DE112016002284B4 - Vortex tube reformer for hydrogen production, as well as processes for hydrogen separation - Google Patents

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    • Y02P20/52Improvements relating to the production of bulk chemicals using catalysts, e.g. selective catalysts

Abstract

Anordnung, umfassend:mindestens ein Wirbelrohr mit einem Einlass und mindestens einem Wasserstoffauslass; undmindestens einen Reformermechanismus, der dem Wirbelrohr zugeordnet ist, um Wasserstoff von Kohlenstoff in Molekülen von Kohlenwasserstoffbrennstoff, der zu dem Einlass eingegeben wird, zu entfernen, wobei der Reformermechanismus einen katalytischen Bestandteil in dem Wirbelrohr und erwärmten Wasserdampf, der zusammen mit dem Kohlenwasserstoffbrennstoff in das Wirbelrohr eingespritzt wird, umfasst, wobei das Wirbelrohr eine Wirbelkammer umfasst, wobei der Einlass des Wirbelrohrs in die Wirbelkammer führt, wobei das Wirbelrohr ein Hauptrohrsegment umfasst, das mit der Wirbelkammer in Verbindung steht und einen Kohlenstoffauslass, der vom Wasserstoffauslass verschieden ist, aufweist, wobei der genannte Einlass zwischen dem Wasserstoff-Auslass und dem Kohlenstoffauslass angeordnet ist,einen Mischerbehälter zum Aufnehmen des erwärmten Wasserdampfs, der zusammen mit dem Kohlenwasserstoffbrennstoff in das Wirbelrohr eingespritzt wird, wobei der genannte Mischerbehälter in Strömungsverbindung mit einem Wasserbehälter und einem Kohlenwasserstoffbrennstoffbehälter steht; undwobei das genannte Wirbelrohr dazu ausgebildet ist, durch Reformieren des Kohlenwasserstoffs in dem Kohlenwasserstoffbrennstoff, der zusammen mit dem erwärmten Wasserdampf erhalten wird, Wasserstoff zu bilden.An arrangement comprising: at least one vortex tube having an inlet and at least one hydrogen outlet; andat least one reformer mechanism associated with the vortex tube for removing hydrogen from carbon in molecules of hydrocarbon fuel input to the inlet, the reformer mechanism including a catalytic component in the vortex tube and heated water vapor flowing with the hydrocarbon fuel into the vortex tube wherein the vortex tube comprises a vortex chamber, wherein the inlet of the vortex tube leads into the vortex chamber, wherein the vortex tube comprises a main tube segment that is in communication with the vortex chamber and a carbon outlet that is different from the hydrogen outlet, wherein the said inlet is located between the hydrogen outlet and the carbon outlet, a mixer vessel for receiving the heated water vapor injected into the vortex tube along with the hydrocarbon fuel, said mixer vessel in fluid communication ung stands with a water tank and a hydrocarbon fuel tank; andwherein said vortex tube is adapted to form hydrogen by reforming the hydrocarbon in the hydrocarbon fuel obtained along with the heated water vapor.

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Die vorliegende Anmeldung betrifft allgemein Wirbelrohr-Reformer für Synthesegasherstellung, Wasserstoffabtrennung und -einspritzung zu Kraftmaschinen und Brennstoffzellen, sowie ein Verfahren zum Abtrennen von Wasserstoff mit Hilfe eines solchen Wirbelrohrs.The present application relates generally to vortex tube reformers for synthesis gas production, hydrogen separation and injection for engines and fuel cells, and a method for separating hydrogen with the aid of such a vortex tube.

Ein solcher Wirbelrohrreformer ist beispielsweise aus der Schrift US 2009/0060805 A1 bekannt. Weitere Vorrichtungen zum Trennen von Wasserstoff sind aus den Schriften US 2014/0346055 A1 , US 6521205 B1 , US 3546891 A und WO 2014/093560 A1 bekannt.Such a vortex tube reformer is from the document, for example US 2009/0060805 A1 known. Further devices for separating hydrogen are from the documents US 2014/0346055 A1 , US 6521205 B1 , US 3546891 A and WO 2014/093560 A1 known.

ZUSAMMENFASSUNGSUMMARY

Die vorliegende Erfindung schlägt eine Anordnung mit mindestens einem Wirbelrohr gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Abtrennen von Wasserstoff mit Hilfe mindestens eines Wirbelrohrs gemäß Anspruch 9 vor. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.The present invention proposes an arrangement with at least one vortex tube according to claim 1 and a method for separating hydrogen with the aid of at least one vortex tube according to claim 9. Preferred embodiments of the invention are the subject matter of the dependent claims.

Eine Anordnung umfasst also mindestens ein Wirbelrohr mit einem Einlass und einem Wasserstoffauslass. Dem Wirbelrohr ist ein Reformermechanismus zugeordnet, um Wasserstoff von Kohlenstoff in Molekülen von Kohlenwasserstoffbrennstoff zu entfernen, der zu dem Einlass eingeleitet wird. Der Reformermechanismus umfasst einen katalytischen Bestandteil in dem Wirbelrohr und/oder erwärmten Wasserdampf, der zusammen mit dem Kohlenwasserstoffbrennstoff in das Wirbelrohr eingespritzt wird.An arrangement thus comprises at least one vortex tube with an inlet and a hydrogen outlet. A reformer mechanism is associated with the vortex tube to remove hydrogen from carbon in molecules of hydrocarbon fuel that is introduced to the inlet. The reformer mechanism includes a catalytic component in the vortex tube and / or heated water vapor that is injected into the vortex tube along with the hydrocarbon fuel.

Dabei umfasst das Wirbelrohr eine Wirbelkammer, wobei der Einlass des Wirbelrohrs in die Wirbelkammer führt. Das Wirbelrohr kann auch ein Hauptrohrsegment umfassen, das mit der Wirbelkammer in Verbindung steht und einen anderen Auslass als den Wasserstoffauslass aufweist. Ein Brennstoffzulauf einer Kraftmaschine kann mit dem Auslass, der ein anderer als der Wasserstoffauslass des Wirbelrohrs ist, in Fluidverbindung stehen. Weiterhin kann der Auslass, der ein anderer als der Wasserstoffauslass ist, an eine Innenfläche einer Wand des Hauptrohrsegments angrenzen. An der Innenfläche der Wand des Hauptrohrsegments kann ein katalytischer Bestandteil angeordnet sein.The vortex tube comprises a vortex chamber, the inlet of the vortex tube leading into the vortex chamber. The vortex tube may also include a main tube segment that is in communication with the vortex chamber and has an outlet other than the hydrogen outlet. A fuel inlet of an engine may be in fluid communication with the outlet other than the hydrogen outlet of the vortex tube. Furthermore, the outlet, which is different from the hydrogen outlet, may adjoin an inner surface of a wall of the main pipe segment. A catalytic component may be disposed on the inner surface of the wall of the main pipe segment.

In manchen Ausführungsformen ist in dem Hauptrohrsegment ein wasserstoffpermeables Rohr mittig angeordnet und bildet an einem Ende des wasserstoffpermeablen Rohrs den Wasserstoffauslass aus.In some embodiments, a hydrogen-permeable pipe is arranged centrally in the main pipe segment and forms the hydrogen outlet at one end of the hydrogen-permeable pipe.

In manchen Ausführungsformen können mehrere Wirbelrohre vorgesehen und in einer toroidalen Konfiguration angeordnet sein, wobei ein erstes Wirbelrohr von den mehreren Wirbelrohren den Einlass des Wirbelrohrs bildet und einem Einlass eines nächsten Wirbelrohrs von den mehreren Wirbelrohren Fluid liefert.In some embodiments, a plurality of vortex tubes may be provided and arranged in a toroidal configuration, with a first vortex tube of the plurality of vortex tubes forming the inlet of the vortex tube and providing fluid to an inlet of a next vortex tube of the plurality of vortex tubes.

Die Kraftmaschine kann eine Turbine oder ein Verbrennungsmotor, etwa ein Dieselmotor, sein.The engine can be a turbine or an internal combustion engine such as a diesel engine.

Der Einlass des Wirbelrohrs kann mit einer Quelle von Kohlenwasserstoffbrennstoff in Fluidverbindung stehen. Zusätzlich oder alternativ kann der Einlass des Wirbelrohrs mit einem Auslass der Kraftmaschine in Fluidverbindung stehen.The inlet of the vortex tube may be in fluid communication with a source of hydrocarbon fuel. Additionally or alternatively, the inlet of the vortex tube can be in fluid communication with an outlet of the engine.

Ferner umfasst die Erfindung ein Verfahren, das Reformieren von Kohlenwasserstoffbrennstoff unter Verwenden mindestens eines Wirbelrohrs beinhaltet. Das Reformieren umfasst das Entfernen von Wasserstoff von kohlenstoffbasierten Bestandteilen in Molekülen des Kohlenwasserstoffbrennstoffs. Der Wirbel dient auch dazu, den Wasserstoff von den kohlenstoffbasierten Bestandteilen zu trennen, um einen Wasserstoffstrom im Wesentlichen kohlenstofffrei zu machen. Der Wasserstoffstrom wird einem Wasserstoffaufnehmer, etwa einem Tank oder einer Turbine oder einer Kraftmaschine, zugeführt.The invention further encompasses a method that includes reforming hydrocarbon fuel using at least one vortex tube. Reforming involves removing hydrogen from carbon-based constituents in molecules of the hydrocarbon fuel. The vortex also serves to separate the hydrogen from the carbon-based constituents to make a hydrogen stream essentially carbon-free. The hydrogen flow is fed to a hydrogen receiver, such as a tank or a turbine or an engine.

In einem anderen Aspekt umfasst eine Anordnung mindestens ein erstes Wirbelrohr, das zum Aufnehmen von Kohlenwasserstoffbrennstoff und zum Trennen des Kohlenwasserstoffbrennstoffs in einen ersten Strom und einen zweiten Strom ausgelegt ist. Der erste Strom besteht vorrangig aus Wasserstoff, wogegen der zweite Strom Kohlenstoff wie etwa kohlenstoffbasierte Bestandteile umfasst. Mindestens ein erster Wasserstoffaufnehmer ist zum Aufnehmen des ersten Stroms ausgelegt. Zum Trennen des zweiten Stroms in einen dritten Strom und einen vierten Strom ist mindestens ein zweites Wirbelrohr dagegen zum Aufnehmen des zweiten Stroms von dem ersten Wirbelrohr ausgelegt. Der dritte Strom besteht vorrangig aus Wasserstoff zum Versorgen des Wasserstoffaufnehmens damit, während der zweite Strom Kohlenstoff umfasst.In another aspect, an assembly includes at least a first vortex tube configured to receive hydrocarbon fuel and separate the hydrocarbon fuel into a first stream and a second stream. The first stream consists primarily of hydrogen, while the second stream comprises carbon such as carbon-based components. At least one first hydrogen receiver is designed to accept the first current. In contrast, to separate the second flow into a third flow and a fourth flow, at least one second vortex tube is designed to receive the second flow from the first vortex tube. The third stream consists primarily of hydrogen to supply the hydrogen uptake therewith, while the second stream comprises carbon.

Der Wasserstoffaufnehmer kann einen Wasserstofftank umfassen. Zusätzlich oder alternativ kann der Wasserstoffaufnehmer eine Brennstoffzelle umfassen. Sowohl der erste als auch der dritte Strom können dem Wasserstoffaufnehmer zugeführt werden. Der Wasserstoffaufnehmer kann eine Turbine oder eine andere Kraftmaschine umfassen.The hydrogen receiver can include a hydrogen tank. Additionally or alternatively, the hydrogen receiver can comprise a fuel cell. Both the first and the third stream can be fed to the hydrogen receiver. The hydrogen receiver may include a turbine or other prime mover.

In manchen Beispielen ist mindestens ein Wärmetauscher in Fluidverbindung zwischen den Wirbelrohren angeordnet und ist zum Abführen von Wärme von dem zweiten Strom vor dem Einleiten des zweiten Stroms zu dem zweiten Wirbelrohr ausgelegt. Zusätzlich oder alternativ kann mindestens ein erster katalytischer Bestandteil an einer Innenfläche des ersten Wirbelrohrs vorhanden sein und mindestens ein zweiter katalytischer Bestandteil kann an einer Innenfläche des zweiten Wirbelrohrs, aber nicht auf der Innenfläche des ersten Wirbelrohrs vorhanden sein. Der zweite katalytische Bestandteil kann Kupfer umfassen, und in bestimmten Ausführungsformen können auch Zink und Aluminium an der Innenfläche des zweiten Wirbelrohrs vorhanden sein.In some examples, at least one heat exchanger is disposed in fluid communication between the vortex tubes and is capable of removing heat from the second stream prior to the introduction of the second stream designed to the second vortex tube. Additionally or alternatively, at least one first catalytic component can be present on an inner surface of the first vortex tube and at least one second catalytic component can be present on an inner surface of the second vortex tube but not on the inner surface of the first vortex tube. The second catalytic component can comprise copper, and in certain embodiments zinc and aluminum can also be present on the inner surface of the second vortex tube.

In einem anderen Aspekt umfasst eine Reformeranordnung mindestens ein Wirbelrohr, das eine Wirbelkammer mit einem Eingang und ein Hauptrohrsegment umfasst, das mit der Wirbelkammer in Verbindung steht und einen ersten Ausgang aufweist, der an eine Innenfläche einer Wand des Hauptrohrsegments angrenzt. Der erste Ausgang dient zum Ausgeben von relativ heißeren und schwereren Bestandteilen des Fluids, das an dem Eingang vorgesehen wird. An der Innenfläche der Wand des Hauptrohrsegments ist mindestens ein katalytischer Bestandteil vorhanden.In another aspect, a reformer assembly includes at least one vortex tube including a vortex chamber having an entrance and a main tube segment communicating with the vortex chamber and having a first exit adjacent an inner surface of a wall of the main tube segment. The first outlet is used to discharge relatively hotter and heavier components of the fluid that is provided at the inlet. At least one catalytic component is present on the inner surface of the wall of the main pipe segment.

