DE10325450A1 - Vorrichtung zum Einbringen eines Brennstoffes in einen sauerstoffhaltigen Gasstrom - Google Patents

Vorrichtung zum Einbringen eines Brennstoffes in einen sauerstoffhaltigen Gasstrom Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einbringen eines Brennstoffs in einen sauerstoffhaltigen Gasstrom mittels wenigstens eines Zerstäubungsmittels. Erfindungsgemäß ist dabei zumindest ein mit dem Brennstoff in Kontakt stehender Teilbereich des wenigstens einen Zerstäubungsmittels temperierbar ausgebildet. DOLLAR A Eine derartige Vorrichtung kann beispielsweise beim Einbringen von Brennstoff in einen sauerstoffhaltigen Gasstrom für eine Verbrennung und/oder Reformierungsreaktion eingesetzt werden.

Description

  • 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.
  • Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind Einspritzdüsen als Zerstäubungsmittel bekannt. Derartige Einspritzdüsen werden zum Zerstäuben verschiedenster Medien eingesetzt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Erfindungsgemäß wir diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
  • Durch die Temperierbarkeit wenigstens eines mit dem Brennstoff in Kontakt stehenden Teils des Zerstäubungsmittels kann die Konditionierung des Brennstoffs in idealer Weise erfolgen.
  • 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.
  • Durch die homogene Verteilung wird außerdem der Wirkungsgrad der Verbrennung verbessert und eine möglichst gleichmäßige Verteilung des erzeugten thermischen Energie gewährleistet.
  • 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.
  • Eine besonders günstige Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist durch die Merkmale des Anspruchs 8 beschrieben.
  • 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.
  • Eine weitere besonders vorteilhafte Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist durch die Merkmale im Anspruch 10 beschrieben.
  • 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.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus den nachfolgend anhand der Zeichnung näher dargestellten Ausführungsbeispielen.
  • Dabei zeigen:
  • 1 eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
  • 2 eine weitere mögliche Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
  • 3 eine weitere alternative Ausgestaltungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
  • 4 eine Prinzipdarstellung eines Gaserzeugungssystems zur Versorgung einer Brennstoffzelle mit einem wasserstoffhaltigen Gas.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (12)

  1. Vorrichtung zum Einbringen eines Brennstoffes in einen sauerstoffhaltigen Gasstrom mittels wenigstens eines Zerstäubungsmittels, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein mit dem Brennstoff (B) in Kontakt stehender Teilbereich (Einrichtung 3) wenigstens eines der Zerstäubungsmittel (1) temperierbar ausgebildet ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilbereich (Einrichtung 3) so ausgebildet ist, dass der Brennstoff (B) unmittelbar vor dem Eintreten in den Gasstrom (4) mit dem Teilbereich in Kontakt ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Teilbereich (Einrichtung 3) direkt oder indirekt mittels eines Temperierungsmediums temperierbar ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Teilbereich (Einrichtung 3) für das Temperierungsmittel einen Wärmetauscher aufweist.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Teilbereich (Einrichtung 3) mittels einer elektrischen Heizeinrichtung beheizbar ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Teilbereich (Einrichtung 3) mittels wenigstens eines Pelltierelements temperierbar ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff (B) ein flüssiges Gemisch aus Kohlenwasserstoffen, insbesondere Benzin oder Diesel, ist.
  8. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zum Einbringen von Brennstoff (B) in einem zu einer Verbrennungsreaktion strömenden sauerstoffhaltigen Gasstrom (A).
  9. Verwendung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsreaktion in einem Porenbrenner (7) stattfindet.
  10. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zum Einbringen von zumindest Wasserstoff aufweisendem Brennstoff (B) in einen zu einer Reformierungsreaktion strömenden sauerstoffhaltigen Gasstrom (A).
  11. Verwendung nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung im Kaltstartfall der Reaktion beheizt wird.
  12. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9 als Teil eines Systems (5) zur Erzeugung von wasserstoffhaltigem Gas zum Betreiben einer oder mehrerer Brennstoffzellen (6).
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