DE10307589A1 - Einrichtung zur Erzeugung eines reaktiven Gasgemisches aus wenigstens zwei Gaskomponenten - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung 1 zur Erzeugung eines reaktiven Gasgemisches 2 aus wenigstens zwei Gaskomponenten, die in Verbindung mit einer Brennstoffzelle steht, mit einer Mischkammer 8, die einen Auslass aufweist, und mit einem Einlassbereich 12 für eine erste Gaskomponente 3 und mit einer Zuführeinrichtung 9 für eine zweite, dosiert zuführbare Gaskomponente 10, die in den Einlassbereich 12 mündet, sowie mit wenigstens einem dem Einlassbereich 12 zugeordneten Rückführmittel 13, das zumindest teilweise in der Mischkammer 8 angeordnet ist, über das zumindest ein Teil der in die Mischkammer 8 einströmenden Gase in Richtung auf den Einlassbereich 12 rückführbar ist.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung eines reaktiven Gasgemisches aus wenigstens zwei Gaskomponenten.
• Insbesondere bei Brennstoffzellen ist es bekannt, daß für deren Funktion ein konditioniertes reaktives Gas zur Verfügung gestellt werden muß. Beispielsweise geht aus der WO 01/39308 A2 hervor, unterschiedliche Kreisläufe, die indirekt oder direkt mit einer Brennstoffzelle in Verbindung stehen, auf unterschiedliche Art und Weise zu konditionieren.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Konditionierung eines Gases zu beeinflussen, insbesondere zu verbessern.
• Diese Aufgabe wird mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines reaktiven Gasgemisches mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.
• Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Erzeugung eines reaktiven Gasgemisches aus wenigstens zwei Gaskomponenten steht in Verbindung mit einer Brennstoffzelle. Die Einrichtung weist eine Mischkammer mit einem Auslaß auf sowie einen Einlaßbereich für eine erste Gaskomponente. Weiterhin hat die Einrichtung eine Zuführeinrichtung für eine zweite, dosiert zuführbare Gaskomponente, die mit dem Einlassbereich in Verbindung steht, insbesondere in den Einlassbereich mündet, sowie wenigstens ein dem Einlaßbereich zugeordnetes Rückführmittel, das zumindest teilweise in der Mischkammer angeordnet ist, über das zumindest ein Teil der durch die Mischkammer strömenden Gase in Richtung auf den Einlaßbereich rückführbar ist.
• Die Rückführung erlaubt eine Verbesserung der Gemischbildung zwischen zumindest der ersten und der zweiten Gaskomponente. Insbesondere werden lokale und zeitliche Konzentrationsunterschiede ausgeglichen, wie sie beispielsweise bei einer intermittierenden Zuführung von zumindest einer Gaskomponente auftreten können. Dadurch wird insbesondere eine stromabwärts folgende Umsetzung des reaktiven Gasgemisches verbessert.
• Als Gaskomponente im Sinne dieser Erfindung sind alle Fluide zu betrachten, die insbesondere von vornherein gasförmig sind, sich bei oder nach einer Zuführung aus flüssigem Zustand in einen gasförmigen Zustand umwandeln, die als Nebel zugeführt werden, als überhitztes Gas, als eine Mischung aus verschiedenen Gasen oder auch als Mischung verschiedener Aggregatzustände von einem oder auch unterschiedlichen Fluiden.
• Eine besonders gute Durchmischung wie auch Rückführung ergibt sich, wenn zumindest die Zuführeinrichtung für die zweite Gaskomponente als Strahldüse ausgebildet ist. Vorzugsweise wird der Strahl über seine Länge aufgefächert und verteilt sich dabei. Der Strahl wird vorzugsweise mit einem Druck bei Gasen zwischen 2 mbar und 100 mbar, insbesondere zwischen 5 mbar und 80 mbar, bei flüssigen Kraftstoffen mit einem Druck zwischen 1 und 50 bar, insbesondere zwischen 4 und 35 bar eingeleitet. Eine Düsenöffnung der Strahldüse weist vorzugsweise einen Öffnungswinkel auf, der zwischen 15° und 90° liegt. Bei flüssigen Kraftstoffen weist die Düsenöffnung vorzugsweise einen Öffnungswinkel zwischen 30° und 80° auf. Bei Gasen wird vorzugsweise ein Freistrahl erzeugt, der in einem Winkelbereich zwischen 5° und 15° eintritt. Eine Düsenöffnung für das Gas weist einen daran angepassten Öffnungswinkel auf. Weiterhin kann die Strahldüse mehrere Düsenöffnungen aufweisen, insbesondere so angeordnet, daß eine jede dieser Düsenöffnungen den ausströmenden Strahl in einen etwas anderen Bereich verteilt. Auch kann die Strahldüse für flüssige Kraftstoffe wie auch für Gase ausgelegt sein.
• Eine besonders gute Vermischung verschiedener Gaskomponenten ergibt sich zumindest teilweise, wenn als Rückführmittel ein Durchströmelement für die in die Mischkammer einströmenden Gaskomponenten in der Mischkammer angeordnet ist, das eine Verbindungsöffnung im Einlaßbereich zur Mischkammer aufweist. Das Durchströmelement ist vorzugsweise so angeordnet, daß die verschiedenen Gaskomponenten sich innerhalb des Durchströmelements miteinander vermischen. Wird eine Strahldüse beispielsweise zur Zuführung der zweiten Gaskomponente verwendet, fächert sich vorzugsweise der aus der Strahldüse austretende Gasstrom erst innerhalb des Durchströmelements insbesondere vollständig auf. Aufgrund des gleichzeitig einströmenden Volumens der anderen Gaskomponente verwirbeln die einströmenden Gaskomponenten und treten als Gasgemenge aus dem Durchströmelement wieder aus. In dieser gemischten Form werden vorzugsweise diejenigen Teile der Strömung rückgeführt, die wandnah im Durchströmelement geführt sind. Aufgrund einer Wandhaftung sind insbesondere diese Bereiche zumeist nicht so homogen durchmischt wie im mittleren Bereich des Durchströmelements durchfließende Volumina. Das Durchströmelement ist daher vorzugsweise nicht nur in der Lage, die Volumina über die Verbindungsöffnung im Einlaßbereich aufzunehmen. Vielmehr wird zumindest ein Teil dieser Volumina entlang der Außenseite des Durchströmelements wieder zum Einlaßbereich der Mischkammer zurückgeführt. Dazu kann das Durchströmelement in unterschiedlicher Weise ausgeführt werden.