In manchen Beispielen dieses letzten Aspekts ist in dem Hauptrohrsegment mittig mindestens ein wasserstoffpermeables Rohr angeordnet, das an einem Ende des wasserstoffpermeablen Rohrs einen zweiten Ausgang zum Ausgeben mindestens eines relativ leichteren und kühleren Bestandteils von Fluid, das an dem Eingang vorgesehen wird, ausbildet. Der mindestens eine relativ leichtere und kühlere Bestandteil kann Wasserstoff umfassen, und die relativ heißeren und schwereren Bestandteile von Fluid, das an dem Eingang vorgesehen wird, können Kohlenstoff umfassen. Mit dem zweiten Ausgang kann eine Brennstoffzelle oder eine Kraftmaschine oder ein anderer Wasserstoffaufnehmer etwa ein Tank verbunden sein.In some examples of this last aspect, at least one hydrogen-permeable tube is centrally arranged in the main tube segment, which tube forms a second outlet at one end of the hydrogen-permeable tube for discharging at least one relatively lighter and cooler component of fluid that is provided at the inlet. The at least one relatively lighter and cooler component can comprise hydrogen, and the relatively hotter and heavier components of fluid provided at the inlet can comprise carbon. A fuel cell or an engine or some other hydrogen pick-up, such as a tank, can be connected to the second output.

In einem anderen Aspekt umfasst ein System mindestens eine Brennstoffzelle und mindestens eine Wirbelrohranordnung zum Aufnehmen von Kohlenwasserstoffbrennstoff als Eintrag und zum Liefern von aus dem Kohlenwasserstoffbrennstoff in dem Wirbelrohr reformierten Wasserstoff zu der Brennstoffzelle.In another aspect, a system includes at least one fuel cell and at least one vortex tube assembly for receiving hydrocarbon fuel as feed and for delivering reformed hydrogen from the hydrocarbon fuel in the vortex tube to the fuel cell.

Die Einzelheiten der vorliegenden Beschreibung - sowohl bezüglich ihres Aufbaus als auch Betriebs - lassen sich am Besten unter Bezug auf die Begleitzeichnungen verstehen, bei denen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile bezeichnen. Hierbei zeigen:The details of the present description - both in terms of its structure and operation - can best be understood with reference to the accompanying drawings, in which like reference characters denote like parts. Here show:

FigurenlisteFigure list

  • 1 ein Blockdiagramm eines beispielhaften Energieerzeugungssystems; 1 Fig. 3 is a block diagram of an exemplary power generation system;
  • 2 ein Blockdiagramm einer beispielhaften Wirbelrohrreformer-/Abscheideranordnung; 2 Fig. 3 is a block diagram of an exemplary vortex tube reformer / separator assembly;
  • 3 ein schematisches Diagramm einer toroidalen Wirbelrohranordnung; 3 Figure 3 is a schematic diagram of a toroidal vortex tube assembly;
  • 4 ein schematisches Diagramm eines Wirbelrohrs in einem Kraftmaschinensystem; 4th Figure 4 is a schematic diagram of a vortex tube in an engine system;
  • 5 ein schematisches Diagramm eines wirbelrohrbasierten Wasserstoffeinspritzsystems für eine Kraftmaschine; 5 Fig. 3 is a schematic diagram of a vortex tube based hydrogen injection system for an engine;
  • 6 ein schematisches Diagramm aus einer transversaler Sicht eines Wirbelrohrs, das Abtrennung zeigt; 6th Fig. 3 is a schematic diagram from a transverse view of a vortex tube showing separation;
  • 7-9 zusätzliche schematische Diagramme von wirbelrohrbasierten Wasserstoffreformersystemen; 7-9 additional schematic diagrams of vortex tube-based hydrogen reformer systems;
  • 10 ein Blockdiagramm eines beispielhaften elektrischen Komponentensubsystems zum Unterstützen der in den Zeichnungen gezeigten Wirbelrohrsysteme; und 10 Figure 3 is a block diagram of an exemplary electrical component subsystem for supporting the vortex tube systems shown in the drawings; and
  • 11 ein Flussdiagramm eines beispielhaften Prozessflusses der in den Zeichnungen gezeigten Wirbelrohrsysteme, das Logik zeigt, die von einem Prozessor ausgeführt werden kann. 11th Figure 4 is a flow diagram of an exemplary process flow of the vortex tube systems shown in the drawings, showing logic that may be executed by a processor.

EINGEHENDE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION

1 zeigt ein nachstehend näher beschriebenes Betätigungssystem 10, das in einem System einem Aufnehmer, etwa einer Kraftmaschine, wie etwa einem Verbrennungsmotor für ein Fahrzeug, Energie übermittelt, oder in dem gezeigten Beispiel durch Übermitteln von Drehmoment zu einem Rotor einer Turbine 12, um eine Ausgangswelle der Turbine zu drehen. Die Turbine 12 kann einen Kompressorabschnitt, einen Verbrennungsabschnitt und einen Turbinenabschnitt gemäß Turbinenprinzipien umfassen und kann auch einen oder mehrere Rotoren oder Wellen aufweisen, die typischerweise miteinander gekoppelt sind und die zueinander konzentrisch sein können. 1 shows an actuation system described in more detail below 10 that transmits energy in a system to a transducer, such as an engine, such as an internal combustion engine for a vehicle, or in the example shown by transmitting torque to a rotor of a turbine 12th to rotate an output shaft of the turbine. The turbine 12th may include a compressor section, a combustion section, and a turbine section based on turbine principles, and may also include one or more rotors or shafts that are typically coupled to one another and that may be concentric to one another.

1 zeigt, dass bei einer Umsetzung ein Brennstofftank 14, der kohlenwasserstoffbasierten Brennstoff, wie etwa Kerosin, enthält, aber nicht darauf beschränkt ist, einem Zulauf 16 der Turbine 12 Brennstoff liefern kann. Der Brennstoff wird typischerweise durch Injektoren in die Turbine eingespritzt, wo er sich mit Luft mischt, die durch den Kompressorabschnitt der Turbine verdichtet und in einem so genannten „Flammenhalter“ oder „Topf‟ gezündet wird. „Zulauf‟ bezeichnet im Allgemeinen jene Teile der Turbine, die vor den Turbinenschaufeln liegen. Das Hochdruckgemisch wird dann so gelenkt, dass es auf Turbinenschaufeln 18 auftrifft, die mit der Ausgangswelle gekoppelt sind. Auf diese Weise wird auf die Ausgangswelle ein Drehmoment ausgeübt, um sie um ihre Achse drehen zu lassen. Bei anderen Umsetzungen muss die Turbine 12 keine Verbrennungsturbine sein, und wie vorstehend angedeutet können andere Aufnehmer wie etwa Kraftmaschinen in Fahrzeugen verwendet werden. 1 shows that when implementing a fuel tank 14th containing, but not limited to, a hydrocarbon-based fuel such as kerosene, an inlet 16 the turbine 12th Can deliver fuel. The fuel is typically injected into the turbine through injectors where it mixes with air that is compressed by the compressor section of the turbine and ignited in what is known as a “flame holder” or “pot”. “Inlet” generally refers to those parts of the turbine that are in front of the turbine blades. That High pressure mixture is then directed so that it hits turbine blades 18th that are coupled to the output shaft. In this way, a torque is exerted on the output shaft in order to make it rotate about its axis. In other implementations, the turbine must 12th not be a combustion turbine, and as indicated above, other transducers such as engines can be used in vehicles.

Die Ausgangswelle der Turbine kann mit dem Rotor eines Stromgenerators gekoppelt sein, um den Generatorrotor in einem elektrischen Feld zu drehen und somit den Generator Strom ausgeben zu lassen. Oder die Ausgangswelle der Turbine kann mit dem Rotor eines Flugzeugpropellers gekoppelt sein, um den Propeller zu drehen und ihn somit zu veranlassen, Schubkraft zum Antreiben eines Turboprop-Düsenflugzeugs zu erzeugen. Die Ausgangswelle der Turbine kann wiederum mit dem Rotor einer Antriebskomponente etwa dem Rotor eines Helikopters, der Welle eines Wasserfahrzeugs, an der ein Propeller angebracht ist, oder einer Antriebswelle eines Landfahrzeugs, etwa eines Panzerfahrzeugs, gekoppelt sein, um je nachdem den Rotor/die Welle/die Antriebswelle zu drehen, um abhängig von der Beförderungsart die Plattform durch die Luft oder das Wasser oder über Land fortzubewegen. Die Antriebskomponente kann einen Antriebsstrang umfassen, der eine Kombination von aus dem Stand der Technik bekannten Komponenten umfassen kann, z.B. Kurbelwellen, Getriebe, Achsen usw.The output shaft of the turbine can be coupled to the rotor of a power generator in order to rotate the generator rotor in an electric field and thus make the generator output power. Or the output shaft of the turbine can be coupled to the rotor of an aircraft propeller to rotate the propeller and thereby cause it to generate thrust to propel a turbo-prop jet. The output shaft of the turbine can in turn be coupled to the rotor of a drive component, such as the rotor of a helicopter, the shaft of a watercraft to which a propeller is attached, or a drive shaft of a land vehicle, such as an armored vehicle, depending on the rotor / shaft / Rotate the drive shaft to move the platform through the air, water or land, depending on the mode of transport. The drive component may comprise a drive train, which may comprise a combination of components known in the art, e.g., crankshafts, gears, axles, etc.

Zusätzlich zu oder statt des Beaufschlagens eines Aufnehmers, etwa der Turbine 12, mit Brennstoff direkt aus dem Brennstofftank 14 kann das Betätigungssystem 10 eine Reformeranordnung 20 umfassen, die Brennstoff aus dem Brennstofftank 14 aufnimmt. Während manche Ausführungsformen der Reformeranordnung einen Reformer und einen membranartigen Wasserstoffabscheider umfassen können, um Wasserstoff in dem reformierten Produkt des Reformers von den kohlenstoffbasierten Bestandteilen zu trennen, wird nachstehend eine wirbelrohrbasierte Reformeranordnung näher beschrieben.In addition to or instead of acting on a transducer, such as the turbine 12th , with fuel straight from the fuel tank 14th can the actuation system 10 a reformer assembly 20th include taking fuel from the fuel tank 14th records. While some embodiments of the reformer assembly may include a reformer and a membrane-type hydrogen separator to separate hydrogen from the carbon-based constituents in the reformed product of the reformer, a vortex tube-based reformer assembly is described in greater detail below.

Die Reformeranordnung 20 erzeugt Wasserstoff aus dem Brennstoff, und der Wasserstoff wird zu einer Brennstoffzelle 22 befördert, in manchen Fällen wie gezeigt zuerst durch einen Wasserstofftank 24. Bei Bedarf können mehrere Reformer und/oder Brennstoffzellen parallel zueinander und/oder in Reihe zueinander verwendet werden.The reformer arrangement 20th creates hydrogen from the fuel, and the hydrogen becomes a fuel cell 22nd in some cases first through a hydrogen tank as shown 24 . If necessary, several reformers and / or fuel cells can be used parallel to one another and / or in series with one another.

Die Brennstoffzelle 22 nutzt den Wasserstoff, um Elektrizität zu erzeugen, typischerweise mit einem relativ hohen Wirkungsgrad, indem der Wasserstoff mit Sauerstoff aus z.B. der Umgebungsatmosphäre oxidiert wird. Die Brennstoffzelle 22 kann ohne Einschränkung eine Polymeraustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC), eine Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC), eine alkalische Brennstoffzelle (AFC), eine Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC), eine Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC) oder eine Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC) sein.The fuel cell 22nd uses the hydrogen to generate electricity, typically with a relatively high degree of efficiency, by oxidizing the hydrogen with oxygen from, for example, the surrounding atmosphere. The fuel cell 22nd can be, without limitation, a polymer exchange membrane fuel cell (PEMFC), a solid oxide fuel cell (SOFC), an alkaline fuel cell (AFC), a molten carbonate fuel cell (MCFC), a phosphoric acid fuel cell (PAFC) or a direct methanol fuel cell (DMFC) .

Elektrizität aus der Brennstoffzelle 22 kann wiederum zu einem Elektromotor 26 geleitet werden, um eine Ausgangswelle des Motors 26 drehen zu lassen. Die Motorwelle ist durch eine Rotorkopplung 28 mit einem Rotor der Turbine 12 mechanisch gekoppelt. Typischerweise ist der Turbinen-/Kraftmaschinenrotor, mit dem der Motor 26 gekoppelt ist, nicht das gleiche Segment des die Schaufeln 18 tragenden Rotors, auch wenn dies bei manchen Umsetzungen der Fall sein kann. Stattdessen kann der Rotor, mit dem der Motor 26 gekoppelt sein kann, ein Segment des Schaufelrotors, der keine Schaufeln trägt, oder ein Rotor getrennt von dem Schaufelrotor und konzentrisch damit oder anderweitig damit gekoppelt sein. In jedem Fall übt der Motor 26 bei Einschalten durch die Brennstoffzelle 22 (bei Bedarf durch geeignete Kupplungen) durch einen Rotor ein Drehmoment auf die Ausgangswelle der Turbine 12 aus, die in manchen Fällen die gleiche Welle wie die den Rotor bildende sein kann. Leistung von dem Motor 26 kann anderen Komponenten als dem durch die Turbine verkörperten Aufnehmer geliefert werden. Die von der Brennstoffzelle und Turbine/Kraftmaschine erzeugte elektrische Leistung kann wiederum zu einem Stromspeicher, etwa einem Batteriesystem, oder zu einem Leistungsverbraucher, etwa dem Stromnetz einer Stadt, weitergeleitet werden.Electricity from the fuel cell 22nd can turn to an electric motor 26th are routed to an output shaft of the engine 26th to turn. The motor shaft is through a rotor coupling 28 with a rotor of the turbine 12th mechanically coupled. Typically this is the turbine / engine rotor that the engine uses 26th coupled is not the same segment of the blades 18th bearing rotor, even if this may be the case in some implementations. Instead, the rotor that drives the motor 26th may be coupled, a segment of the vane rotor that does not carry any vanes, or a rotor separate from the vane rotor and concentrically therewith or otherwise coupled therewith. In any case, the engine is exercising 26th when switched on by the fuel cell 22nd (if necessary with suitable couplings) a rotor applies torque to the output shaft of the turbine 12th which in some cases can be the same shaft as that forming the rotor. Power from the engine 26th may be supplied with components other than the transducer embodied by the turbine. The electrical power generated by the fuel cell and turbine / engine can in turn be forwarded to a power storage device, such as a battery system, or to a power consumer, such as the power grid of a city.

