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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einbringen eines Brennstoffes
in einen sauerstoffhaltigen Gasstrom mittels wenigstens eines Zerstäubungsmittels.
Außerdem
Betrifft die Erfindung die Verwendung einer derartigen Vorrichtung.
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Aus
dem allgemeinen Stand der Technik sind Einspritzdüsen als
Zerstäubungsmittel
bekannt. Derartige Einspritzdüsen
werden zum Zerstäuben
verschiedenster Medien eingesetzt.
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Speziell
für Brennstoffe
als Medien sind insbesondere Einspritzdüsen aus dem Bereich der Verbrennungsmotoren
bekannt, wobei diese meist bei hohen Temperaturen und Drücken arbeiten.
Durch die hohen Drücke
erzielen Sie ein vergleichsweise gute Zerstäubung zu sehr feinen Tröpfchen.
Eine homogene Vermischung der Tröpfchen
mit dem Gas, in welches sie eingebracht werden, wird dabei nicht
erzielt, ist jedoch bei den heutigen Brennkraftmaschinen, welche
meist in einem Schichtladeverfahren betreiben werden, auch nicht
erwünscht.
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Des
weiteren sind aus dem Stand der Technik Brennstoffzellensysteme
mit Gaserzeugungseinrichtungen zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases
aus kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffen bekannt. Derartige Systeme
bedienen sich häufig einer
oder mehrerer Heizeinrichtungen, in welchen eine Verbrennung oder
ein exothermer Anteil einer autothermen Reformierung stattfindet.
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In
der
DE 196 39 150
A1 ist beispielsweise eine Vorrichtung zur Bereitstellung
von Wärmeenergie
für ein
Gaserzeugungssystem beschreiben, bei welcher mehrere Brennkammern
vorhanden sind. Eine der Brennkammern ist, zumindest für den Kaltstart,
mit elektrischen Beheizungsmitteln versehen. Alles in allem ist
eine derartige Einrichtung jedoch aufwändig und damit teuer. Außerdem ist
sie in ihrem Einsatz auf genau den einen Fall beschränkt und kann
nicht überall
in dem Gaserzeugungssystem eingesetzt werden, wo die Zugabe von
Brennstoff erfolgt.
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Ausgehend
davon ist es die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung
zu schaffen, welche die oben genannten Nachteile vermeidet, und
welche es erlaubt, einen Brennstoff beim Einbringen in einen sauerstoffhaltigen
Gasstrom möglichst homogen
zu verteilen und ihn für
eine nachfolgende Reaktion ideal zu konditionieren.
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Erfindungsgemäß wir diese
Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten
Merkmale gelöst.
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Durch
die Temperierbarkeit wenigstens eines mit dem Brennstoff in Kontakt
stehenden Teils des Zerstäubungsmittels
kann die Konditionierung des Brennstoffs in idealer Weise erfolgen.
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Die
Temperierung kann dabei beispielsweise eine Beheizung sein, so dass
der Brennstoff zerstäubt
und teilweise verdampft wird, während
er durch das Zerstäubungsmittel
in den sauerstoffhaltigen Gasstrom eingebracht wird. Eine derartige als Beheizung
ausgebildete Temperierung kann insbesondere im Kaltstartfall von
besonderem Vorteil sein, da dadurch ein sehr homogenes Gemisch vorliegen wird,
welches, insbesondere wenn der Brennstoff verdampft vorliegt, sehr
leicht entzündlich
ist, so dass eine ideale Verbrennung des homogenen Gemisches erfolgen
kann.
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Durch
die homogene Verteilung wird außerdem
der Wirkungsgrad der Verbrennung verbessert und eine möglichst
gleichmäßige Verteilung
des erzeugten thermischen Energie gewährleistet.
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Alternativ
dazu könnte
die Temperierung selbstverständlich
auch als Kühlung
ausgebildet sein. Eine derartige Kühlung kann beispielsweise dann
von besonderem Vorteil sein, wenn bereits ein sehr heißer, beispielsweise
durch seine Verdichtung bei der Förderung erwärmter Brennstoff vorliegt. Durch
die Kühlung
des Zerstäubungsmittels
und dadurch auch des mit ihm in Verbindung stehenden Brennstoffs
selbst kann verhindert werden, dass es beim Einbringen des Brennstoffs
in den Gasstrom zu einer ungewollten Entzündung, Verbrennung oder Explosion
kommt.
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Eine
besonders günstige
Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist durch die Merkmale des Anspruchs 8 beschrieben.