• Eine Weiterbildung sieht vor, daß das Durchströmelement als Rohr ausgebildet ist, das eintrittsseitig mit Abstand zum Einlaßbereich angeordnet ist, und das sich über eine Teillänge der Mischkammer erstreckt. Vorzugsweise bildet das Rohr mit einer Außenseite und einer gegenüberliegenden Innenseite der Mischkammer zumindest teilweise das Rückführmittel. Vorzugsweise ist das Rohr derart dimensioniert, daß ein Abstand zwischen einer Rohraußenwand und einer gegenüberliegenden Wand kleiner ist als ein Durchmesser des Rohres. Über einen freien Querschnitt, der für eine Rückströmung zur Verfügung steht, läßt sich beeinflussen, wie groß das Rückströmvolumen ist. Beispielsweise kann durch Verengung bzw. Vergrößerung das Rückströmvolumen eingestellt und beeinflußt werden. Vorzugsweise jedoch kann das Rückströmvolumen ungehindert entlang des Rückführmittels in Richtung des Einlaßbereichs strömen. Die Beabstandung des Rohres vom Einlaßbereich hat sich als vorteilhaft erwiesen, um dem Rückströmvolumen die Möglichkeit zu geben, sich direkt im Einlaßbereich mit einströmenden Gaskomponenten zu vermischen. Insbesondere erlaubt dieses, eine Rezirkulierung innerhalb der Mischkammer zu erzeugen. Vorzugsweise wird in das Durchströmelement der Strahl mit einer derart hohen Geschwindigkeit eingespritzt, daß ein Unterdruck entsteht. Durch diesen Unterdruck wird das Rückströmvolumen angesaugt und auf diese Weise ein Rezirkulationskreislauf geschlossen. Durch eine Veränderung des in das Durchströmelement eintretenden Strahls, sei es durch Veränderung des Strahlvolumens, des Strahldrucks, der Strahlfächerung o.ä., läßt sich die Rückströmung ebenfalls gezielt beeinflussen.
• Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, daß der Mischkammer eine Einlaßkammer für die erste Gaskomponente vorgeordnet ist, und daß dem Einlassbereich der Mischkammer eine Überströmöffnung zwischen Einlasskammer und Mischkammer zugeordnet ist, insbesondere der Einlassbereich der Mischkammer durch die Überströmöffnung zwischen Einlaßkammer und Mischkammer gebildet wird. Dieses hat den Vorteil, daß die erste Gaskomponente und die zweite Gaskomponente zumindest teilweise schon im Bereich der Einlaßkammer zusammengeführt werden. Weiterhin kann der aus der Strahldüse austretende Sprühstrahl dazu benutzt werden, die erste Gaskomponente ebenfalls anzusaugen. Dabei wird die kinetische Energie des Sprühstrahls so hoch erzeugt, daß die erste Gaskomponente mitgerissen wird. Vorzugsweise weist die Überströmöffnung im Einlaßbereich auf einer Innenseite der Mischkammer zumindest ein Leitelement auf. Über dieses Leitelement kann der in die Mischkammer eintretende Gasstrom gezielt auf das Rückführmittel gerichtet werden. Weiterhin dient vorzugsweise das Leitelement auch als zusätzliche Düse.
• Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Zuführeinrichtung für die zweite, als Flüssigkeit zuzuführende Gaskomponente durch eine Strahldüse mit einem taktend arbeitenden Einspritzventil gebildet wird. Dieses erlaubt, daß ein sehr fein dosierbarer Volumenstrom erzeugt werden kann. Darüber hinaus erlaubt dieses die Zuführung von flüssigen Kohlenwasserstoffen, beispielsweise Benzin, Diesel, Methanol oder auch verflüssigtes Erdgas. Dieses kann in hoher Energiedichte gelagert und dem System zugeführt werden. Daher eignet sich die Einrichtung zur Erzeugung eines reaktiven Gasgemisches insbesondere für mobile Brennstoffzellensysteme. Dieses können Brennstoffzellensysteme sein, wie sie für Pkw, Lkw oder sonstige, örtlich ungebundene Vorrichtungen einsetzbar sind. Vorteilhafte Ausgestaltungen von Einspritzsystemen, die für den Einsatz angepaßt, insbesondere für eine oder mehrere gleichzeitig einzuspritzende Komponenten geeignet sind, gehen beispielsweise aus der DE 197 15 785 A1 , aus der WO 99/22133 wie auch aus der DE 100 61 035 A1 hervor, auf die im Rahmen dieser Offenbarung bezüglich eines Aufbaus einer Zuführeinrichtung und deren Betrieb verwiesen wird.
• Vorzugsweise ist die Zuführeinrichtung für die zweite Gaskomponente in einem Abstand zur Überströmöffnung so angeordnet, daß ein Sprühstrahl ungehindert durch die Überströmöffnung in die Mischkammer bis in das Durchströmelement eintreten kann. Auf diese Weise gelingt es, einerseits die erste Gaskomponente durch die zweite Gaskomponente in die Überströmöffnung und anschließend in das Durchströmelement mitzuziehen. Zum anderen wird bei einem direkten Einspritzen in das Durchströmelement nur wenig Energie für Umlenkungen u.ä. verbraucht. Dadurch steigt der Wirkungsgrad der Einrichtung, da Verlustarbeit gering gehalten wird.