Zum Verwirklichen weiterer Effizienzen kann der Ausstoß der Brennstoffzelle, etwa Wasser in Form von Dampf, der von der Brennstoffzelle 22 erzeugt wird, ferner mit Kohlenwasserstoff gemischt werden, der zu der Reformeranordnung 20 in einem Mischer 30 eingeleitet wird, der ein Tank oder ein einfaches Rohr oder ein anderer Hohlraum sein kann, in dem sich Wasser und Kohlenstoff mischen können, wobei das Gemisch dann (durch z.B. geeignete Rohre oder Leitungen) zu dem Turbinenzulauf 16 geleitet wird. Bei Bedarf kann ein oberflächenaktiver Stoff aus einem Tank 32 für oberflächenaktiven Stoff ebenfalls dem Dampf-/Kohlenstoffgemisch beigegeben werden. Oder der Dampf von der Brennstoffzelle kann zu der nachstehend beschriebenen Reformeranordnung befördert werden, ohne den Dampf mit Kohlenstoff zu mischen und/oder ohne den Dampf mit oberflächenaktivem Stoff zu mischen.To achieve further efficiencies, the output of the fuel cell, for example water in the form of steam, can be generated by the fuel cell 22nd is produced, further mixed with hydrocarbon added to the reformer assembly 20th in a mixer 30th is introduced, which can be a tank or a simple pipe or some other cavity in which water and carbon can mix, the mixture then (eg through suitable pipes or lines) to the turbine inlet 16 is directed. If necessary, a surfactant can be taken from a tank 32 for surfactants can also be added to the steam / carbon mixture. Or the steam from the fuel cell can be conveyed to the reformer assembly described below without mixing the steam with carbon and / or without mixing the steam with surfactant.

In jedem Fall lässt sich nun nachvollziehen, dass das Dampf-/Kohlenstoffgemisch die Brennstoffeinspritzung direkt aus dem Brennstofftank 14 zu dem Zulauf 16 ergänzen kann oder die Brennstoffeinspritzung direkt aus dem Brennstofftank 14 zu dem Zulauf 16 ganz ersetzen kann.In any case, it can now be understood that the steam / carbon mixture is injecting fuel directly from the fuel tank 14th to the inflow 16 can supplement or fuel injection directly from the fuel tank 14th to the inflow 16 can completely replace.

Weiterhin kann von der Brennstoffzelle 22 erzeugter Strom nicht nur zum Betätigen des Elektromotors 26 (oder zum Liefern von Strom zu einem Batteriespeicher oder dem Netz) verwendet werden, sondern auch zum Liefern von Zündstrom für die entsprechenden Komponenten in der Turbine oder der Kraftmaschine 12. Elektrizität von der Brennstoffzelle kann auch für andere Hilfszwecke genutzt werden, z.B. zusätzlich zum Betätigen des Elektromotors zum, Antreiben anderer elektrischer Geräte. In Fällen, da die Reformeranordnung 20 Kohlendioxid und Dampf erzeugt, können diese Fluide ebenfalls zu Wärmetauschern geleitet werden, die mit dem Reformer und einem Dampfgenerator in Verbindung stehen oder damit gekoppelt sind.Furthermore, from the fuel cell 22nd generated electricity not only to operate the electric motor 26th (or to supply electricity to a battery storage facility or the grid), but also to supply ignition current for the corresponding components in the turbine or the engine 12th . Electricity from the fuel cell can also be used for other auxiliary purposes, e.g. in addition to operating the electric motor for driving other electrical devices. In cases where the reformer arrangement 20th Generates carbon dioxide and steam, these fluids can also be directed to heat exchangers that are connected to or coupled to the reformer and a steam generator.

In manchen Ausführungsformen kann bei Bedarf Wasser von der Brennstoffzelle 22 durch eine Wasserleitung 34 zu der Reformeranordnung 20 zurückgeleitet werden. Bei Bedarf kann auch Wärme von dem Aufnehmer (z.B. der Turbine 12) aufgefangen und durch Leitungen/Rohre 36 zurück zu der Reformeranordnung 20 geführt werden, um den Reformer zu erwärmen.In some embodiments, water can be supplied from the fuel cell as needed 22nd through a water pipe 34 to the reformer assembly 20th be returned. If necessary, heat can also be removed from the sensor (e.g. the turbine 12th ) and collected by lines / pipes 36 back to the reformer arrangement 20th be performed to heat the reformer.

2 zeigt eine wirbelrohrbasierte Reformeranordnung 20. Wie gezeigt kann die Anordnung 20 einen Dampfbehälter 200 und einen Brennstoffbehälter 202 umfassen. Der Dampfbehälter 200 und der Brennstoffbehälter 202 können Wärmetauscher sein, die durch Veranschaulichen einer jeweiligen äußeren Heizkammer 200a, 202a, die eine jeweilige innere Fluidkammer 200b, 202b umgibt, schematisch dargestellt sind, wobei Wärme in jeder äußeren Wärmetauschkammer das Fluid in der jeweiligen inneren Fluidkammer erwärmt. Mittels der Ablassleitung 36 von dem Auslass des Aufnehmers von 1, z.B. der Turbine 12, kann jeder Wärmetauschkammer 200a, 202a Wärme zugeführt werden. 2 shows a vortex tube based reformer arrangement 20th . As shown, the arrangement 20th a steam container 200 and a fuel tank 202 include. The steam container 200 and the fuel tank 202 can be heat exchangers made by illustrating a respective outer heating chamber 200a , 202a having a respective inner fluid chamber 200b , 202b surrounds, are shown schematically, wherein heat in each outer heat exchange chamber heats the fluid in the respective inner fluid chamber. By means of the drain line 36 from the outlet of the sensor from 1 , e.g. the turbine 12th , can any heat exchange chamber 200a , 202a Heat can be supplied.

Bei Betrachtung zunächst des Dampfbehälters 200 kann anfängliches Wasser bzw. anfänglicher Dampf zum Starten der Zulaufseite eines optionalen Flügelrads 204 oder einer anderen Fluidbewegungsvorrichtung zugeführt werden, bis zu dem Zeitpunkt, da das anfängliche Wasser oder der anfängliche Dampf durch Dampfablassen von der Brennstoffzelle 22 mittels der Leitung 34 wie gezeigt ergänzt und bevorzugt ersetzt wird. Von z.B. einem elektrischen Heizelement 206 in der Wärmetauschkammer 200a des Fluidbehälters 200, von Abwärme von der Turbine oder Kraftmaschine oder von einer anderen Wärmequelle kann ebenfalls anfängliche Startwärme bis zu dem Zeitpunkt vorgesehen werden, da die Startwärme durch Abwärme von dem Aufnehmer (z.B. der Turbine 12) mittels der Ablassleitung 36 wie gezeigt ergänzt und bevorzugt ersetzt werden kann. In jedem Fall werden zum Starten das zu Dampf erwärmte anfängliche Wasser und der Dampf von der Brennstoffzelle während Betrieb unter dem Einfluss des Flügelrads 204, falls vorgesehen, oder einfach unter Dampfdruck in der inneren Fluidkammer 200b zu einem Mischer-/Injektorbehälter 208 befördert.When looking at the steam container first 200 can initial water or initial steam to start the upstream side of an optional impeller 204 or other fluid moving device until such time as the initial water or steam is vapor vented from the fuel cell 22nd by means of the line 34 is supplemented and preferably replaced as shown. For example an electric heating element 206 in the heat exchange chamber 200a of the fluid container 200 , from waste heat from the turbine or engine or from another heat source, initial start-up heat can also be provided up to the point in time when the start-up heat is generated by waste heat from the sensor (e.g. the turbine 12th ) by means of the drain line 36 can be supplemented and preferably replaced as shown. In either case, for starting, the initial water heated to steam and the steam from the fuel cell are under the influence of the impeller during operation 204 if provided, or simply under vapor pressure in the internal fluid chamber 200b to a mixer / injector container 208 promoted.

Bezüglich des Brennstoffbehälters 202 kann Kohlenwasserstoffbrennstoff, etwa Erdgas, aber ohne darauf beschränkt zu sein, von dem Brennstofftank 14 zu der Zulaufseite eines optionalen Flügelrads 210 oder einer anderen Fluidbewegungsvorrichtung geliefert werden. Von z.B. einem elektrischen Heizelement 212 in der Wärmetauschkammer 202a des Brennstoffbehälters 202 oder von einer anderen Wärmequelle kann ebenfalls anfängliche Startwärme bis zu dem Zeitpunkt vorgesehen werden, da die Startwärme durch Abwärme von dem Aufnehmer (z.B. der Turbine 12) mittels der Ablassleitung 36 wie gezeigt ergänzt und bevorzugt ersetzt werden kann. In jedem Fall wird der erwärmte Brennstoff in der Fluidkammer 202b des Brennstoffbehälters 202, der bevorzugt durch Entschweflersorptionselemente 213, die an der Innenwand der Brennstoffkammer vorgesehen sein können, von Schwefel gereinigt wird, unter dem Einfluss des Flügelrads 210, falls vorgesehen, oder einfach unter Fluiddruck in der inneren Fluidkammer 202b zu dem Mischer-/Injektorbehälter 208 befördert. In manchen Fällen muss der Brennstoff vor dem Liefern zu dem Mischer/Injektor 208 nicht erwärmt werden.Regarding the fuel tank 202 may, but is not limited to, hydrocarbon fuel, such as natural gas, from the fuel tank 14th to the inlet side of an optional impeller 210 or other fluid moving device. For example an electric heating element 212 in the heat exchange chamber 202a of the fuel tank 202 or from another heat source, initial start-up heat can also be provided up to the point in time when the start-up heat is generated by waste heat from the transducer (e.g. the turbine 12th ) by means of the drain line 36 can be supplemented and preferably replaced as shown. In either case, the heated fuel is in the fluid chamber 202b of the fuel tank 202 , which is preferred by desulphurisation elements 213 , which may be provided on the inner wall of the fuel chamber, is purified of sulfur under the influence of the impeller 210 if provided, or simply under fluid pressure in the internal fluid chamber 202b to the mixer / injector container 208 promoted. In some cases, the fuel must be delivered to the mixer / injector 208 not be heated.

In manchen Beispielen können der Dampf in dem Dampfbehälter 200 und/oder der Brennstoff in dem Brennstoffbehälter 202 bei einem Druck von drei Atmosphären bis dreißig Atmosphären (3 atm - 30 atm) auf sechshundert Grad Celsius (600°C) bis eintausendeinhundert Grad Celsius (1100°C) erwärmt werden. Allgemeiner können die Reaktionstemperaturen, die bei den Kohlenwasserstoff- und Dampfgemischen genutzt werden, von einer niedrigen Temperatur von 300C auf bis zu 1200C steigen. Diese Temperaturen können für die eingeleitete Kohlenwasserstoffeinspeisungsart, die Laufzeit des Prozesses durch das Reaktionsrohr und die angelegten Drücke, die durch den Wirbelstrom, etwa den in dem Reaktionsrohr erzeugten Wirbel, hervorgerufen werden, optimiert werden.In some examples, the steam can be in the steam container 200 and / or the fuel in the fuel container 202 at a pressure of three atmospheres to thirty atmospheres ( 3 atm - 30 atm) can be heated to six hundred degrees Celsius (600 ° C) to one thousand and one hundred degrees Celsius (1100 ° C). More generally, the reaction temperatures used with the hydrocarbon and vapor mixtures can increase from a low temperature of 300C up to 1200C. These temperatures can be optimized for the type of hydrocarbon feed introduced, the running time of the process through the reaction tube and the pressures applied which are caused by the eddy current, for example the eddy generated in the reaction tube.

Der Mischer/Injektor 208 mischt den Dampf von dem Dampfbehälter 200 mit dem Brennstoff von dem Brennstoffbehälter 202. Das Mischen kann unter dem Einfluss der Trübung der jeweiligen Fluide verwirklicht werden, wenn diese in den Mischer/Injektor 208 gelangen, und/oder durch zusätzliche Mischkomponenten, etwa sich drehende Flügelräder in dem Mischer/Injektor 208 und/oder durch andere geeignete Mittel. Der Mischer/Injektor 208 spritzt das Dampf- und Brennstoffgemisch unter dem Einfluss von Fluiddruck in dem Mischer in ein Wirbelrohr 214, z.B. durch Brennstoffinjektoren oder einfach durch eine Öffnung und Fluidleitung.The mixer / injector 208 mixes the steam from the steam container 200 with the fuel from the fuel tank 202 . Mixing can be accomplished under the influence of the turbidity of the respective fluids when they enter the mixer / injector 208 get, and / or through additional mixing components, such as rotating impellers in the mixer / injector 208 and / or by other suitable means. The mixer / injector 208 injects the steam and fuel mixture into a vortex tube under the influence of fluid pressure in the mixer 214 , for example through fuel injectors or simply through an opening and fluid line.

Das Wirbelrohr 214, das auch als Ranque-Hilsch-Wirbelrohr bekannt sein kann, ist eine mechanische Vorrichtung, die ein verdichtetes Fluid in heiße und kalte Ströme trennt. Typischerweise weist es keine beweglichen Teile auf.The vortex tube 214 Also known as the Ranque-Hilsch vortex tube, is a mechanical device that separates a compressed fluid into hot and cold streams. It typically has no moving parts.