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Wie
bereits oben erwähnt,
ist von besonderem Vorteil für
eine Verbrennung, wenn der Brennstoff sehr fein und homogen verteilt
und gegebenenfalls verdampft wird. Damit lassen sich ausgesprochen
vorteilhafte Effekte bei der Verbrennung, beispielsweise eine sehr
gleichmäßige rußarme Verbrennung,
sowie eine annähernd
vollständige
Verbrennung sicherstellen. Die eingangs genannte erfindungsgemäße Vorrichtung
findet hier also eine besonders vorteilhafte Verwendung.
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Eine
weitere besonders vorteilhafte Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist durch die Merkmale im Anspruch 10 beschrieben.
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Um
aus einem zumindest Wasserstoff aufweisenden Brennstoff, und hier
insbesondere aus einem flüssigen
Kohlenwasserstoff mit möglichst
hoher Effizienz, ein wasserstoffhaltiges Gas herzustellen, welches
beispielsweise in Brennstoffzellensystemen eingesetzt werden kann,
bedient man sich der üblichen
und bekannten Reformierung, beispielsweise einer autothermen Reformierung
des Brennstoffs. Bei einer derartigen Reformierung ist es für den Ablauf
der Reformierungsreaktion und den Umsatz des Brennstoffs in Wasserstoff
und Kohlendioxid besonders wichtig, dass der zu reformierende Brennstoff
in möglichst
feiner und homogener Verteilung in einem Gasstrom, z.B. einem sauerstoffhaltigen
Gasstrom und/oder Wasserdampfstrom, vorliegt. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung
kann nun, und hier insbesondere durch eine Beheizung im Kaltstartfall
des Reformers, eine sehr gleichmäßige und
homogene Verteilung des Brennstoffs erreicht werden. Dieser wirkt
sich besonders vorteilhaft auf die ablaufende Reformierungsreaktion
und die Ausnutzung des hierfür
benötigten
Katalysators aus. Die gleichmäßige und
homogene Verteilung kann nämlich
die Katalysatoroberfläche
und damit letztendlich auch der gesamte Aufbau des Reformers minimiert
werden, so dass mit sehr kleinen und kompakten Bauteilen eine große Wasserstoffausbeute
erzielt werden kann.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen
sowie aus den nachfolgend anhand der Zeichnung näher dargestellten Ausführungsbeispielen.
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Dabei
zeigen:
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1 eine Ausgestaltung der
erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 eine weitere mögliche Ausgestaltung der
erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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3 eine weitere alternative
Ausgestaltungsmöglichkeit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
und
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4 eine Prinzipdarstellung
eines Gaserzeugungssystems zur Versorgung einer Brennstoffzelle
mit einem wasserstoffhaltigen Gas.
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Das
nachfolgend dargestellte Ausführungsbeispiel
bezieht sich im wesentlichen auf ein Gaserzeugungssystem zur Erzeugung
eines wasserstoffhaltigen Gases für eine Brennstoffzelle, es
soll jedoch nicht darauf eingeschränkt sein.
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In 1 ist eine erste Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Zerstäubungsmittels 1 dargestellt,
welches in eine Rohrleitung 2 ragt. In der Rohrleitung 2 strömt ein Gasstrom
A, welcher zumindest noch Anteile an Sauerstoff aufweist. Durch
das Zerstäubungsmittel 1 wird
ein Brennstoff B, insbesondere ein flüssiger Kohlenwasserstoff, wie
z.B. Benzin oder Diesel, in die Leitung 2 eingebracht und
dort zerstäubt.
Die Zerstäubung
selbst erfolgt dabei durch eine an sich bekannte und übliche Ausgestaltung
des Zerstäubungsmittels 1 als
Düse oder
Einspritzventil.
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Die
Besonderheit des Zerstäubungsmittels 1 ist
es nun, dass dieses eine Einrichtung 3 zur Temperierung
eines mit dem Brennstoff B in Kontakt stehenden Teilbereichs des
Zerstäubungsmittels
aufweist. In der Darstellung gemäß 1 ist die Einrichtung 3 als
elektrische Heizeinrichtung ausgebildet. Dementsprechend kann die
Temperierung des Zerstäubungsmittels 1 und
damit des mit ihm in Kontakt stehenden Brenn stoffs B bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 lediglich in eine Richtung
erfolgen, nämlich
durch eine Beheizung des Zerstäubungsmittels 1 und
damit eine Beheizung des Brennstoffs B. Diese Beheizung des Brennstoffs
B durch die Einrichtung 3 ist insbesondere im Kaltstartfall
einer derartigen Einrichtung von besonderen Vorteil, wenn der sauerstoffhaltige
Gasstrom A und sämtliche
Einrichtungen noch vergleichsweise kalt sind. Im Bereich des Zerstäubungsmittels 1 würde es dann
zu einer reinen Zerstäubung
des flüssigen
Brennstoffs kommen, wodurch dieser sich vergleichsweise ungleichmäßig in dem
Gasstrom A verteilen würde.