• Eine Weiterbildung sieht vor, daß ein der Mischkammer zugeordneter Katalysator auslaßseitig in einen Strömungskanal ausmündet. Der Katalysator erlaubt eine katalytische Reaktion des durch ihn hindurchströmenden Volumens. Bevorzugt ist es daher, daß ein möglichst homogenes Volumen auf den Katalysator auftrifft. Durch eine entsprechende Homogenisierung durch rezirkulierendes Gas innerhalb der Mischkammer gelingt es insbesondere, daß der Katalysator selbst eine gleichmäßige Erwärmung erfährt. Dieses erlaubt, daß über den Querschnitt des Katalysators auch eine gleichmäßige Umsetzung des durch ihn hindurchströmenden Volumens erfolgt. Eine Weiterbildung sieht vor, daß der Strömungswiderstand, der durch den Katalysator im Strömungskanal erzeugt wird, gegenüber dem Einspritzstrahl abgestimmt ist. Der Strömungswiderstand des Katalysators ist vorzugsweise so eingestellt, daß eine Rückströmung und damit Rezirkulation von Gas hin zum Einlaßbereich der Mischkammer unterstützt wird. Vorzugsweise ist daher der Katalysator auch in einem Abstand zum Durchströmelement angeordnet, der zwar eine gleichmäßige Strömungsausbildung ermöglicht, jedoch nicht so weit beabstandet ist, als daß ein Druckverlust über den Strömungsweg annähernd gleich oder größer ist als derjenige über den Katalysator.
• Eine weitere Ausgestaltung der Einrichtung sieht vor, daß der Strömungskanal die Mischkammer mit Abstand umfaßt, und daß die Mischkammer im Bereich zwischen der Überströmöffnung und einer Eintrittsseite des Durchströmelements mit zumindest einer Durchtrittsöffnung versehen ist, die in Verbindung mit dem Strömungskanal steht. Dieses erlaubt es insbesondere, daß das aus dem Katalysator austretende Gas ebenfalls zum Eintrittsbereich zumindest teilweise zurückgeführt werden kann. Dieses ermöglicht eine Homogenisierung des Gemisches mit beispielsweise vollständig umgesetztem Gas. Dieses kann sinnvoll sein, wenn dadurch vermieden werden soll, daß beispielsweise ein zu fettes Gasgemisch auf den Katalysator auftrifft. Andererseits besteht die Möglichkeit, daß ein nicht vollständig im Katalysator umgesetztes reaktives Gasgemisch durch ent sprechende Rückführung umgewandelt und damit die Energieausbeute erhöht wird. Die Rückführung des aus dem Katalysator austretenden Gases kann unabhängig von einer Rückführung von dem durch das Durchströmelement hindurchgeströmte Gasvolumen sein. Beispielsweise besteht gemäß einer ersten Ausgestaltung die Möglichkeit, daß nur eine teilweise Rückführung des aus dem Katalysator strömenden Gases erfolgt.
• Gemäß einer zweiten Ausgestaltung wird durch den Katalysator hindurchgeströmtes Gas teilweise zusätzlich zu dem vom Durchströmelement zurückgeführten Volumenstrom in den Eintrittsbereich in der Mischkammer beigefügt. Über beispielsweise Stellelemente wie Klappen, Ventile o.ä. können dabei die jeweiligen Rückströmungen gezielt gesteuert werden und damit aufeinander abgestimmt zu einer Homogenisierung des durch die Mischkammer auf den Katalysator zuströmenden Gasgemisches führen.
• Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, daß das reaktive Gasgemisch stromabwärts von der Mischkammer unter Ausnutzung entstehender Wärme unter Bildung einer Flamme umgesetzt wird. Dazu kann der Einrichtung eine Flammeinrichtung zugeordnet sein, in der die Flamme durch entsprechende Gestaltung der Umgebung ihre Wärme abgibt. Die Flammeinrichtung kann zusätzlich beispielsweise eine Zündvorrichtung aufweisen, die insbesondere so ausgestaltet ist, daß ein Flammenbereich nur über einen bestimmten Abschnitt stromabwärts vom Einlaßbereich aufrechterhalten werden kann. In anderen Bereichen würde die Flamme erlöschen. Dieses wird beispielsweise mittels feiner Gitterstrukturen im Flammenweg sichergestellt, durch die zwar heiße Gase hindurchtreten, nicht aber die Flamme selbst.
• Eine erste Anwendung in bezug auf einen Einsatz insbesondere einer mobilen Brennstoffzelle sieht vor, daß die Einrichtung zur Erzeugung eines reaktiven Gasgemisches zur Erzeugung von Reformgas zur Brennstoffversorgung der Brennstoffzelle Verwendung findet.
• Eine zweite Einsatzmöglichkeit sieht vor, daß die Einrichtung als Teil eines katalytischen Brenners zur Verwertung von Anodenrestgas der Brennstoffzelle Anwendung findet.
• Die erste Anwendung der Einrichtung als Reformer dient zur Erzeugung eines wasserstoffreichen Gases aus einem Kohlenwasserstoff, insbesondere Benzin, Diesel, Methanol, Erdgas. Der Kraftstoff wird dazu vorzugsweise mit erhitzter Luft und Wasserdampf gemischt und in einem Katalysator zu H₂, CO₂, CO, H₂O und N₂ umgewandelt. Die Einrichtung zur Erzeugung eines reaktiven Gasgemisches eignet sich insbesondere für diesen Einsatz besonders aufgrund der Bildung eines homogenen Gemisches unter gleichzeitiger Verdampfung des eingespritzten flüssigen Kohlenwasserstoffnebels über die Zuführeinrichtung. Weiterhin gelingt es, einen Betrieb der Einrichtung so durchzuführen, daß Eduktenmassenströme an einen Lastpunkt der Brennstoffzelle angepaßt werden können. Die erhitzte Luft, der Wasserdampf wie auch der Kohlenwasserstoff können dazu dosiert in die Einrichtung einströmen. Vorzugsweise erfolgt dieses für den flüssigen Kohlenwasserstoff in Form eines getakteten Einspritzens. Vorzugsweise wird die Taktung so vorgenommen, daß ein Aufbau schädlicher Gasschwingungen in der Einrichtung vermieden wird. Dieses kann beispielsweise durch Veränderung des Volumenstroms, der Taktfrequenz wie auch der Amplituden bei Öffnung eines Ventils eines Einspritzsystems der Strahldüse erzeugt werden. Die erhitzte Luft wie auch der Wasserdampf werden bevorzugt ebenfalls jeweils unter Druck stehend der Mischkammer zugeführt.