Wie gezeigt wird das druckbeaufschlagte Gemisch aus Dampf und Brennstoff von dem Mischer/Injektor 208, bevorzugt tangential, in eine Wirbelkammer 216 des Wirbelrohrs 214 eingespritzt und durch das Zusammenwirkung der Geometrie zwischen der Wirbelkammer 216 und der zylindrischen Wand eines Hauptrohrsegments 218, die wie gezeigt senkrecht zur Eintragsachse der Wirbelkammer 216 ausgerichtet ist, auf eine hohe Rotationsrate beschleunigt. An einem Ende des Wirbelrohrs 214 kann eine erste konische Düse 220 so vorgesehen sein, dass nur die äußere Schale des verdichteten Gases an diesem Ende entweichen kann. Die Öffnung an diesem Ende ist somit kranzförmig, wobei ihr mittlerer Teil (z.B. durch ein Ventil, wie nachstehend näher beschrieben) versperrt ist, so dass der Rest des Gases gezwungen ist, durch das Hauptinnenrohr 218 hin zu der Wirbelkammer 216 in einem inneren Wirbel reduzierten Durchmessers, der wie gezeigt im Wesentlichen koaxial mit dem Hauptrohrsegment 218 ist, zurückzukehren. In einer Ausführungsform kann der innere Wirbel in einem wasserstoffpermeablen Rohr 222, das zu einem Wasserstoffausgang 224 führt, der durch eine zweite konische Düse hergestellt sein kann, umschlossen sein. Das wasserstoffpermeable Rohr 222 ist, falls vorgesehen, bevorzugt gegenüber kohlenstoffbasierten Bestandteilen undurchlässig. Das Rohr 222 kann Palladium enthalten.As shown, the pressurized mixture of steam and fuel is supplied from the mixer / injector 208 , preferably tangentially, into a vortex chamber 216 of the vortex tube 214 injected and through the interaction of the geometry between the vortex chamber 216 and the cylindrical wall of a main pipe segment 218 which, as shown, is perpendicular to the entry axis of the vortex chamber 216 aligned, accelerated to a high rate of rotation. At one end of the vortex tube 214 can have a first conical nozzle 220 be provided so that only the outer shell of the compressed gas can escape at this end. The opening at this end is thus ring-shaped, its central part being blocked (eg by a valve, as described in more detail below) so that the remainder of the gas is forced through the main inner pipe 218 towards the vortex chamber 216 in a reduced diameter inner vortex which, as shown, is substantially coaxial with the main pipe segment 218 is to return. In one embodiment, the internal vortex can be in a hydrogen permeable tube 222 leading to a hydrogen outlet 224 leads, which can be produced by a second conical nozzle, be enclosed. The hydrogen-permeable tube 222 is, if provided, preferably impermeable to carbon-based constituents. The pipe 222 may contain palladium.

Eine katalysierende Schicht 226 kann auf der Innenfläche mindestens des Hauptinnenrohrs 218 ausgebildet oder damit integral sein, um kohlenstoffbasierte Bestandteile an den Außenumfang des Durchlasses, der durch das Hauptinnenrohr gebildet ist, anzuziehen. Die katalysierende Schicht kann Nickel und/oder Platin und/oder Rhodium und/oder Palladium und/oder Gold und/oder Kupfer enthalten. Das Rohr 218 kann aus der katalysierenden Schicht bestehen, oder die Schicht 226 kann zu einem Rohrsubstrat etwa durch z.B. Dampfabscheidung der katalysierenden Schicht 226 auf das Rohrsubstrat, das aus Keramik bestehen kann, hinzugefügt werden.A catalyzing layer 226 can be on the inner surface of at least the main inner pipe 218 formed or integral therewith to attract carbon-based components to the outer periphery of the passage defined by the main inner tube. The catalyzing layer can contain nickel and / or platinum and / or rhodium and / or palladium and / or gold and / or copper. The pipe 218 can consist of the catalyzing layer, or the layer 226 can become a pipe substrate, for example by vapor deposition of the catalyzing layer 226 on the pipe substrate, which can be made of ceramic.

Das Zusammenwirken der Struktur des Wirbelrohrs 214 zwingt relativ kühleren Wasserstoff von dem eingeleiteten Brennstoff hin zur Achse des Hauptrohrs 218 in das wasserstoffpermeable Rohr 222, falls vorgesehen, und nach links bei Blick auf 2 entlang der Achse des Hauptrohrs 218, während die relativ schwereren und heißeren kohlenstoffbasierten Bestandteile des Brennstoffs nach außen gegen die katalytische Schicht 226 und nach rechts bei Blick auf 2 gezwungen werden. Aufgrund des Zusammenwirkens der dargestellten Struktur wird zum Versorgen der Brennstoffzelle 22 der Brennstoff sowohl chemisch zu Wasserstoff und kohlenstoffbasierten Bestandteilen reformiert als auch der Wasserstoff physikalisch von den kohlenstoffbasierten Bestandteilen getrennt.The interaction of the structure of the vortex tube 214 forces relatively cooler hydrogen from the injected fuel towards the axis of the main pipe 218 into the hydrogen permeable tube 222 if provided, and to the left when facing 2 along the axis of the main pipe 218 , while the relatively heavier and hotter carbon-based constituents of the fuel out against the catalytic layer 226 and to the right when looking at 2 are forced. Due to the interaction of the structure shown, it is used to supply the fuel cell 22nd the fuel is both chemically reformed to hydrogen and carbon-based components, and the hydrogen is physically separated from the carbon-based components.

Bei Bedarf kann ein Evakuierungsmechanismus, etwa eine Vakuumpumpe 228, vorgesehen werden, um das Abziehen von Wasserstoff von dem Wasserstoffausgang 224 des Wirbelrohrs 214 zu unterstützen. Bei Bedarf kann ferner der Wasserstoff durch einen Wassergaskonvertierungsreaktor (WSGR) 230 geleitet werden, um den Wasserstoff vor Versorgen der Brennstoffzelle 22 weiter zu reinigen. Nachstehend werden Beispiele für wirbelrohrbasierte WGSR-Ausführungsformen näher erläutert.If necessary, an evacuation mechanism such as a vacuum pump can be used 228 , can be provided to prevent the withdrawal of hydrogen from the hydrogen outlet 224 of the vortex tube 214 to support. If necessary, the hydrogen can also be fed through a water gas conversion reactor (WSGR) 230 be routed to the hydrogen before supplying the fuel cell 22nd further cleaning. Examples of vortex tube-based WGSR embodiments are explained in more detail below.

Die kohlenstoffbasierten Bestandteile des Brennstoffs werden dagegen aus der rechten Seite des Hauptrohrs 218 des Wirbelrohrs 214 heraus zu dem Aufnehmer, z. B. der Turbine 12, in manchen Fällen mittels des in 1 gezeigten Mischers 30 befördert.The carbon-based constituents of the fuel, on the other hand, come from the right side of the main pipe 218 of the vortex tube 214 out to the transducer, e.g. B. the turbine 12th , in some cases using the in 1 shown mixer 30th promoted.

Brennstoffzellen arbeiten typischerweise besser, wenn der zu ihnen eingespeiste Wasserstoff relativ kühler als der durch übliche Reformer hergestellte ist, der folglich ein Kühlen erfordern kann. Zudem kann es schwierig sein, bestimmte Wasserstoffkühlprozesse wie etwa WGSR bei Wasserstoff extrem hoher Temperatur von einem herkömmlichen Reformer zu nutzen, was bedeutet, dass der Wasserstoff einer erheblichen Kühlung bedarf. Durch Reformieren des Brennstoffs kommt es bei Abscheiden des Wasserstoffs und Kühlen des Wasserstoffs (relativ zu den kohlenstoffbasierten Bestandteilen) in einer Einzelreformeranordnung wie hierin beschrieben zu mehreren Vorteilen, darunter die Fähigkeit, relativ kühlen Wasserstoff zu erzeugen, der weniger Kühlung nach Reformieren erfordert und der die Lebensdauer der Brennstoffzelle verlängert.Fuel cells typically work better when the hydrogen fed to them is relatively cooler than that produced by conventional reformers, which consequently may require cooling. In addition, it can be difficult to use certain hydrogen cooling processes such as WGSR with extremely high temperature hydrogen from a conventional reformer, which means that the hydrogen requires significant cooling. By reforming the fuel, separating the hydrogen and cooling the hydrogen (relative to the carbon-based constituents) in a single reformer arrangement as described herein has several advantages, including the ability to produce relatively cool hydrogen that requires less cooling after reforming and that does The service life of the fuel cell is extended.

Demgemäß ermöglicht die Verwendung einer Wirbel- oder Zyklonwirbelwirkung das elegante Integrieren dieser Prozesse und sieht höhere Energieeffizienz, verbesserte Brennstoffnutzung und erhöhte Wasserstoffausbeute vor. Zusätzliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Reformern umfassen das Verschieben des chemischen Gleichgewichts zugunsten von Wasserstofferzeugung. Dies wird durch Positionierung eines wasserstoffpermeablen Membranabscheiderrohrs an der Niederdruckstelle des Wirbels erreicht, um während des Reformierungsprozesses in dem Rohr Wasserstoff von dem entstehenden Kohlenwasserstoff-Synthesegasgemisch abzuziehen oder zu ernten. Dieser Prozess wird durch die Kombination eines erzeugten Wirbels oder von erzeugten Wirbeln erreicht, was das Reformieren und die Wirbelgasabscheidung gleichzeitig verbessert, während auch die Ausbeute und das Kühlen des Wasserstoffgases verbessert werden.Accordingly, the use of a vortex or cyclone vortex effect enables these processes to be elegantly integrated and provides higher energy efficiency, improved fuel economy and increased hydrogen yield. Additional advantages over traditional reformers include shifting the chemical balance in favor of hydrogen production. This is achieved by positioning a hydrogen-permeable membrane separator tube at the low pressure point of the vortex in order to extract or harvest hydrogen from the resulting hydrocarbon-synthesis gas mixture during the reforming process in the tube. This process is achieved by the combination of a generated vortex or vortices, which is reforming and vortex gas separation at the same time while the yield and cooling of the hydrogen gas are also improved.

Bei dem vorstehend beschriebenen Ansatz sieht der erzeugte Wirbel eine Zentrifugaldrehwirkung vor, die auf die Gase in einem runden Rohr, anfangs auf den Wasserstoff und Dampf, ausgeübt wird, die bei höheren Drücken und Temperaturen tangential gegen die Wände des katalysatorverkleideten Hauptrohrs 218 drückt, was die Reformierungsrate verbessert. Dies ist auf die höheren Temperaturen und Drücke bei den massereicheren molekularen Gasen (die Kohlenwasserstoffe und Dampf) zurückzuführen, die durch Wirbelbewegung hervorgerufen werden, die die Wände des katalysatorverkleideten Rohrs kontaktiert.In the approach described above, the vortex created provides a centrifugal rotating action applied to the gases in a round tube, initially the hydrogen and steam, which at higher pressures and temperatures tangential to the walls of the main catalyst-lined tube 218 depresses, which improves the rate of reform. This is due to the higher temperatures and pressures in the more massive molecular gases (the hydrocarbons and steam) created by vortex motion contacting the walls of the catalyst-lined tube.

Wenn der Reformierungsprozess das Rohr in dem Wirbel hinunter abläuft, differenziert oder schichtet sich das eingeleitete Kohlenwasserstoffgasgemisch gemäß Gasdichten axial in dem Rohr. Die Kohlenwasserstoffe und der Dampf, die die dichteste Ansammlung an der Innenwand des Rohrs sind, und der Wasserstoff mit der niedrigsten Dichte bewegen sich hin zur Mitte des Wirbels. Die höheren Momente werden auf die schwereren Gase, die Kohlenwasserstoffe mit den längsten Ketten und den Dampf ausgeübt, die mit hoher Kraft und in hohen Dichten mit der katalysatorverkleideten Wand des Rohrs kollidieren. Dies optimiert die Konformität und die Grenzfläche zwischen dem Kohlenwasserstoff, dem Dampf und dem Katalysator bei einem bestimmten Druck.As the reforming process proceeds down the pipe in the vortex, the introduced hydrocarbon gas mixture differentiates or stratifies according to gas densities axially in the pipe. The hydrocarbons and steam, which are the densest accumulation on the inside wall of the pipe, and the hydrogen with the lowest density, move towards the center of the vortex. The higher moments are exerted on the heavier gases, the hydrocarbons with the longest chains and the steam, which collide with high force and in high densities with the catalyst-clad wall of the pipe. This optimizes compliance and the interface between the hydrocarbon, steam and catalyst at a given pressure.

Die Wasserstoffgase, die weniger massereich sind, werden hin zur Mitte des Wirbels, hin zur Zone niedrigeren Drucks, weg von der Peripherie gezogen. Diese Wirkung, die den Wasserstoff weg von der Peripherie bewegt, verbessert für die schwereren Kohlenwasserstoffe, Dampf und Kohlenstoffoxide den Zugangsweg zu dem Katalysator. Die Mitte des Rohrs, dort wo der Wirbel seine niedrigsten Drücke aufweist, enthält das wasserstoffpermeable Filterrohr 222 mit Saugwirkung zum Anziehen von Wasserstoff. Daher dringt Wasserstoff zur Mitte vor und wird mit einem Unterdruck aus der Reaktion abgezogen, wodurch der Wasserstoff geerntet wird, während der Reformierungsprozess abläuft.The hydrogen gases, which are less massive, are drawn towards the center of the vortex, towards the zone of lower pressure, away from the periphery. This action, moving the hydrogen away from the periphery, improves the access route to the catalyst for the heavier hydrocarbons, steam and carbon oxides. The middle of the tube, where the vortex has its lowest pressure, contains the hydrogen-permeable filter tube 222 with suction to attract hydrogen. Therefore, hydrogen penetrates to the center and is withdrawn from the reaction with a negative pressure, whereby the hydrogen is harvested while the reforming process takes place.

Der Wasserstoff wird abgeschieden und aufgrund seiner niedrigeren Dichte zur Mitte des Wirbels gezogen und wird aufgrund des auf das Rohr ausgeübten Unterdrucks weiter in die Wände des wasserstoffpermeablen Abtrennungsrohrs gezogen. Das Abziehen oder Ernten von Wasserstoff aus der laufenden Reformation verbessert die dynamischen chemischen Reaktionen in Verbindung mit dem Katalysator durch Abbauen von Wasserstoff weiter, was nachteilige reversible Wasserstoffreaktionen beschränkt. Dies erhöht das Verhältnis der Erzeugung von Wasserstoff zu Kohlenstoff.The hydrogen is separated and, due to its lower density, is drawn to the center of the vortex and is drawn further into the walls of the hydrogen-permeable separation tube due to the negative pressure exerted on the tube. Withdrawal or harvest of hydrogen from the ongoing reformation further enhances the dynamic chemical reactions associated with the catalyst by breaking down hydrogen, which limits adverse reversible hydrogen reactions. This increases the ratio of production of hydrogen to carbon.