Durch die Beheizung des Zerstäubungsmittels 1 kann
jedoch erreicht werden, dass der Brennstoff auf eine entsprechend
hohe Temperatur gebracht wird, so dass er sich gleichmäßiger und
homogener in dem Gasstrom verteilt, und dass es gegebenenfalls zu
einer Verdampfung des Brennstoffs B in dem Gasstrom A kommt. Durch
diese Verdampfung wird dann einerseits die gleichmäßigere Verteilung
verbessert, andererseits kann eine nachfolgende Verbrennung deutlich
besser und leichter ablaufen, da sämtliche Edukte für diese
Verbrennung bereits gasförmig
vorliegen und so eine deutlich niedrigere Zünd- und Aufrechterhaltungsenergie
benötigt
wird als im Falle, dass der Brennstoff in flüssiger und vergleichsweise
inhomogen verteilter Form vorliegt.
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In 2 ist nun eine alternative
Ausführungsform
des Zerstäubungsmittels 1 dargestellt. Das
Zerstäubungsmittel 1 ist
dabei vergleichbar wie das Zerstäubungsmittel 1 in 1 aufgebaut. Lediglich die
Einrichtung 3 ist in 2 anders
ausgeführt. In 2 handelt es sich bei der
Einrichtung 3 um einen in dem Zerstäubungsmittels 1 integrierten
oder diesen umgebenden Wärmetauscher,
welcher von einem Temperierungsmedium durchströmt wird. Neben dieser Ausbildung
der Einrichtung 3 als Wärmetauscher
könnte
das Temperierungs medium selbstverständlich auch in anderer Art,
beispielsweise durch Anströmen
des Zerstäubungsmittels
mit einem Kühlgas- oder Heizgasstrom
realisiert werden. Unabhängig
von der Art des Temperierungsmittels und ob die Temperierung direkt
oder indirekt erfolgt, sorgt das Temperierungsmedium für eine entsprechende Temperierung
des Zerstäubungsmittels 1 und
damit wiederum für
eine entsprechende Temperierung des Brennstoffs B.
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Im
Gegensatz zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
mit elektrischen Heizmitteln als Einrichtung 3 kann bei
der Verwendung eines Temperierungsmediums, gegebenenfalls zusammen
mit einem Wärmetauscher
als Einrichtung 3, sowohl eine Temperierung erfolgen, welche
dann die oben bereits genannten Vorteile und Verwendungsvarianten
ermöglicht.
Zusätzlich
dazu ist bei der Ausgestaltung gemäß 2 auch eine Kühlung des Brennstoffs möglich. Eine
derartige Kühlung
des Brennstoffs kann insbesondere dann gewünscht sein, wenn der Brennstoff
beispielsweise aufgrund einer Verdichtung oder dergleichen bereits
auf einer sehr hohen Temperatur vorliegt und eine Kühlung des
Brennstoffs gewünscht
ist, um eine vorzeitige Reaktion des Brennstoffs mit dem sauerstoffhaltigen
Gasstrom A, z.B. unmittelbar nach deren Vermischung, zu vermeiden.
Eine derartige frühzeitige
Reaktion, beispielsweise Verbrennung oder Explosion, kann aus Sicherheitsgründen unerwünscht sein
oder es könnte
dadurch die Freisetzung von thermischer Energie an einer ungewollten
Stelle erfolgen, an der diese für
das System nicht nutzbringend eingesetzt werden kann. Dies könnte beispielsweise
bei der Anströmung
eines autothermen Reformers der Fall sein, da hier die bei der Verbrennung
frei werdende Energie nach Möglichkeit
im Bereich des Reformers selbst frei werden sollte, um die im zweiten
Teilbereich des Reformers ablaufende endotherme Dampfreformierung mit
thermischer Energie zu versorgen.
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Die
Ausführung
gemäß 3 ist vergleichbar zu den
oben bereits genannten Ausführungsbeispielen
ausgestaltet. Lediglich die Einrichtung 3 ist hier als
Peltier-Element ausgebildet, welches je nach Polarität an ihm
angelegten elektrischen Spannung entweder als Heizelement oder Kühlelement
dienen kann. Damit kann in besonders einfacher und günstiger
Weise sowohl eine Beheizung einerseits als auch eine Kühlung andererseits
realisiert werden.