• Die bevorzugte zweite Anwendung der Einrichtung zur Erzeugung eines reaktiven Gasgemisches, die Nachverbrennung eines Anodenrestgases der Brennstoffzelle, erlaubt, daß der Mischkammer zugeordnet ein Katalysator angeordnet ist. Im Katalysator erfolgt eine katalytische Reaktion aufgrund der Umsetzung von beispielsweise bis zu 20% Wasserstoff, die das Anodenrestgas beim Austritt aus der Brennstoffzelle aufweisen kann. Dem Anodenrestgas wird gemäß einer Weiterbildung vorzugsweise ein Kathodenrestgas beigemischt. Über eine Rückführung von einem Teil der miteinander gemischten Gase wird eine Homogenisierung des Anoden- und des Kathodenrestgases erzielt. Das Kathodenrestgas weist vorzugsweise eine Zusammensetzung auf, die zwischen 10 Vol-% bis 20 Vol-% O₂, einen Anteil an H₂O bis zu einer Höhe von 25 Vol-% und als Restgas zum überwiegenden Teil, insbesondere zwischen 95 Vol-% bis 99 Vol-%, vorzugsweise ausschließlich N₂ umfaßt.
• Bei einer angestrebten Homogenisierung über eine Rückführung eines Teils des Gases kann im übrigen auf verschiedene Aspekte abgestellt werden: auf eine möglichst homogene Temperaturverteilung, auf eine möglichst homogene Gasmischung oder auch auf beides.
• Eine weitere Anwendungsmöglichkeit der Einrichtung zur Erzeugung eines reaktiven Gasgemisches ist insbesondere bei reinen Wasserstoffsystemen die Kombination vorzugsweise mit einem Katalytbrenner. Im sogenannten "Purge"-Betrieb wird ein Teil des im Brennstoffzellensystem enthaltenen flüssigen Wassers entfernt. Insbesondere das sich auf der Anodenseite angesammelte flüssige Wasser wird abgeführt. Auch kann zusätzlich oder getrennt davon im Purge-Betrieb ein Teil des im Brennstoffzellensystems enthaltener Wasserstoff entfernt werden. Insbesondere wird Wasserstoff auf der Anodengasseite abgeführt. Das Wasser und/oder der Wasserstoff wird gemäß einer Ausgestaltung kurzzeitig in einen vorzugsweise kontinuierlich strömenden Kathodenoffgasstrom geführt. Eine Weiterbildung sieht vor, dass zum Purgen ein Ventil in einer Anodenoffgasleitung geöffnet wird. Dem aus dem geöffneten Ventil ausströmenden Gas wird dann das Wasser und/oder der Wasserstoff beigegeben. Eine Öffnung des Ventils kann zwischen wenigen Millisekunden, insbesondere zwischen 2 bis 5 Millisekunden, bis zu einigen Sekunden, insbesondere bis zu 10 Sekunden betra gen. Die Öffnungsdauer kann konstant oder auch veränderlich sein. Gemäß einer Ausgestaltung wird eine Steuerung vorgesehen, die in Abhängigkeit von zumindest einem vorgebbaren Parameter eine Öffnen und Schließen von zumindest dem Ventil in der Anodenoffgasleitung bewirkt. Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass eine Regelung zum Öffnen und Schließen von zumindest dem in der Anodenoffgasleitung angeordnetem Ventil vorgesehen ist. Für die Steuerung bzw. Regelung der Öffnungsdauer kann beispielsweise eine Messeinrichtung, vorzugsweise ein Spannungssensor vorgesehen werden, der in der Lage ist, direkt oder indirekt einen Abfall einer elektrischen Spannung auf Grund von einer zunehmenden Hemmung der Gasdiffusion in der Brennstoffzelle beispielsweise durch flüssiges Wasser zu detektieren. Beispielsweise ist in einer Überwachungseinheit, insbesondere einer Triggerschaltung, ein erster Grenzwert vorgebbar. Wird der erste Grenzwert erreicht, wird das Ventil geöffnet. Wird ein zweiter, insbesondere vorgebbarer Grenzwert erreicht, wird das Ventil wieder geschlossen.
• Eine Weiterbildung sieht vor, dass im Zeitraum um die Öffnung des Ventils, vorzugsweise zumindest annähernd gleichzeitig mit der Öffnung des Ventils in der Anodenoffgasleitung auch auf der Kathodenseite ein Ventil, insbesondere ein Druckhalteventil in der Offgasleitung geöffnet wird. Vorzugsweise werden dabei das aus dem geöffneten Ventil in der Anodenoffgasleitung ausströmende Fluid, insbesondere der Wasserstoff, und das Kathodenoffgas zusammengeführt und miteinander vermischt. Die Mischung wird insbesondere homogenisiert. Dieser Kathodenoffgasstrom trifft anschließend auf den Katalytbrenner. Durch entsprechende Anordnung der Einrichtung kann der im Spülbetrieb aus dem Brennstoffzellensystem austretende Wasserstoff beispielsweise exothermisch umgesetzt und die entstandene Wärme dem Brennstoffzellensystem wieder zugeführt werden.
• Gemäß einer Ausgestaltung wird eine Durchmischung von austretendem Wasserstoff derart und zu einem Zeitpunkt angestrebt, dass kein explosionsfähiges Gemisch entsteht. Insbesondere wird angestrebt, dass ein Wasserstoffanteil unter 4 Vol-%, vorzugsweise unter 3 Vol-% bei einer Zumischung zu bis zu 21 Vol-% O₂ liegt. Bei einer Zumischung zum Kathodenoffgasstrom wird angestrebt, dass der Wasserstoffanteil nicht explosionsfähig wird. Je nach Zusammensetzung des Kathodenoffgasstroms kann daher der Wasserstoffanteil deutlich höher als 4 Vol-%, insbesondere in einem Bereich zwischen 8 Vol-% und 15 Vol-% liegen. Er kann jedoch auch deutlich unterhalb von 4 Vol-% betragen, beispielsweise unter 2 Vol-%, vorzugsweise unterhalb von 1,5 Vol-%.