Unter Berücksichtigung des Vorstehenden wird das Produkt der Reformationsreaktion (Synthesegas) während der Laufzeit entlang des Wirbelrohrs ständig abgegriffen, was die gereinigten Ausgabeströme vorsieht und weiter das Gleichgewicht der ablaufenden Reaktion ändert, um die Menge erzeugten Wasserstoffs zu verbessern. Die Zyklonwirbelbewegung kann mittels eines Propellers oder einer Pumpe, der/die die Gase mit schwerer Kohlenwasserstoffbasis und den Dampf hin zu den Rohrwänden veranlasst, auf die eingespritzten Kohlenwasserstoff- und Dampfeinspeisungen ausgeübt werden. Diese Bewegung verursacht ein Reformieren eines Teils der Kohlenwasserstoffe, die auf die Katalysatoren auftreffen, wobei Wasserstoff und Kohlenmonoxid ausgestoßen werden. Diese zwei Gase, die leichter als CH4 sind, werden hin zur Mitte des Wirbels weg von der Wand des Wirbelrohrs getrieben. Die abgetrennten Ausgabeströme, die zum einen aus Wasserstoff und zum anderen aus Dampf, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Spurenbeimengungen bestehen, werden einzeln abgegriffen und zu jeweiligen Ausgabeströmen befördert.With the foregoing in mind, the product of the reformation reaction (synthesis gas) is continuously tapped along the vortex tube during run time, providing the purified output streams and further changing the equilibrium of the reaction taking place to improve the amount of hydrogen produced. The cyclone vortex motion can be applied to the injected hydrocarbon and steam feeds by means of a propeller or pump that drives the heavy hydrocarbon based gases and steam towards the pipe walls. This movement causes some of the hydrocarbons that hit the catalysts to reform, emitting hydrogen and carbon monoxide. These two gases, lighter than CH 4 , are driven towards the center of the vortex away from the wall of the vortex tube. The separated output streams, which consist on the one hand of hydrogen and on the other hand of steam, carbon monoxide, carbon dioxide and trace impurities, are tapped individually and conveyed to the respective output streams.

Die Erzeugung und Trennung der ausgegebenen Brennstoffströme werden jeweils mittels der Wirbelwirkung in dem Reaktionsrohr und der progressiven Entfernung der fraktionierenden Produkte, wie Wasserstoff, verbessert, was weiter eine dynamische Optimierung aufgrund der kontinuierlichen Nichtgleichgewichtsbedingungen vorsieht.The generation and separation of the discharged fuel streams are each improved by means of the swirling action in the reaction tube and the progressive removal of the fractionating products such as hydrogen, which further provides a dynamic optimization due to the continuous non-equilibrium conditions.

Zusätzlich zu entsprechenden Sensoren, Ventilen und Steuerungselektronik kann das Wirbelrohr Brennstoff- und Dampfinjektoren, Wärmezufuhrvorrichtungen, Wärmetauscher, Turbulentmischer hoher Scherkraft, Filter und Ausgabestromabgriffvorrichtungen umfassen. Der ausgegebene Wasserstoff und etwas Dampf können der Brennstoffzelle 22 zugeführt werden, wobei kohlenstoffbasierte Bestandteile und etwas Dampf dem Aufnehmer zugeführt werden. Bei manchen Umsetzungen kann der Großteil des Dampfes und der schwereren fraktionierenden Kohlenwasserstoffe zurück in das Wirbelrohr oder mehrere Wirbelrohre gespeist werden.In addition to appropriate sensors, valves, and control electronics, the vortex tube may include fuel and steam injectors, heat supplies, heat exchangers, high shear turbulent mixers, filters, and output power taps. The dispensed hydrogen and some steam can be used by the fuel cell 22nd with carbon-based components and some steam being fed to the susceptor. In some reactions, most of the steam and heavier fractionating hydrocarbons can be fed back into the vortex tube or multiple vortex tubes.

3 zeigt eine Ausführungsform, bei der mehrere Wirbelrohre in einer Endlosschleife 300 angeordnet sind, die hierin als „toroidale“ Konfiguration bezeichnet wird, ohne zu implizieren, dass die Endlosschleife vollkommen rund ist. Jedes Wirbelrohr kann im Wesentlichen von einem Aufbau und einer Arbeitsweise sein, die identisch zu der des Wirbelrohrs 214 von 2 sind. 3 shows an embodiment in which multiple vortex tubes in an endless loop 300 which is referred to herein as a "toroidal" configuration without implying that the endless loop is perfectly round. Each vortex tube may be of substantially identical construction and operation to that of the vortex tube 214 from 2 are.

Wie gezeigt kann Brennstoff zu einem Anfangswirbelrohr 302 eingeleitet werden, der von dessen wasserstoffpermeablem Rohr ausgegebene Wasserstoff wird als Eintrag zu der Wirbelkammer des nächsten Wirbelrohrs 304 befördert, dessen Wasserstoffausgabe wiederum dem nächsten Wirbelrohr als Eintrag zugeführt wird. In der Konfiguration 300 können „N“ Wirbelrohre in Reihe angeordnet werden, wobei „N“ eine ganze Zahl ist (in dem gezeigten Beispiel N=8) und wobei die Wasserstoffausgabe des N-ten Wirbelrohrs 306 zu der Brennstoffzelle 22 befördert wird. Auf diese Weise wird der Wasserstoff sukzessive in einen immer reineren Eintrag für die Brennstoffzelle abgeschieden, während die von jedem Wirbelrohr ausgegebenen kohlenstoffbasierten Bestandteile einzeln von jedem Rohr abgezogen werden und zu dem Aufnehmer befördert werden können, wie durch die „N“ Pfeile 308 angedeutet ist.As shown, fuel can be sent to an initial vortex tube 302 are introduced, the hydrogen emitted from its hydrogen-permeable tube is used as an entry to the vortex chamber of the next vortex tube 304 promoted, whose Hydrogen output is in turn fed to the next vortex tube as an entry. In the configuration 300 For example, “N” vortex tubes can be arranged in series, where “N” is an integer (N = 8 in the example shown) and where the hydrogen output of the Nth vortex tube 306 to the fuel cell 22nd is promoted. In this way, the hydrogen is successively separated into an increasingly pure entry for the fuel cell, while the carbon-based components emitted by each vortex tube are withdrawn individually from each tube and can be conveyed to the receiver, as indicated by the "N" arrows 308 is indicated.

Die Konfiguration 300 von 3 kann in dem in 2 gezeigten System genutzt werden, wobei das Anfangswirbelrohr 302 Brennstoff von dem Mischer/Injektor 208 aufnimmt und Wasserstoff von dem Wasserstoffausgang 224 zu dem Wirbelkammereingang des nächsten Wirbelrohrs befördert und wobei die Wasserstoffausgabe des N-ten Wirbelrohrs 306 mittels der Vakuumpumpe 228 und des WSGR 230 zu der Brennstoffzelle 22 befördert wird. Kohlenstoffbasierte Bestandteile von jedem Wirbelrohr von 3 können zu dem Mischer/Aufnehmer 30/12 befördert werden.The configuration 300 from 3 can in the in 2 system shown can be used, with the initial vortex tube 302 Fuel from the mixer / injector 208 and receives hydrogen from the hydrogen outlet 224 conveyed to the vortex chamber entrance of the next vortex tube and with the hydrogen output of the Nth vortex tube 306 by means of the vacuum pump 228 and the WSGR 230 to the fuel cell 22nd is promoted. Carbon-based constituents from every vortex tube from 3 can go to the mixer / pickup 30/12 to get promoted.

In anderen Ausführungsformen wird die Kohlenstoffausgabe jedes Rohrs zum Eingang des nächsten Rohrs befördert, wobei die Wasserstoffausgaben jedes Rohrs einzeln aus der toroidalen Konfiguration 300 herausgeleitet und zu der Brennstoffzelle befördert werden.In other embodiments, the carbon output of each tube is carried to the entrance of the next tube, with the hydrogen outputs of each tube individually from the toroidal configuration 300 out and conveyed to the fuel cell.

4 zeigt ein Wirbelrohr 400, das durch ein Wirbelrohr bzw. -rohre, die vorstehend beschrieben und in 2 bzw. 3 gezeigt sind, hergestellt werden kann. Das Wirbelrohr 400 von 4 kann mindestens einen Einlass 402, mindestens einen Wasserstoffauslass 404 wie gezeigt umfassen, wobei mindestens eine Kraftmaschine 406, wie etwa ein Dieselmotor, eine Eingangsöffnung 408 aufweist, die mit dem Wasserstoffauslass 404 des Wirbelrohrs 400 in Fluidverbindung steht. Auf diese Weise wird durch das Reformieren in dem Wirbelrohr 400 erzeugter Wasserstoff der Kraftmaschine 406 als Wasserstoffeinspritzung oder -anreicherung zugeführt, wobei der Wasserstoff mit Dieselkraftstoff von einem Tank 410 kombiniert und an einem Brennstoffzulauf 412 der Kraftmaschine aufgenommen werden kann. Zu beachten ist, dass der Wasserstoffeinlass 408 der Kraftmaschine 406 getrennt von dem Brennstoffzulauf 412 sein kann oder der gleiche oder in der gleichen mechanischen Baugruppe wie der Brennstoffzulauf 412 sein kann. 4th shows a vortex tube 400 carried by a vortex tube or tubes described above and described in 2 respectively. 3 shown can be produced. The vortex tube 400 from 4th can have at least one inlet 402 , at least one hydrogen outlet 404 as shown, wherein at least one prime mover 406 such as a diesel engine, an entrance port 408 having that with the hydrogen outlet 404 of the vortex tube 400 is in fluid communication. In this way, reforming in the vortex tube 400 generated hydrogen of the engine 406 supplied as hydrogen injection or enrichment, the hydrogen being supplied with diesel fuel from a tank 410 combined and at a fuel inlet 412 the engine can be included. Note that the hydrogen inlet 408 the prime mover 406 separated from the fuel supply 412 can be or the same or in the same mechanical assembly as the fuel inlet 412 can be.

Im Hinblick auf die vorstehende Offenbarung versteht sich, dass das Wirbelrohr 400 typischerweise eine Wirbelkammer, in die durch den Einlass 402 Kohlenwasserstoff geliefert wird, und ein Hauptrohrsegment, das mit der Wirbelkammer kommuniziert und einen Auslass 414 aufweist, der ein anderer als der Wasserstoffauslass 404 ist, umfassen kann. In manchen Ausführungsformen, etwa der gezeigten, steht der Brennstoffzulauf 412 der Kraftmaschine 406 mit dem Auslass 414 in Fluidverbindung, um wasserstoffabgereichertes Reformat von dem Wirbelrohr 400 aufzunehmen. Gemäß der vorstehenden Offenbarung grenzt der Auslass 414 typischerweise an eine Innenfläche einer Wand des Hauptrohrsegments an, an der mindestens ein katalytischer Bestandteil angeordnet sein kann.In view of the above disclosure, it should be understood that the vortex tube 400 typically a vortex chamber into which through the inlet 402 Hydrocarbon is supplied, and a main pipe segment that communicates with the swirl chamber and an outlet 414 which is other than the hydrogen outlet 404 is, may include. In some embodiments, such as the one shown, the fuel inlet is on 412 the prime mover 406 with the outlet 414 in fluid communication to hydrogen-depleted reformate from the vortex tube 400 to record. In accordance with the disclosure above, the outlet is contiguous 414 typically to an inner surface of a wall of the main pipe segment, on which at least one catalytic component can be arranged.

Analog kann das Wirbelrohr 400 wie vorstehend im Fall der vorhergehenden Wirbelrohre beschrieben ein wasserstoffpermeables Rohr umfassen, das mittig in dem Hauptrohrsegment angeordnet ist und an einem Ende des wasserstoffpermeablen Rohrs den Wasserstoffauslass 404 ausbildet.The vortex tube can be analogous 400 as described above in the case of the preceding vortex tubes, comprise a hydrogen-permeable tube which is arranged centrally in the main tube segment and at one end of the hydrogen-permeable tube the hydrogen outlet 404 trains.

Wie vorstehend erwähnt kann das Wirbelrohr 400 von 4 eine Anordnung darstellen, die durch die mehreren Wirbelrohre hergestellt ist, die in einer toroidalen Konfiguration von 3 angeordnet sind.As mentioned above, the vortex tube 400 from 4th FIG. 7 illustrates an arrangement made by the plurality of vortex tubes arranged in a toroidal configuration of FIG 3 are arranged.

In dem gezeigten Beispiel kommuniziert eine Wirbelrohrauslassleitung 416 mit dem Wirbelrohrauslass 414, um wasserstoffabgereichertes Reformat zu einer Kraftmaschinen-Brennstoffversorgungsleitung 418 zu befördern, die den Brennstofftank 410 mit dem Brennstoffzulauf 412 der Kraftmaschine verbindet. Auf diese Weise muss nur eine einzige Einspeiseöffnung in dem Brennstoffzulauf vorgesehen werden. In anderen Ausführungsformen erstreckt sich aber die Wirbelrohrauslassleitung 416 von dem Wirbelrohrauslass 414 direkt zu dem Brennstoffzulauf 412 der Kraftmaschine 406, ohne Anbinden an die Brennstoffversorgungsleitung 418.In the example shown, a vortex tube outlet line communicates 416 with the vortex tube outlet 414 to deliver hydrogen-depleted reformate to an engine fuel supply line 418 to convey the fuel tank 410 with the fuel supply 412 the prime mover connects. In this way, only a single feed opening has to be provided in the fuel inlet. In other embodiments, however, the vortex tube outlet conduit extends 416 from the vortex tube outlet 414 directly to the fuel inlet 412 the prime mover 406 , without connection to the fuel supply line 418 .

In dem gezeigten Beispiel kann der Einlass 402 des Wirbelrohrs 400 durch eine Brennstofftankversorgungsleitung 420 mit dem Brennstofftank 410 in Fluidverbindung stehen, um zu reformierenden Kohlenwasserstoffbrennstoff aufzunehmen. Zusätzlich oder alternativ kann der Einlass 402 des Wirbelrohrs 400 mit der Abgasanlage 422 der Kraftmaschine 406 in Fluidverbindung stehen, um durch eine Fahrzeugabgasleitung 424 einen zu reformierenden Kohlenwasserstoffstrom aufzunehmen. Wenn in dem gezeigten Beispiel zwei Quellen von zu reformierendem Kohlenwasserstoff vorgesehen sind (Kraftmaschinenauslass und Brennstofftank), kann die Fahrzeugabgasleitung 424 an die Brennstofftankversorgungsleitung 420 anbinden, so dass in dem Wirbelrohr 400 nur eine einzige Einlassöffnung vorgesehen werden muss. In anderen Ausführungsformen, die zwei Wirbelrohreingabequellen verwenden, kann sich die Fahrzeugabgasleitung 424 aber von dem Fahrzeugauslass 422 direkt zu dem Einlass 402 erstrecken, und analog kann sich die Brennstofftankversorgungsleitung 420 von dem Brennstofftank 410 direkt zu dem Einlass 402 erstrecken.In the example shown, the inlet 402 of the vortex tube 400 through a fuel tank supply line 420 with the fuel tank 410 are in fluid communication to receive hydrocarbon fuel to be reformed. Additionally or alternatively, the inlet 402 of the vortex tube 400 with the exhaust system 422 the prime mover 406 are in fluid communication to through a vehicle exhaust pipe 424 to receive a hydrocarbon stream to be reformed. In the example shown, if there are two sources of hydrocarbon to be reformed (engine exhaust and fuel tank), the vehicle exhaust line may 424 to the fuel tank supply line 420 tie up so that in the vortex tube 400 only a single inlet opening needs to be provided. In other embodiments that use two vortex tube input sources, the vehicle exhaust line may be 424 but from the vehicle outlet 422 straight to the inlet 402 extend, and analogously, the fuel tank supply line can extend 420 from the fuel tank 410 straight to the inlet 402 extend.