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In
allen Ausführungsformen
ist es besonders sinnvoll, wenn die Temperierung des Brennstoffs
B unmittelbar vor dem Einbringen des Brennstoffs B in den Gasstrom
A erfolgt. Damit kann sichergestellt werden, dass der bestmögliche Effekt
an der gewünschten
Stelle erreicht wird, und dass die Strömungswege des erwärmten oder
gekühlten
Brennstoffs B möglichst
klein sind, so dass dieser seine Temperatur zwischen den Einrichtungen 3 zur
Temperierung und der Zerstäubung
nicht oder nur minimal ändert.
Damit kann der direkte Einfluss auf die Temperatur des Brennstoffs
B sichergestellt werden.
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Die
in der 2 dargestellte
Beheizung mittels Temperierungsmedium kann bei dem nachfolgend beschriebenen
Beispiel eines Gaserzeugungssystems 4 dabei durch geeignete
heiße
Abgasströme,
einen Teil eines ohnehin vorhandenen Kühlwasserkreislaufs der Brennstoffzelle
oder dergleichen erfolgen.
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In 4 ist nun ein Brennstoffzellensystem 5 dargestellt,
in dem sich die bevorzugte Verwendung der eingangs beschriebenen
Vorrichtung findet. Ein derartiges Brennstoffzellensystem 5 besteht
aus dem Gaserzeugungssystem 4, in welchem beispielsweise durch
autotherme Reformierung aus Luft, Wasser und dem Brennstoff, ein
wasserstoffhaltiges Gas zum Betreiben einer Brennstoffzelle 6 erzeugt
wird. Der Brennstoff B wird dazu der bereits angesprochenen und
an sich bekannten autothermen Reformierung unterzogen.
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Das
erfindungsgemäße Zerstäubungsmittel 1 kann
nun sowohl zum Einbringen des Brennstoffs in den Reformer als auch
zum Einbringen von Brennstoff in einen Brenner 7 genutzt
werden. In beiden Fällen
ist es aus den oben bereits beschriebenen Gründen besonders sinnvoll, wenn
der Brennstoff B möglichst
homogen und gleichmäßig zerstäubt wird und
wenn dieser insbesondere im Kaltstartfall des Brennstoffzellensystems 5 in
der Art vorliegt, dass eine Reaktion möglichst leicht in Gang gesetzt
werden kann. Die Temperierung wird im Kaltstartfall also immer als
Beheizung ausgebildet sein. Zusätzlich
zu dem reinen Kaltstart des Reformers im Bereich des Gaserzeugungssystems 4 kann
außerdem
ein Brenner 7 durch die genannte Vorrichtung mit dem Brennstoff
B versorgt werden. Auch hier ist insbesondere der Fall der Beheizung
des Zerstäubungsmittels 1 besonders
sinnvoll, da auch hier im Kaltstartfall eine schnellstmögliche und
effektive Zündung
der Verbrennung erreicht werden soll. Zur möglichst vollständigen Verbrennung
und gleichmäßigen Abgabe von
Wärme kann
der Brenner 7 dabei in besonders günstiger Wiese als Porenbrenner
ausgebildet sein.
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Neben
der Temperierung der an diesen Stellen eingesetzten Zerstäubungsmittel 1,
welche in 4 nicht explizit
dargestellt sind, kann es beim Einbringen des Brennstoffs B in den
autothermen Reformer des Gaserzeugungssystems 4 auch besonders
günstig
sein, den Brennstoff B zu kühlen,
da, wie oben bereits erwähnt,
eine Zündung
der Reaktion erst im Bereich des autothermen Reformers selbst erfolgen
sollte. Erfolgt dagegen eine Rückzündung in den
Bereich, in welchem der Brenn stoff B in den Gasstrom A, welcher
hier aus Luft und Wasserdampf bestehen wird, eingebracht wird, so
wird einerseits die Gefahr einer Überhitzung oder Explosion entstehen und
andererseits wird thermische Energie an einer Stelle in dem Gaserzeugungssystem 4 frei,
in dem diese nicht sinnvoll genutzt werden kann. Diese thermische
Energie, die bei der Verbrennung entsteht, sollte nämlich nach
Möglichkeit
in dem autothermen Reformer selbst frei werden, um dort die parallel
zu einer zumindest teilweisen Verbrennung des Brennstoffs B ablaufende
endotherme Wasserdampfreformierung zu beheizen.