• Das homogenisierte, reaktive Gasgemisch wird anschließend dem Katalysator zugeführt und dort umgesetzt. Dadurch wird eine Freigabe nach auß0en von reaktivem Gas, insbesondere von explosionsfähigem Gas vermieden. Anschließend kann ein Teil des umgesetzten Gases zurückgeführt und dem neu ankommenden homogenisiertem Gasgemisch beigemischt werden.
• Die Einrichtung zur Erzeugung des reaktiven Gasgemischs weist vorzugsweise zumindest eine Auswerteinheit auf, die mittels zumindest eines Sensors einen Messparameter aufnimmt und auswertet zur Erzeugung eines definierten Brennstoffstroms in die Mischstrecke. Der Messparameter charakterisiert vorzugsweise eine an der Brennstoffzelle anliegende Last bzw. einen mit der Last korrelierten Wert. Vorzugsweise weist die Auswerteinheit eine angeschlossene Speichereinheit auf. In der Speichereinheit können ein oder mehrere Kennfelder hinterlegt sein, auf die die Auswerteinheit zurückgreifen kann. Vorzugsweise erzeugt die Auswerteinheit ein Signal, dass eine Stellvorrichtung betätigt zur Regulierung des Brennstoffstroms. Die Einrichtung weist insbesondere ein oder mehrere Messwertaufnehmer auf, die vorzugsweise ebenfalls mit der Auswerteinheit in Verbindung stehen. Die Messwertaufnehmer nehmen ein oder mehrere Messwerte von in Korrelation mit einem oder mehreren, in die oder durch die Einrichtung hindurchströmenden Fluiden auf. Dieses können beispielsweise Gaskonzentrationen, Gasvolumina, Gasgeschwindigkeiten, Temperaturen, Geschwindigkeitsrichtungen, Gasbeschleunigungen, Stellungen von in ihrer Position beweglichen Bauteilen sein, die vorzugsweise in oder auch an der Einrichtung angebracht sind. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist die Einrichtung eine angeschlossene Steuerung auf, mittels der zumindest auf einen Teil der Einrichtung und/oder auf einen Gasstrom Einfluß genommen werden kann. Über eine Koppelung vorzugsweise mit der Auswerteinheit weist eine Weiterbildung der Einrichtung eine direkte oder indirekte Regelung eines oder mehrerer Gasströme auf, die in bzw. durch die Einrichtung hindurchfließen.
• Weiterhin stellt die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung eines reaktiven Gasgemischs aus wenigstens zwei Gaskomponenten zur Verfügung, bei dem eine erste Gaskomponente in einem kontinuierlichen Volumenstrom einer Mischkammer zugeführt wird, in den eine aus flüssigen Kohlenwasserstoff zu bildende zweite Gaskomponente als Strahl intermittierend eingespritzt wird, wobei beide Gaskomponenten sich zumindest teilweise in der Mischkammer mischen und durch einen Katalysator strömen und dass ein Teilvolumenstrom des aus den beiden Gaskomponenten gebildeten Volumens zurückgeführt und mit zumindest einer der in die Mischkammer eintretenden Gaskomponente vermischt wird.
• Eine Weiterbildung sieht vor, dass die eingespritzte zweite Gaskomponente eine Druckdifferenz über die Mischkammer erzeugt und eine Rückströmung des Teilvolumenstromes zu den in die Mischkammer eintretenden Gaskomponenten bewirkt.
• Weitere vorteilhaften Ausgestaltungen und Weiterbildungen sowie Merkmale werden in den nachfolgenden Zeichnungen dargestellt und beschrieben. Es zeigen:
• 1: eine Einrichtung zur Erzeugung eines reaktiven Gasgemisches in Form einer Prinzipskizze; und
• 2: eine Prinzipskizze eines Brennstoffzellensystems, in dem eine Einrichtung wie aus 1 eingesetzt werden kann.
• 1 zeigt eine Einrichtung 1 zur Erzeugung eines reaktiven Gasgemisches 2 aus wenigstens zwei Gaskomponenten. Eine erste Gaskomponente 3 weist beispielsweise mehrere Komponenten selbst auf. Wie beispielsweise in 1 dargestellt, werden zur Erzeugung der ersten Gaskomponente 3 eine erste Ausgangskomponente 4 und eine zweite Ausgangskomponente 5 miteinander vermischt. Eine Vermischung kann beispielsweise in einem Wärmetauscher 6 erfolgen. Wird beispielsweise die Einrichtung 1 als Reformer eingesetzt, kann die erste Ausgangskomponente 4 Luft sein, während die zweite Ausgangskomponente 5 überhitzter Wasserdampf ist. Über den Wärmetauscher 6 kann beiden Ausgangskomponenten 4, 5 Wärme zugeführt werden, die vorzugsweise direkt aus einem Brennstoffzellenkreislauf gewonnen worden ist. Die erste Gaskomponente 3 wird vom Wärmetauscher 6 zu einer Einlaßkammer 7 für die erste Gaskomponente 3 geführt, die einer Mischkammer 8 vorgeordnet ist und mit dieser über eine Überströmöffnung 14 in Verbindung steht. In der Einlasskammer 7 ist eine Zuführeinrichtung 9 für eine zweite Gaskomponente 10 angeordnet. Die Zuführeinrichtung 9 ist vorzugsweise mit einem Einspritzventil ausgestattet, über das die zweite Gaskomponente 10 durch die Überströmöffnung 14 dosierbar zu der Mischkammer 8 zugeführt werden kann. Insbesondere wird die zweite Gaskomponente 10 strahlförmig in die Mischkammer 8 eingeführt, so daß der Gasstrahl in ein Durchströmelement 11 eintritt, welches einem Einlaßbereich 12 der Mischkammer 8 zugeordnet ist. Das Durchströmelement 11 bildet in der Mischkammer 8 ein Rückführmittel 13, da ein Teil der in die Mischkammer 8 einströmenden ersten Gaskomponente 3 und der zweiten Gaskomponente 10 in Richtung auf den Einlaßbereich 12 entlang eines Außenbereichs des Durchströmelements 11 rückgeführt wird. Dieses ist durch Pfeile angedeutet, die von einem Auslaß des Durchströmelements 11 zu einer Verbin dungsöffnung des Durchströmelements 11 führen, welche im Einlaßbereich 12 der Mischkammer 8 angeordnet ist.