4 zeigt auch optionale Ventile, die in 4 als elektronisch betriebene Ventile gezeigt sind, die von dem Kraftmaschinen-Steuermodul (ECM) 426 der Kraftmaschine 406 gesteuert werden können (typischerweise eine Komponente der Kraftmaschine 406, die aber nicht in Verbrennungsabschnitten der Kraftmaschine 406 aufgenommen ist). Alternativ können ein oder mehrere der gezeigten Ventile Rückschlagventile sein, die ein Einwegströmen nur in den Richtungen zulassen, die durch die jeweiligen Pfeile neben den jeweiligen Ventilen angedeutet sind. 4th also shows optional valves included in 4th shown as electronically operated valves controlled by the engine control module (ECM) 426 the prime mover 406 can be controlled (typically a component of the prime mover 406 but not in combustion sections of the engine 406 is recorded). Alternatively, one or more of the valves shown can be check valves which only allow one-way flow in the directions indicated by the respective arrows next to the respective valves.

Genauer gesagt kann ein Wasserstoffauslassventil 428 in einer Wasserstoffauslassleitung 430 angeordnet sein, die sich von dem Wasserstoffauslass 404 des Wirbelrohrs 400 erstreckt. In dem gezeigten Beispiel befindet sich das Wasserstoffauslassventil 428 stromaufwärts einer Auslassanordnung 432, die z.B. die Pumpe 228 und den WGSR 230 umfassen kann, die in 2 gezeigt sind. In anderen Ausführungsformen kann das Wasserstoffauslassventil 428 stromabwärts der Anordnung 432 vorhanden sein.More specifically, a hydrogen exhaust valve 428 in a hydrogen outlet line 430 be arranged facing away from the hydrogen outlet 404 of the vortex tube 400 extends. In the example shown, the hydrogen outlet valve is located 428 upstream of an outlet arrangement 432 that eg the pump 228 and the WGSR 230 may include that in 2 are shown. In other embodiments, the hydrogen exhaust valve 428 downstream of the arrangement 432 to be available.

In der Fahrzeugabgasleitung 424 kann wie gezeigt ein Kraftmaschinenauslass-Wirbelrohrversorgungsventil 434 vorgesehen sein, bevorzugt stromaufwärts der Stelle, wo die Brennstofftankversorgungsleitung 420 an die Abgasleitung 424 anbindet. Analog kann in der Brennstofftankversorgungsleitung 420 ein Brennstofftank-Wirbelrohrversorgungsventil 436 vorgesehen sein. Die Wirbelrohrversorgungsventile 434, 436 können von dem ECM 426 gesteuert werden, um selektiv zu steuern, welche Quelle oder Quellen von Kohlenwasserstoff dem Wirbelrohr 400 zugeführt werden.In the vehicle exhaust pipe 424 may be an engine exhaust vortex tube supply valve as shown 434 be provided, preferably upstream of the point where the fuel tank supply line 420 to the exhaust pipe 424 ties up. Similarly, in the fuel tank supply line 420 a fuel tank vortex tube supply valve 436 be provided. The vortex tube supply valves 434 , 436 can from the ECM 426 can be controlled to selectively control which source or sources of hydrocarbon enter the vortex tube 400 are fed.

Zum Steuern, welcher Brennstoff von der Kraftmaschine 406 aufgenommen wird, können in der Wirbelrohrausgangsleitung 416 und der Brennstoffversorgungsleitung 418 erste und zweite Kraftmaschinenversorgungsventile 438, 440 jeweils vorgesehen sein. In dem gezeigten nicht einschränkenden Beispiel ist das zweite Kraftmaschinenversorgungsventil 440 in der Brennstoffversorgungsleitung 418 stromabwärts der Stelle vorgesehen, an der die Brennstofftankversorgungsleitung 420, die dem Wirbelrohr Brennstoff liefert, die Brennstoffversorgungsleitung 418 anzapft, so dass das zweite Kraftmaschinenversorgungsventil 440 und das Brennstofftank-Wirbelrohrversorgungsventil 436 geschlossen werden können, um ihre jeweiligen Leitungen nach Bedarf zu unterbrechen, ohne die andere Leitung zu beeinträchtigen.To control what fuel from the engine 406 can be in the vortex tube outlet line 416 and the fuel supply line 418 first and second engine supply valves 438 , 440 each be provided. In the non-limiting example shown, the second is the engine supply valve 440 in the fuel supply line 418 provided downstream of the point at which the fuel tank supply line 420 that supplies fuel to the vortex tube, the fuel supply line 418 taps so that the second engine supply valve 440 and the fuel tank vortex tube supply valve 436 can be closed to break their respective lines as needed without affecting the other line.

Es versteht sich nun, dass in Betrieb das Wirbelrohr 400 Kohlenwasserstoffbrennstoff und/oder Abgas von einer Kraftmaschine reformiert, wobei während des Reformierens Wasserstoff von kohlenstoffbasierten Bestandteilen abgeschieden wird, wobei der infolge des Reformierens abgeschiedene Wasserstoff der Kraftmaschine 406 geliefert wird.It is now understood that the vortex tube is in operation 400 Hydrocarbon fuel and / or exhaust gas from an engine are reformed, wherein hydrogen is separated from carbon-based constituents during the reforming, wherein the hydrogen separated from the engine as a result of the reforming 406 is delivered.

5 zeigt ein bestimmtes System, bei dem die vorstehende Diskussion Anwendung findet. Ein Wirbelrohr 500 nimmt durch einen Mischer 502 Kohlenwasserstoffbrennstoff, etwa Benzin oder Diesel, von einem Brennstofftank 504 auf, z.B. von dem Benzintank eines Fahrzeugs, in dem das in 5 gezeigte System angeordnet ist. Es kann jedes der vorstehend beschriebenen Wirbelrohre verwendet werden. 5 shows one particular system to which the preceding discussion applies. A vortex tube 500 takes through a mixer 502 Hydrocarbon fuel, such as gasoline or diesel, from a fuel tank 504 on, e.g. from the fuel tank of a vehicle in which the in 5 system shown is arranged. Any of the vortex tubes described above can be used.

Der Dampfmischer/Injektor 502 mischt den Dampf mit dem Kohlenwasserstoff und spritzt das Gemisch bei einem hohen Druck in den Wirbelrohreinlass ein. Hinter dem Wirbeleinlass ist der Wirbelgenerator angeordnet, der durch das Wirbelrohr 500 ausgebildet ist und das eingespeiste Gemisch bei einer hohen Geschwindigkeit drehen und sich hin zu dem Kohlenstoffende des Rohrs 500 bewegen lässt (bei Blick auf 5 nach rechts), wobei es entlang der Innenperipherie des Rohrs bei hoher Geschwindigkeit, hohem Druck und hoher Temperatur in Kontakt mit dem Katalysator wirbelt, der die Innenfläche des Rohrs beschichtet, wie vorstehend in 2 für die katalysierende Schicht 226 beschrieben. Diese Wirbelbewegung des Synthesegases bewirkt, dass die Temperatur des Gemisches am nächsten zur Außenperipherie der Innenkammer des Wirbelrohrs 500 steigt und an der Katalysatorverkleidung in dem Rohr hohe Zentripetalkräfte angelegt werden, was die Reformierungsreaktionsrate erhöht und ein Ablagern von Kohlenstoff an dem Katalysator verhindert.The steam mixer / injector 502 mixes the steam with the hydrocarbon and injects the mixture into the vortex tube inlet at a high pressure. Behind the vortex inlet is the vortex generator, which runs through the vortex tube 500 and rotate the injected mixture at a high speed and towards the carbon end of the tube 500 can move (when looking at 5 to the right), swirling along the inner periphery of the tube at high speed, high pressure, and high temperature in contact with the catalyst coating the inner surface of the tube, as in above 2 for the catalyzing layer 226 described. This vortex movement of the synthesis gas causes the temperature of the mixture to be closest to the outer periphery of the inner chamber of the vortex tube 500 increases and high centripetal forces are applied to the catalyst shroud in the pipe, increasing the rate of reforming reaction and preventing carbon from being deposited on the catalyst.

Während des Reformierungsprozesses wird an der katalysierenden Schicht Synthesegas erzeugt, und die Wasserstoffkomponente des Synthesegases bewegt sich dann hin zur Mitte des Wirbels in dem Wirbelrohr, da der Wasserstoff leichter als das Kohlenstoff-/Dampfgemisch ist, das hin zum äußeren Teil des Wirbels gedrängt wird. Somit besteht ein ausgegebener Strom des Wirbelrohrs vorrangig aus Wasserstoff und wird (bei Bedarf durch eingreifende Komponenten, etwa die nachstehend beschriebene Pumpe 527) zu einem Wasserstoffaufnehmer ausgegeben, etwa einem Wasserstofftank oder in dem gezeigten nicht einschränkenden Beispiel zu einer Brennstoffzelle 520. Die zweite Ausgabe des Wirbelrohrs umfasst vorrangig kohlenstoffbasierte Bestandteile und in manchen Fällen Wasser und Restwasserstoff.During the reforming process, synthesis gas is generated at the catalyzing layer, and the hydrogen component of the synthesis gas then moves towards the center of the vortex in the vortex tube as the hydrogen is lighter than the carbon / vapor mixture that is being pushed towards the outer part of the vortex. Thus, an output stream of the vortex tube consists primarily of hydrogen and is (if necessary by intervening components such as the pump described below 527 ) is output to a hydrogen receiver, such as a hydrogen tank or, in the non-limiting example shown, a fuel cell 520 . The second edition of the vortex tube consists primarily of carbon-based constituents and in some cases water and residual hydrogen.

An dem Brennstofftank 504 kann eine Brennstoffpumpe 506 mit einer Saugwirkung vorgesehen sein und kann in den Mischer 502 ablassen, um Brennstoff in den Mischer 502 zu pumpen. Das Wirbelrohr 500 erhält durch den Mischer 502 auch Wasser oder Dampf von einem Wassertank 508. An dem Wassertank 508 kann eine Wasserpumpe 510 mit einer Saugwirkung vorgesehen sein und kann in den Mischer 502 ablassen, um Wasser in den Mischer 502 zu pumpen. Das Wirbelrohr kann somit von dem Mischer 502 ein Gemisch aus Brennstoff und Wasser aufnehmen.On the fuel tank 504 can be a fuel pump 506 be provided with a suction and can be in the mixer 502 drain to Fuel in the mixer 502 to pump. The vortex tube 500 received through the mixer 502 also water or steam from a water tank 508 . At the water tank 508 can be a water pump 510 be provided with a suction and can be in the mixer 502 drain to water in the mixer 502 to pump. The vortex tube can thus from the mixer 502 pick up a mixture of fuel and water.

In dem Verbindungsweg zwischen dem Brennstofftank 504 und dem Mischer 502 kann ein Brennstoffleitungsventil 512 vorgesehen sein. In dem Verbindungsweg zwischen dem Wassertank 508 und dem Mischer 502 kann analog ein Wasserleitungsventil 514 vorgesehen sein. Im Allgemeinen können die Ventile hierin prozessorgesteuert sein und können damit Solenoide umfassen. Nachstehend wird eine beispielhafte Verarbeitungsschaltung näher beschrieben.In the communication path between the fuel tank 504 and the mixer 502 can be a fuel line valve 512 be provided. In the connecting path between the water tank 508 and the mixer 502 can be analogous to a water pipe valve 514 be provided. In general, the valves herein can be processor controlled and thus can include solenoids. An exemplary processing circuit will now be described in detail.

Die Stellung eines oder beider Ventile 512, 514 kann beruhend auf Signalen von einem oder mehreren Mischersensoren 516 hergestellt werden (der Übersichtlichkeit halber ist nur ein einziger Sensor gezeigt). Der/die Mischersensor(en) 516 kann/können ein oder mehrere von: einem Brennstoffsensor oder Sauerstoffsensor oder Kohlenstoffsensor oder Temperatursensor oder Drucksensor, anderem geeigneten Sensor, der die Zusammensetzung (und/oder Temperatur und/oder Druck) des Gemisches in dem Mischer 502 erfasst, sein. Wenn zum Beispiel das Verhältnis von Wasser zu Brennstoff zu hoch ist, kann das Brennstoffventil 512 veranlasst werden, ein oder mehrere Ventilstellungsinkremente zu öffnen, und/oder das Wasserventil kann veranlasst werden, ein oder mehrere Inkremente zu schließen. Wenn das Verhältnis von Wasser zu Brennstoff zu klein ist, kann analog das Brennstoffventil 512 veranlasst werden, ein oder mehrere Ventilstellungsinkremente zu schließen, und/oder das Wasserventil kann veranlasst werden, ein oder mehrere Inkremente zu öffnen.The position of one or both valves 512 , 514 can be based on signals from one or more mixer sensors 516 (only a single sensor is shown for the sake of clarity). The mixer sensor (s) 516 can be one or more of: a fuel sensor or oxygen sensor or carbon sensor or temperature sensor or pressure sensor, other suitable sensor that shows the composition (and / or temperature and / or pressure) of the mixture in the mixer 502 recorded, be. For example, if the water to fuel ratio is too high, the fuel valve may 512 can be caused to open one or more valve position increments and / or the water valve can be caused to close one or more increments. If the ratio of water to fuel is too small, the fuel valve can do the same 512 can be caused to close one or more valve position increments and / or the water valve can be caused to open one or more increments.

