt und in die Mischkammer 40 einspritzt.
Alternativ kann es sich bei der Zerstäuberdüse 51 auch
um eine Zweistoffdüse handeln. Derartige Zweistoffdüsen
sind beispielsweise in den 3 bis 5 exemplarisch
dargestellt. Dabei zeigen die 3 und 4 jeweils
eine innenmischende Zweistoffdüse, während 5 eine
außenmischende Zweistoffdüse zeigt. Die Zweistoffdüsen 51 sind
hierzu einerseits an die Kraftstoffversorgungseinrichtung 17 angeschlossen,
was durch einen Pfeil angedeutet ist, sowie bevorzugt an die Luftzuführungseinrichtung 11,
was ebenfalls durch einen Pfeil angedeutet ist. Bei den innenmischenden
Zweistoffdüsen 51 der 3 und 4 erfolgt
eine Gemischbildung bereits im Inneren eines Düsenkörpers 65, der
hierzu einen Mischraum 66 enthält. Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform
wird beispielsweise der flüssige Stoff, also der Kraftstoff
radial zugeführt, sogenannte Y-Bauweise. Im Unterschied
dazu wird bei der in 4 gezeigten Ausführungsform
die Flüssigkeit koaxial in den Mischraum 66 eingespritzt.
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5 zeigt
nun eine außenmischende Zweistoffdüse 51,
bei der die Zweistoffmischung außerhalb des Düsenkörpers 65 erfolgt.
Beispielsweise wird der flüssige Stoff, also hier der Kraftstoff
zentral zugeführt, während der gasförmige
Stoff, also hier z. B. die Luft radial versetzt, insbesondere ringförmig und
focusiert zugeführt wird, wobei der Focus der Luftzuführung
außerhalb des Düsenkörpers 65 bei 67 liegt.
In diesem Focus 67 erfolgt dann die intensive Durchmischung
und Strahlbildung. Bei der in 2 gezeigten
Ausführungsform wird quasi die Zweistoff-Bauweise der in 5 gezeigten
Zweistoffdüse realisiert, indem die Düsenaufnahme 56 in
die Bodenöffnung 55 hineinragt, wodurch im Grunde
die gleiche Strömungskonfiguration gebildet wird wie bei der
außenmischenden Zweistoffdüse der 5.
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Beim
gasförmigen Stoff kann es sich auch um rezirkuliertes Anodenabgas
oder Wasserdampf oder um eine beliebige Kombination aus Luft, Anodenabgas
und Wasserdampf handeln.
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Andere
Einstoffdüsen bzw. Zerstäuberdüsen 51 können
beispielsweise eine Rotationszerstäuberdüse oder
eine Ultraschallzerstäuberdüse sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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