• Vorzugsweise weist die Überströmöffnung 14, die ein Durchströmen von Volumina aus der Einlaßkammer 7 in die Mischkammer 8 ermöglicht, zumindest ein Leitelement 15 auf. Das Leitelement 15 ist in der Lage, das in den Einlaßbereich 12 der Mischkammer 8 einströmende Gas zu leiten, insbesondere in Richtung des Durchströmelements 11.
• Vorzugsweise ist das Leitelement 15 derart ausgebildet, daß es auch über das Rückführmittel 13 in Richtung auf den Einlaßbereich 12 zurückgeführte Gase in Richtung auf das Durchströmelement 11 lenken kann. Das Leitelement 15 kann aus einem oder mehreren Bauteilen bestehen, die zusammen oder getrennt voneinander vorzugsweise direkt an der Überströmöffnung 14 oder beabstandet davon insbesondere im Einlaßbereich 12 der Mischkammer 8 angeordnet sind. Das Leitelement 15 kann dabei eine Düsengeometrie allein oder im Zusammenwirken mit anderen Bauteilen in der Mischkammer 8 erzielen. Beispielsweise kann für einen eintretenden Strahl der zweiten Gaskomponente 10 das Leitelement 15 als Düse geformt sein, die ein Auf spreizen des Gasstrahls vermeidet. Weiterhin besteht die Möglichkeit, daß das Leitelement 15 im Zusammenspiel mit einem Teil der Rückführmittel 13, insbesondere dem Durchströmelement 11, für zurückgeführte Gase eine Düsenwirkung beispielsweise durch eine Verengung von Strömungsquerschnitten schafft.
• Eine bevorzugte Wirkungsweise der Einrichtung zur Erzeugung eines reaktiven Gasgemisches wird im folgenden anhand einer Verwendung als Reformer eines Brennstoffzellensystems dargestellt. Die dabei beschriebene Wirkungsweise bzw. Abläufe sind jedoch auch auf andere Anwendungen der Einrichtungen übertragbar. Wie schon beschrieben, wird für eine Nutzung als Reformer die erste Gaskomponente 3 als vorgemischtes Gas aus der ersten Ausgangskomponente 4 und der zweiten Ausgangskom ponente 5 zur Mischkammer 8 geführt. Aus der Zuführeinrichtung 9, einer Strahldüse, wird intermittierend ein Kohlenwasserstoff über die Überströmöffnung 14 in das Durchströmelement 11 eingespritzt. Die mit einer Düse versehene Zuführeinrichtung 9 ist in der Einlaßkammer 7 vorzugsweise so angeordnet, daß durch das Einspritzen des Kraftstoffs die erste Gaskomponente 3 über die Überströmöffnung 14 ebenfalls mit in das Durchströmelement 11 mitgerissen wird. Beispielsweise ist dafür die Zuführeinrichtung 9 im Bereich der Überströmöffnung 14 derart angeordnet, daß aufgrund eines Druckabfalls im Bereich zwischen der Überströmöffnung 14 und der Zuführeinrichtung 9 aufgrund des mit hohem Druck und hoher Geschwindigkeit eingespritzten Kraftstoffs eine lokale Druckabsenkung erfolgt, durch die die erste Gaskomponente 3 angesaugt wird.
• Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird die erste Gaskomponente 3 mit einem Druck in die Einlaßkammer 7 zugeführt, der ausreichend ist, daß die erste Gaskomponente 3 zusammen mit dem Kohlenwasserstoff durch die Überströmöffnung 14 in die Mischkammer 8 gelangt. Vorzugsweise ist dieser Druck derart, daß auch bei einem nicht vorhandenen eingespritzten Kohlenwasserstoff eine Durchflußströmung von der Einlaßkammer 7 in die Mischkammer 8 aufrechterhalten bleibt. Der in den Einlaßbereich 12 eingespritzte Kohlenwasserstoff wird über die Leitelemente 15 in ein Rohr strahlförmig eingespritzt, wobei das Rohr das Durchströmelement 11 bildet. Das Rohr kann beispielsweise über eine oder mehrere Halterungen in der Mischkammer 8 befestigt sein. Vorzugsweise sind diese Halterungen Wände, die zumindest teilweise das aus dem Durchströmelement 11 in Richtung des Einlaßbereichs 12 rückgeführte Gas leiten. Vorzugsweise ist das Rohr als Durchströmelement 11 so dimensioniert, daß es im Zusammenspiel mit benachbarten Bauteilen und der Zuführeinrichtung 9 eine Saugstrahlpumpe in der Mischkammer 8 bildet. Dabei wird das aus dem Durchströmelement 11 austretende reaktive Gasgemisch 2 teilweise wieder zum Einlaßbereich 12 zurückgeführt. Diese Rückführung wird durch eine im Einlaßbereich vorhandene Druckabsenkung er zielt. Aufgrund einer Druckdifferenz zwischen dem Einlaßbereich 12 und einem Druck stromabwärts entsteht eine Sogwirkung, aufgrund deren ein Teil des gebildeten reaktiven Gasgemisches 2 zurückströmt. Ein Zurückströmen wird vorzugsweise zwischen einer Außenwand des Durchströmelements 11 und einer Innenwand der Mischkammer 8 erfolgen.