Weiterhin kann wie bei 518 gezeigt an dem Mischer 502 Wärme angelegt werden, und wenn der Sensor 516 einen Temperatursensor umfasst, kann das Signal von dem Sensor genutzt werden, um den Wärmeeintrag anzupassen, um die Temperatur des Gemisches in dem Mischer 502 zu optimieren. Das Anlegen von Wärme 518 kann ein elektrischer Heizer, der mit dem Mischer 502 in Wärmeverbindung steht, und/oder eine Leitung zum Leiten von Wärme von dem nachstehend beschriebenen Wärmetauscher zu dem Mischer 502 sein.Further, as shown at 518, on the mixer 502 Heat applied and when the sensor 516 comprises a temperature sensor, the signal from the sensor can be used to adapt the heat input to the temperature of the mixture in the mixer 502 to optimize. The application of heat 518 can be an electric heater that goes with the mixer 502 is in thermal communication, and / or a conduit for conducting heat from the heat exchanger described below to the mixer 502 be.

An seinem Wasserstoffausgabeende gibt das Wirbelrohr 500 Wasserstoff zu einer Brennstoffzelle 520 aus. Die Brennstoffzelle 520 kann verwendet werden, um einem elektrischen Antriebsmotor 522 in dem Fahrzeug Strom zu liefern. Die Brennstoffzelle 520 kann mittels einer Leitung 524 auch Wasser zu einem Wassertank 526 ausgeben und/oder zu dem vorstehend beschriebenen Wassertank 508 und/oder wie gezeigt direkt in den Mischer 502 leiten. Eine Wasserstoffpumpe 527 kann mit einer Saugwirkung an dem Wirbelrohr 500 und einem Ablass in die Brennstoffzelle 520 versehen sein.At its hydrogen output end there is the vortex tube 500 Hydrogen to a fuel cell 520 the end. The fuel cell 520 can be used to drive an electric motor 522 to deliver electricity in the vehicle. The fuel cell 520 can by means of a line 524 also water to a water tank 526 dispense and / or to the water tank described above 508 and / or directly into the mixer as shown 502 conduct. A hydrogen pump 527 can with suction on the vortex tube 500 and a drain into the fuel cell 520 be provided.

An seinem Kohlenstoffausgabeende kann das Wirbelrohr 500 Wasser sowie kohlenstoffbasierte Bestandteile, einschließlich Kohlenmonoxid (CO) und Kohlendioxid (CO2), zu einem ersten Wärmetauscher 528 ausgeben. Der erste Wärmetauscher kann mithilfe einer Wasserumwälzpumpe, die Wasser von einem der hierin beschriebenen Wassertanks durch einen Wassermantel pumpt, oder mithilfe von Luftkühlung das ihm zugeführte Fluid erwärmen oder kühlen. An dem Wärmetauscher kann Wärme von der Brennstoffzelle 520 und/oder einer der Kraftmaschinen in dem System angelegt werden, um diesen zu erwärmen. Wärme von dem ersten Wärmetauscher kann durch einen Auslass 530 zu einer oder mehreren der hierin gezeigten Komponenten geliefert werden, z.B. zu einem Wärmeelement 532 des Mischers 502 und/oder zu Heizelement 534, das mit dem Wirbelrohr 500 näher am Wasserstoffende als am Kohlenstoffende in Wärmeverbindung steht. Zu beachten ist, dass ein elektrischer Heizer 536 auch mit dem Wirbelrohr 500 zum Liefern von Wärme zu diesem bis zu dem Zeitpunkt, da einer der Wärmetauscher hierin warm genug ist, um dem Wirbelrohr 500 Wärme zu liefern, in Wärmeverbindung stehen kann.At its carbon output end, the vortex tube can 500 Water as well as carbon-based components including carbon monoxide (CO) and carbon dioxide (CO 2 ) to a first heat exchanger 528 output. The first heat exchanger can heat or cool the fluid supplied to it with the aid of a water circulation pump, which pumps water from one of the water tanks described herein through a water jacket, or with the aid of air cooling. Heat from the fuel cell can pass through the heat exchanger 520 and / or one of the prime movers in the system can be applied to heat it. Heat from the first heat exchanger can be passed through an outlet 530 may be supplied to one or more of the components shown herein, for example a heating element 532 of the mixer 502 and / or to heating element 534 , the one with the vortex tube 500 is in thermal connection closer to the hydrogen end than to the carbon end. It should be noted that an electric heater 536 also with the vortex tube 500 for supplying heat to it until such time as one of the heat exchangers therein is warm enough to reach the vortex tube 500 To deliver heat, can be in thermal connection.

Eine Ausgabe des Wärmetauschers 528 kann durch ein Auslasssteuerventil 538 einer Kraftmaschine 540 zugeführt werden, die durch eine Turbine, einen Dieselmotor oder einen Benzinmotor zum Antreiben des Fahrzeugs umgesetzt sein kann. Ein zweiter Wärmetauscher 542 kann vorgesehen sein, um Wärme von der Kraftmaschine 540 abzuziehen, wobei Wärme von dem zweiten Wärmetauscher 542 nach Bedarf dem Mischer 502 und/oder Wirbelrohr 500 durch jeweiligen Leitungen 544, 546 zugeführt wird. Zu beachten ist, dass der erste und der zweite Wärmetauscher 528, 542 bei Bedarf zu einer einzigen Einheit kombiniert werden können.An output from the heat exchanger 528 can through an outlet control valve 538 a prime mover 540 are supplied, which can be implemented by a turbine, a diesel engine or a gasoline engine to drive the vehicle. A second heat exchanger 542 can be provided to take heat from the engine 540 withdrawing heat from the second heat exchanger 542 the mixer as required 502 and / or vortex tube 500 through respective lines 544 , 546 is fed. It should be noted that the first and the second heat exchanger 528 , 542 can be combined into a single unit if required.

Auch kann ein Teil der Ausgabe von dem Brennstofftank 504 durch eine Brennstoffleitung 548, in der ein Kohlenwasserstoffventil 550 vorgesehen sein kann, strömen, um der Kraftmaschine 540 bei einer Startbetriebsart Brennstoff zu liefern. In der Startbetriebsart wird das Ventil 550 geöffnet, welches den Kohlenwasserstofftank mit der Kraftmaschine/Turbine verbindet, um der Kraftmaschine/Turbine Brennstoff zu liefern und diese zu starten, welche wiederum dem Wärmetauscher Wärme zuführt, welcher wiederum die gezeigte wirbelrohrbasierte Reformer/Abscheiderstruktur erwärmt.Also, some of the output can be from the fuel tank 504 through a fuel line 548 in which a hydrocarbon valve 550 may be provided to flow to the prime mover 540 to deliver fuel in a start mode. In the start mode, the valve 550 which connects the hydrocarbon tank to the engine / turbine to deliver fuel to and start the engine / turbine, which in turn supplies heat to the heat exchanger, which in turn heats the vortex tube-based reformer / separator structure shown.

Es können ein oder mehrere Sensoren 552 vorgesehen sein, um Parameter in der Ausgabe des Kohlenstoffendes des Wirbelrohrs 500 zu erfassen. Diese ein oder mehrere Sensoren können Temperatur, CO2, CO, Wasser, Wasserstoff etc. erfassen und können Signale zu einem Prozessor eingeben, um ein Drosselsteuerventil 554 in dem Kohlenstoffauslass des Wirbelrohrs 500 stromaufwärts des/der Sensors/Sensoren 552 nach Bedarf zu steuern, um sicherzustellen, dass Parameter innerhalb von vorbestimmten Bereichen bleiben.There can be one or more sensors 552 be provided to include parameters in the output of the carbon end of the vortex tube 500 capture. These one or more sensors can sense temperature, CO 2 , CO, water, hydrogen etc. and can input signals to a processor to a throttle control valve 554 in the carbon outlet of the vortex tube 500 upstream of the sensor (s) 552 control as needed to ensure parameters stay within predetermined ranges.

Im Einzelnen trifft an dem Kohlenstoffende des Wirbelrohrs 500 das wirbelnde Synthesegas auf die Teilblockade, die durch das Drosselsteuerventil 554 erzeugt wird. Die Stellung des Drosselsteuerventils 554 kann von dem nachstehend beschriebenen Prozessor beruhend auf ein oder mehreren Eingangssignalen von den hierin beschriebenen Sensoren angepasst werden, so dass das Gemisch, das reich an schwererem Kohlenstoff ist, durch den peripheren Spalt des Steuerventils 554 tritt. In einem Beispiel ermittelt der nachstehend beschriebene Prozessor aus Sensorsignalen das Wasserstoff/Kohlenstoff-Verhältnis und passt die Stellung des Drosselsteuerventils 554 entsprechend an.Specifically, hits at the carbon end of the vortex tube 500 the swirling synthesis gas on the partial blockage by the throttle control valve 554 is produced. The position of the throttle control valve 554 may be adjusted by the processor described below based on one or more input signals from the sensors described herein so that the mixture rich in heavier carbon passes through the peripheral gap of the control valve 554 occurs. In one example, the processor described below determines the hydrogen / carbon ratio from sensor signals and adjusts the position of the throttle control valve 554 accordingly.

Die Mitte des Synthesegaswirbels, meist Wasserstoff, wird dagegen von der Mitte des Drosselsteuerventils 554 weggelenkt. Dies verhindert, dass Wasserstoff durch das Ventil 554 entweicht, und um sich zurück zu dem Wasserstoffende des Wirbelrohrs 500 (bei Blick auf 5 nach links) zu bewegen, wo er aus dem Rohr austritt und in die Brennstoffzelle 520 eingeleitet wird. Der Wasserstoffstrom, der in der Mitte des Wirbelrohrs konzentriert ist, tritt bei einer niedrigeren Temperatur als der des peripheren Wirbels und des anfänglich eingespritzten Kohlenwasserstoffdampfgemisches aus dem Wirbelrohr aus. Dieser Wasserstoff niedrigerer Temperatur ist gut geeignet für die Verwendung in der Brennstoffzelle. The middle of the syngas vortex, usually hydrogen, is, however, from the middle of the throttle control valve 554 steered away. This prevents hydrogen from passing through the valve 554 escapes, and around back to the hydrogen end of the vortex tube 500 (when looking at 5 to the left), where it exits the pipe and into the fuel cell 520 is initiated. The hydrogen stream concentrated in the center of the vortex tube exits the vortex tube at a lower temperature than that of the peripheral vortex and the initially injected hydrocarbon vapor mixture. This lower temperature hydrogen is well suited for use in the fuel cell.

Analog können ein oder mehrere Sensoren 556 vorgesehen sein, um Parameter in der Wasserstoffausgabe des Wirbelrohrs zu erfassen. Diese ein oder mehreren Sensoren 556 können Temperatur, CO2, CO, Wasser, Wasserstoff, etc. erfassen und können Signale zu einem Prozessor eingeben, um ein oder mehrere der Ventile und anderen Komponenten hierin nach Bedarf zu steuern, um sicherzustellen, dass Parameter in vorbestimmten Bereichen bleiben können. Somit kann die Temperatur in dem Wirbelrohr 500 durch einen Temperatursensor erfasst werden und kann durch den nachstehend beschriebenen Prozessor geregelt werden, um eine geeignete Temperatur zum Reformieren beizubehalten.Analog can be one or more sensors 556 be provided to detect parameters in the hydrogen output of the vortex tube. These one or more sensors 556 can sense temperature, CO 2 , CO, water, hydrogen, etc. and can input signals to a processor to control one or more of the valves and other components herein as needed to ensure that parameters can remain in predetermined ranges. Thus, the temperature in the vortex tube 500 can be sensed by a temperature sensor and can be controlled by the processor described below to maintain an appropriate temperature for reforming.

Es versteht sich nun, dass 5 einen integrierten wirbelrohrbasierten Reformer und Wasserstoffabscheider zeigt, der mit einer Brennstoffzelle 520 und mit einer Kraftmaschine/Turbine 540 verbunden ist, um eine Hybrid-Brennstoffzelle-Turbine herzustellen. Die Struktur von 5 verleiht die Fähigkeit eines unmittelbaren Startens eines Fahrzeugs, etwa eines Autos oder Lastwagens, das/der bordeigenes Reformieren mittels Übertragen von Brennstoff von dem Tank 504 durch die Leitung 548 zu der Kraftmaschine 540 aufweist. Wenn in diesem Fall das System kalt ist, wird die Kraftmaschine/Turbine 540 zuerst mittels Brennstoff, der durch das Ventil 550 übertragen wird, betrieben, so dass das Fahrzeug unmittelbar anfahren und wiederum den Reformerabscheider vor dem Umschalten auf Wasserstoffbetrieb erwärmen kann.It is now understood that 5 shows an integrated vortex tube-based reformer and hydrogen separator with a fuel cell 520 and with a prime mover / turbine 540 connected to produce a hybrid fuel cell turbine. The structure of 5 imparts the ability to instantly start a vehicle, such as a car or truck, to on-board reforming by transferring fuel from the tank 504 through the line 548 to the prime mover 540 having. In this case, when the system is cold, the engine / turbine will 540 first by means of fuel passing through the valve 550 is transmitted, operated so that the vehicle can start immediately and in turn heat the reformer separator before switching to hydrogen operation.

Sobald es warm genug ist, um in der Wasserstoffbetriebsart zu arbeiten, wird der erzeugte Wasserstoffstrom von dem Wirbelrohr 500 der Brennstoffzelle 520 zugeführt und der Kohlenstoffstrom von dem Wirbelrohr 500 wird der Turbine/Kraftmaschine 540 zugeführt. Das System von 5 umfasst zwei Zufuhrtanks am Vorderende, nämlich den Wassertank 508 und den Kohlenwasserstofftank 504, die dem Dampfmischer/Injektor 502 mittels der vorstehend beschriebenen Steuerventile 512, 514 Produkt zuführen. Diese Steuerventile 512, 514 können vorteilhafterweise beruhend auf erfassten Parametern, etwa Leistungsforderung und Reaktionsraten, Temperaturen, Gasgemischen, die von den in 5 gezeigten Sensoren erfasst werden, geregelt und durch den nachstehend gezeigten und beschriebenen Prozessor gesteuert werden.Once it is warm enough to operate in the hydrogen mode, the hydrogen flow generated is from the vortex tube 500 the fuel cell 520 and the carbon stream from the vortex tube 500 becomes the turbine / prime mover 540 fed. The system of 5 includes two feed tanks at the front end, namely the water tank 508 and the hydrocarbon tank 504 that the steam mixer / injector 502 by means of the control valves described above 512 , 514 Add product. These control valves 512 , 514 can advantageously be based on recorded parameters, such as performance requirements and reaction rates, temperatures, gas mixtures, which are determined by the in 5 sensors shown are detected, regulated and controlled by the processor shown and described below.