• Stromabwärts vom Durchströmelement 11 ist ein Katalysator 16 angeordnet. Der Katalysator 16 ist der Mischkammer 8 zugeordnet und mündet auslaßseitig in einen Strömungskanal 17. Im Katalysator 16 wird das reaktive Gasgemisch 2 reformiert, so daß es einer nachfolgenden Brennstoffzelle zugeführt werden kann.
• Um ein besonders homogenes reaktives Gasgemisch 2 dem Katalysator 16 zuzuführen, wird einerseits eine in der Mischkammer 8 interne Rückführung angestrebt. Weiterhin kann ein Teil des aus dem Katalysator 16 austretenden reformierten Gases aus dem Strömungskanal 17 ebenfalls zurück zum Einlaßbereich 12 der Mischkammer 8 geführt werden. Der Strömungskanal 17 umgibt dabei mit einer Teillänge die Mischkammer 8, wobei die Mischkammer 8 zumindest eine Durchtrittsöffnung 18 aufweist. Durch die Durchtrittsöffnung 18 kann reformiertes Gas 19 zum Teil ebenfalls in einen Rückkreislauf zugegeben werden. Über eine gezielte Steuerung der Rückströmung in der Mischkammer 8 wie auch der Rückströmung stromabwärts vom Katalysator 16 besteht die Möglichkeit, ein besonders homogenes Gemisch der Brennstoffzelle zuführen zu können. Durch eine Bildung einer Strahlpumpe in der Mischkammer 8 wird eine besonders intensive Durchmischung des reaktiven Gasgemisches 2 erzielt und gleichzeitig ein besonders hoher Wirkungsgrad ermöglicht.
• 2 zeigt in schematischer Ansicht ein Brennstoffzellensystem 19, das insbesondere für mobile Anwendungszwecke geeignet ist. Das Brennstoffzellensystem 19 weist eine Brennstoffzelle 20 auf. Zu der Brennstoffzelle 20 wie auch von der Brennstoffzelle 20 abgehend verlaufen diverse Leitungen. De ren Aufgabe wie auch ein beispielhafter Betrieb der Brennstoffzelle 20 geht aus der WO 01/39308 A2 hervor, auf die im Rahmen dieser Offenbarung bezüglich des Brennstoffzellensystems 19 und deren Komponenten verwiesen wird.
• Das Brennstoffzellensystem 19 weist einen Restgasbrenner 21 und einen Reformer 22 auf. Der Restgasbrenner 21 weist eine Anodenrestgaszuleitung 23 sowie eine Kathodenrestgaszuleitung 24 auf. Der Restgasbrenner 21 ist als katalytischer Brenner mit einem Katalysator 25 dargestellt. Der Restgasbrenner 21 kann jedoch auch eine Flamme erzeugen. Dem Restgasbrenner 21 ist ein Wärmetauscher 26 nachgeordnet. Über den Wärmetauscher 26 wird ein zum Reformer 22 durchströmendes Gas als erste Gaskomponente 3 aufgeheizt. Der Wärmetauscher 26 ist vorzugsweise ein Gegenstromwärmetauscher.
• Der Restgasbrenner 21 weist eine Strahldüse 27 auf. Die Strahldüse 27 erhält vorzugsweise einen an einen Lastbedarf der Brennstoffzelle angepaßten Gasstrom aus der Anodenrestgaszuleitung 23 und/oder aus der Kathodenrestgaszuleitung 24. Die Zuleitungen 23, 24 weisen vorzugsweise für eine Mengenregulierung ansteuerbare Ventile 28 auf. In 2 ist das ansteuerbare Ventil 28 nur für die Kathodenrestgaszuleitung 24 eingezeichnet. Die Anodenrestgaszuleitung 23 kann jedoch ebenfalls ein ansteuerbares Ventil haben. Je nach Betriebszustand der Brennstoffzelle kann ausgewählt werden, was für ein Restgas dem Restgasbrenner 21 zugeführt werden soll. Gleichzeitig kann darüber auch ein Mischungsverhältnis des Restgases und damit Einfluß auf die Wärmeumsetzung im Wärmetauscher 26 vorgenommen werden. Im Restgasbrenner 21 ist eine Rückführung für einen Teil des gebildeten reaktiven Gasgemisches vorgesehen, wie es oben beschrieben worden ist. Auf diese Weise läßt sich insbesondere eine gute Mischung einerseits zwischen den Restgasen wie auch zusätzlich zugeführter Luft erzielen.
• Der Reformer 22 andererseits erhält über den Wärmetauscher 26 die erste Gaskomponente 3. Der Reformer 22 weist zusätzlich eine Zuführung 28 für einen Kohlenwasserstoff auf. Über die Zuführung 28 kann flüssiger Kohlenwasserstoff über eine in 2 nicht näher dargestellte Zuführeinrichtung als zweite Gaskomponente eingespritzt, insbesondere intermittierend eingespritzt werden. Der Reformer 22 ist vorzugsweise ebenfalls als Einrichtung zur Erzeugung eines reaktiven Gasgemisches wie oben beschrieben ausgeführt. Über eine Mengenregulierung der Kraftstoffzuführung 28 und einer im Reformer 22 durchgeführten Rückführung eines Teils des gebildeten reaktiven Gasgemisches wird ein homogenes Reformgas 29 gebildet. Das Reformgas 29 kann über einen nachgeordneten Zusatzwärmetauscher 30 entweder abgekühlt oder aufgeheizt werden.
• Vorzugsweise werden der Reformer 22 wie auch der Restgasbrenner 21 jeweils mit einer in der Mischkammer 8 angeordneten Rückführung ausgebildet, insbesondere mit einem jeweils nachfolgenden katalytischen Reaktor. Es besteht jedoch ebenfalls die Möglichkeit, daß nur der Restgasbrenner 21 bzw. nur der Reformer 22 mit einer in der Mischkammer 8 angeordneten Rückführung ausgestattet ist.
• Weiterhin ist in 2 eine Auswerteeinheit 31 schematisch dargestellt. Der Auswerteeinheit 31 kann eine Speichereinheit 32 angeschlossen sein, in die ein oder mehrere Kennfelder hinterlegbar sind. Vorzugsweise arbeitet die Auswerteeinheit zusammen mit ein oder mehreren weiteren Einheiten als Brennstoffzellensteuerung oder -regelung. Die Auswerteeinheit 31 ist beispielsweise mit einem Sensor 33 in Verbindung, der in der Lage ist, einen zu einer an der Brennstoffzelle 20 anliegenden Last L charakteristischen Messparameter aufzunehmen. Weiterhin weist die Auswerteeinheit 31 eine Verbindung zu einem oder mehreren Messwertaufnehmern 34 auf, über die ein oder mehrere Meßsignale in Zusammenhang insbesondere mit einem Fluid aufgenommen werden.
• Von der Auswerteinheit 31 können je nach Betriebszustand der Brennstoffzelle 20, des Restgasbrenners 21, des Reformers 22 oder eines anderen spezifischen Bauteils entsprechende Steuer- oder Regelsignale ausgehen, um beispielsweise einen Fluidstrom, eine Position eines beweglichen Bauteils oder auch eine andere Meß- oder Stellgröße zu beeinflussen. Beispielhaft sind auch in 1 Positionen für mögliche Anordnungen von ein oder mehreren Messwertaufnehmern angegeben. Es können ein oder mehrere Signale von den Messwertaufnehmern 34 zusammen oder getrennt voneinander aufgenommen und verarbeitet werden, insbesondere auch Korrelationen von Messsignalen in der Auswerteeinheit 31 gebildet werden.

Claims (14)

1. Einrichtung (1) zur Erzeugung eines reaktiven Gasgemisches (2) aus wenigstens zwei Gaskomponenten, die in Verbindung mit einer Brennstoffzelle (20) steht, mit einer Mischkammer (8), die einen Auslaß aufweist, und mit einem Einlassbereich (12) für eine erste Gaskomponente (3) und mit einer Zuführeinrichtung (9) für eine zweite, dosiert zuführbare Gaskomponente (10), die mit dem Einlassbereich (12) in Verbindung steht, sowie mit wenigstens einem dem Einlassbereich (12) zugeordneten Rückführmittel (13), das zumindest teilweise in der Mischkammer (8) angeordnet ist, und über das zumindest ein Teil der durch die Mischkammer (8) strömenden Gase in Richtung auf den Einlassbereich (12) rückführbar ist.
2. Einrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Zuführeinrichtung (9) für die zweite Gaskomponente (10) als Strahldüse (27) ausgebildet ist.
3. Einrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Rückführmittel (13) ein Durchströmelement (11) für die in die Mischkammer (8) einströmenden Gaskomponenten in der Mischkammer (8) angeordnet ist, das eine Verbindungsöffnung im Einlassbereich (12) zur Mischkammer (8) aufweist.
4. Einrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchströmelement (11) als Rohr ausgebildet ist, das eintrittsseitig mit Abstand zum Einlaßbereich (12) angeordnet ist und das sich über eine Teillänge der Mischkammer (8) erstreckt.
5. Einrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischkammer (8) eine Einlasskammer (7) für die erste Gaskomponente (3) vorgeordnet ist und dass eine Überströmöffnung (14) zwischen Einlasskam mer (7) und Mischkammer (8) dem Einlassbereich (12) der Mischkammer (8) zugeordnet ist.
6. Einrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Überströmöffnung (14) im Einlassbereich (12) auf der Innenseite der Mischkammer (8) mit zumindest einem Leitelement (15) versehen ist.
7. Einrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführeinrichtung (9) für die zweite, als Flüssigkeit zuzuführende Gaskomponente (10) durch eine Strahldüse (27) mit einem taktend arbeitenden Einspritzventil gebildet wird.
8. Einrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführeinrichtung (9) für die zweite Gaskomponente (10) in einem Abstand zur Überströmöffnung (14) so angeordnet ist, dass ein Sprühstrahl ungehindert durch die Überströmöffnung (14) in die Mischkammer (8) bis in das Durchströmelement (11) eintreten kann.
9. Einrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein der Mischkammer (8) zugeordneter Katalysator (16) auslassseitig in einen Strömungskanal (17) ausmündet.
10. Einrichtung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Teillänge des Strömungskanals (17) die Mischkammer (8) mit Abstand umfasst, und dass die Mischkammer (8) im Bereich zwischen dem Einlassbereich (12) und einer Eintrittsseite des Durchströmelements (11) mit zumindest einer Durchtrittsöffnung (18) versehen ist, die in Verbindung mit dem Strömungskanal (17) steht.
11. Einrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Erzeugung von Re formgas (29) zur Brennstoffversorgung der Brennstoffzelle (20) verwendet ist.
12. Einrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Teil eines katalytischen Brenners zur Verwertung von Anodengas der Brennstoffzelle (20) verwendet wird.
13. Verfahren zur Erzeugung eines reaktiven Gasgemischs (2) aus wenigstens zwei Gaskomponenten, bei dem eine erste Gaskomponente (3) in einem kontinuierlichen Volumenstrom einer Mischkammer (8) zugeführt wird, in den eine aus flüssigem Kohlenwasserstoff zu bildende zweite Gaskomponente (10) als Strahl intermittierend eingespritzt wird, wobei beide Gaskomponenten sich zumindest teilweise in der Mischkammer (8) mischen und durch einen Katalysator (16) strömen und dass ein Teilvolumenstrom des aus den beiden Gaskomponenten gebildeten Volumens zurückgeführt und mit zumindest einer der in die Mischkammer (8) eintretenden Gaskomponente vermischt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die eingespritzte zweite Gaskomponente (10) eine Druckdifferenz über die Mischkammer (8) erzeugt und eine Rückströmung des Teilvolumenstromes zu den in die Mischkammer (8) eintretenden Gaskomponenten bewirkt.