6 zeigt schematisch Gastrennung in dem Wirbelrohr 500. Das mittige wasserstoffpermeable Rohr 600 nimmt relativ kühlen Wasserstoff auf, während relativ warme Kohlenstoffbestandteile hin zu der katalytischen Verkleidung 602 an der Innenfläche der Außenwand des Wirbelrohrs 500 gezogen werden. Pfeile 602 stellen den Dampf-/Kohlenwasserstoffwirbel der Gase in dem Wirbelrohr dar. 6 zeigt somit die Wirbelbewegung des Kohlenwasserstoffdampfgemisches, das Reformieren und die Schichtung des Synthesegases, wobei sich der Wasserstoff hin zur Mitte bewegt. 6th shows schematically gas separation in the vortex tube 500 . The central hydrogen-permeable tube 600 picks up relatively cool hydrogen, while relatively warm carbon components move towards the catalytic lining 602 on the inner surface of the outer wall of the vortex tube 500 to be pulled. Arrows 602 represent the steam / hydrocarbon vortex of the gases in the vortex tube. 6th thus shows the vortex movement of the hydrocarbon vapor mixture, the reforming and the stratification of the synthesis gas, with the hydrogen moving towards the center.

In 6 ist das Reformerwirbelrohr mit der Katalysatorverkleidung gezeigt, etwa einem nickelbasierten Katalysator, wobei die integrierten Heizer und Wärmetauscher der Reformierungsreaktion Energie liefern. 6 zeigt die Wirbelbewegung des Kohlenwasserstoffdampfgemisches, das Reformieren und die Schichtung des Synthesegases, wobei sich der Wasserstoff hin zur Mitte und die schwereren Gase in Kontakt mit dem peripheren Rohr bewegen. Das Kohlenwasserstoffdampfgemisch wird durch Kontakt mit dem katalysatorverkleideten Rohr zu Synthesegas reformiert. Dies bricht die Methankomponente des Erdgases in Kohlenmonoxid (CO) und H2-Gas auf.In 6th the reformer vortex tube is shown with the catalyst cladding, for example a nickel-based catalyst, with the integrated heaters and heat exchangers supplying energy to the reforming reaction. 6th shows the swirling motion of the hydrocarbon vapor mixture, reforming and stratification of the synthesis gas, with the hydrogen moving towards the center and the heavier gases in contact with the peripheral tube. The hydrocarbon vapor mixture is reformed to synthesis gas by contact with the catalyst-clad pipe. This breaks down the methane component of the natural gas in carbon monoxide (CO) and H 2 gas.

7-9 zeigen zusätzliche Systeme, in denen Wirbelrohre als Reformer zum Trennen von Wasserstoff von Brennstoff für verschiedene Zwecke genutzt werden, einschließlich einem der vorstehend erwähnten Zwecke (z.B. Einspritzung von Wasserstoff in Kraftmaschinen) sowie bei der Wasserstofferzeugung für petrochemische Anlagen und andere Zwecke. 7-9 show additional systems in which vortex tubes are used as reformer to separate hydrogen from fuel for various purposes including any of the aforementioned purposes (e.g., injection of hydrogen into engines), hydrogen production for petrochemical plants and other purposes.

7 zeigt einen integrierten Reformer und Wasserstoffabscheider, die mit einem integriertem Wassergaskonverter und Wasserstoffabscheider zum Herstellen von Wasserstoff und Kohlendioxid aus Kohlenwasserstoffen verbunden sind. In 7 nimmt ein Wirbelrohr 700 der ersten Stufe ein erwärmtes Brennstoff- und Wassergemisch von einem Mischer 702 auf, wobei die in 5 offenbarten relevanten Sensor-, Pump-, Ventil- und Heizkomponenten in dem in 7 gezeigten und beschrifteten Beispiel ebenfalls vorgesehen sind. Im Gegensatz zu dem System von 5 wird aber die Kohlenstoffausgabe des Wirbelrohrs 700 der ersten Stufe in 7 durch einen Wärmetauscher 704 bei Bedarf zu dem Einlass 706 eines Wirbelrohrs 708 der zweiten Stufe befördert. Das Wirbelrohr 708 der zweiten Stufe extrahiert restlichen Wasserstoff in der Kohlenstoffausgabe des Wirbelrohrs 700 der ersten Stufe. Das Wirbelrohr 708 der zweiten Stufe kann effektiv als Wassergaskonvertierungsabscheider betrachtet werden. Das Wirbelrohr 708 der zweiten Stufe kann innen mit einer katalysierenden Schicht (ähnlich der in 2 gezeigten Schicht 226) beschichtet sein, die aus anderen Bestandteilen als die katalysierende Schicht besteht, die zum Beschichten der Innenseite des Wirbelrohrs 700 der ersten Stufe verwendet wird. Beispielsweise kann das Wirbelrohr 700 der ersten Stufe in der katalysierenden Schicht Nickel enthalten, wogegen das Wirbelrohr 708 der zweiten Stufe Kupfer in seiner katalysierenden Schicht enthalten kann. In bestimmten Ausführungsformen kann die katalysierende Schicht des Wirbelrohrs 708 der zweiten Stufe, die der in 2 gezeigten Schicht 226 entspricht, aus Kupferoxid, Zinkoxid und Aluminiumoxid bestehen. In nicht einschränkenden bestimmten Beispielen kann die katalysierende Schicht aus 32-33% CuO, 34-53% ZnO und 15-33% Al2O3 bestehen. 7th shows an integrated reformer and hydrogen separator connected to an integrated water gas converter and hydrogen separator for producing hydrogen and carbon dioxide from hydrocarbons. In 7th takes a vortex tube 700 the first stage a heated fuel and water mixture from a mixer 702 on, with the in 5 disclosed relevant sensor, pump, valve and heating components in the in 7th shown and labeled example are also provided. In contrast to the system of 5 but becomes the carbon output of the vortex tube 700 the first stage in 7th through a heat exchanger 704 if necessary to the inlet 706 of a vortex tube 708 promoted to the second stage. The vortex tube 708 the second stage extracts residual hydrogen in the carbon output of the vortex tube 700 the first stage. The vortex tube 708 the second stage can effectively be viewed as a water gas conversion separator. The vortex tube 708 the second stage can be covered with a catalyzing layer (similar to that in 2 layer shown 226 ), which consists of components other than the catalyzing layer used to coat the inside of the vortex tube 700 the first stage is used. For example, the vortex tube 700 the first stage contain nickel in the catalyzing layer, whereas the vortex tube 708 the second stage may contain copper in its catalyzing layer. In certain embodiments, the catalyzing layer of the vortex tube 708 the second stage, which the in 2 layer shown 226 consist of copper oxide, zinc oxide and aluminum oxide. In non-limiting specific examples, the catalyzing layer can consist of 32-33% CuO, 34-53% ZnO, and 15-33% Al 2 O 3 .

Der Wärmetauscher 704 entzieht der Kohlenstoffausgabe des Wirbelrohrs 700 der ersten Stufe Wärme. Zu diesem Zweck kann der Wärmetauscher einen Kühlwassermantel umfassen, oder er kann Luftkühlrippen oder eine andere Luftkühlstruktur umfassen. Er kann auch ein thermoelektrischer Wärmetauscher sein. Bevorzugt kühlt der Wärmetauscher das eingespeiste Fluid auf 200°C - 250°C.The heat exchanger 704 removes the carbon output of the vortex tube 700 the first stage heat. For this purpose, the heat exchanger can comprise a cooling water jacket, or it can comprise air cooling fins or some other air cooling structure. It can also be a thermoelectric heat exchanger. The heat exchanger preferably cools the fed-in fluid to 200.degree. C.-250.degree.

In jedem Fall kann das Wirbelrohr 708 der zweiten Stufe aufgrund der gezeigten Strukturkombination als wirbelrohrbasierter WGSR betrachtet werden, in dem restlicher Wasserstoff in der Kohlenstoffausgabe des Wirbelrohrs 700 der ersten Stufe durch das Kombinieren von Kohlenmonoxid mit Wasserstoffdampf von der Kohlenstoffausgabe des Wirbelrohrs 700 der ersten Stufe extrahiert wird, um Kohlendioxid und Wasserstoff (in Form von H2) zu erzeugen.In any case, the vortex tube can 708 of the second stage can be considered a vortex tube based WGSR due to the structural combination shown, in which residual hydrogen is in the carbon output of the vortex tube 700 the first stage by combining carbon monoxide with hydrogen vapor from the carbon output of the vortex tube 700 the first stage is extracted to produce carbon dioxide and hydrogen (in the form of H 2 ).

Die Wasserstoffausgaben beider Wirbelrohre 700, 708 können durch einen bzw. jeweiligen Wasserstofffilter 710, 712 befördert werden, um den Wasserstoff durch Ausfiltern von Nichtwasserstoffmaterial weiter zu reinigen. Die Ausgänge 714, 716 der Wasserstofffilter können mit dem Einlass einer Kraftmaschine, etwa einer der hierin beschriebenen Kraftmaschinen, kommunizieren, um zum Beispiel wasserstoffunterstützte Verbrennung vorzusehen.The hydrogen outputs of both vortex tubes 700 , 708 can through a or respective hydrogen filter 710 , 712 to further purify the hydrogen by filtering out non-hydrogen material. The exits 714 , 716 the hydrogen filter may communicate with the inlet of an engine, such as one of the engines described herein, to provide hydrogen-assisted combustion, for example.

An dem Auslass des Wirbelrohrs 708 der zweiten Stufe kann ein Kondensator 718 vorgesehen sein, um CO2 von Wasser zu trennen, wobei Wasser zu dem gezeigten Wassertank befördert wird und CO2 von der Oberseite des Kondensators wie gezeigt an die Atmosphäre abgelassen wird.At the outlet of the vortex tube 708 the second stage can be a capacitor 718 may be provided to separate CO 2 from water with water being delivered to the water tank shown and CO 2 vented to the atmosphere from the top of the condenser as shown.

8 zeigt einen integrierten Reformer und Wasserstoffabscheider, der mit einem integrierten Wassergaskonverter und Wasserstoffabscheider verbunden ist, der mit einem Wasserstoff- und Kohlenwasserstoffbrennstoffmischer verbunden ist, um in eine Kraftmaschine, Turbine oder einen Brenner einzuspritzen, um wasserstoffunterstützte Verbrennung vorzusehen. 8th Figure 12 shows an integrated reformer and hydrogen separator connected to an integrated water gas converter and hydrogen separator connected to a hydrogen and hydrocarbon fuel mixer for injection into an engine, turbine or burner to provide hydrogen assisted combustion.

Im Einzelnen zeigt 8 ein Wirbelrohr 800 der ersten Stufe, das ein Wasser- und Brennstoffgemisch von einem Mischer 802 gemäß den vorstehenden Grundsätzen aufnimmt und von seinem Kohlenstoffende einen Eintrag zu einem Wirbelrohr 804 der zweiten Stufe ausgibt. Der Unterschied zwischen dem System von 8 gegenüber dem System von 7 ist, dass die Wasserstoffausgaben beider Wirbelrohre 800, 804 von 8 mit Brennstoff von dem Brennstofftank 806 kombiniert werden können, der auch dem Einlass des Wirbelrohrs 800 der ersten Stufe in einem Brennstoff-/Wasserstoffmischer 808 Brennstoff zuführt. Das Gemisch in dem Brennstoff-/Wasserstoffmischer 808 kann wie gezeigt zu einer Kraftmaschine 810 befördert werden.Shows in detail 8th a vortex tube 800 the first stage, which is a water and fuel mixture from a mixer 802 receives in accordance with the above principles and from its carbon end an entry to a vortex tube 804 the second stage outputs. The difference between the system of 8th compared to the system of 7th is that the hydrogen outputs of both vortex tubes 800 , 804 from 8th with fuel from the fuel tank 806 that can also be combined with the inlet of the vortex tube 800 the first stage in a fuel / hydrogen mixer 808 Supplies fuel. The mixture in the fuel / hydrogen mixer 808 can to a prime mover as shown 810 to get promoted.

An dem Auslass der Kraftmaschine 810 kann ein Kondensator 812 vorgesehen sein, um CO2 von Wasser zu trennen, wobei Wasser zu dem gezeigten Wassertank befördert wird und CO2 von der Oberseite des Kondensators wie gezeigt an die Atmosphäre abgelassen wird. An dem Auslass des Wirbelrohrs 804 der zweiten Stufe kann gemäß der vorherigen Offenbarung bezüglich 7 ein separater Kondensator 814 vorgesehen werden. In manchen Ausführungsformen können die Kondensatoren durch einen einzigen Kondensator verwirklicht sein.At the outlet of the engine 810 can be a capacitor 812 may be provided to separate CO 2 from water with water being delivered to the water tank shown and CO 2 vented to the atmosphere from the top of the condenser as shown. At the outlet of the vortex tube 804 the second stage can be according to the previous one Revelation regarding 7th a separate capacitor 814 are provided. In some embodiments, the capacitors can be implemented by a single capacitor.

9 zeigt einen integrierten Reformer und Wasserstoffabscheider, der mit einem integrierten Wassergaskonverter und Wasserstoffabscheider, der ein Hybridbrennstoffzellensystem antreibt, verbunden ist. Im Einzelnen umfasst, wie in 9 gezeigt, ein System Wirbelrohre 900, 902 der ersten Stufe und der zweiten Stufe, wie sie im Wesentlichen vorstehend beschrieben sind, wobei aber die Wasserstoffausgaben jedes Wirbelrohrs einem Wasserstoffbehälter 904 zugeführt werden, der mit einer Brennstoffzelle 906 und einer Kraftmaschine 908 in Verbindung steht, um beiden Wasserstoff zu liefern. Die Brennstoffzelle 906 kann den Wasserstoffbehälter 904 bilden, in welchem Fall von der Brennstoffzelle nicht verwendeter überschüssiger Wasserstoff zu der Kraftmaschine 908 befördert wird. Sowohl die Kraftmaschine 908 als auch die Brennstoffzelle 906 können genutzt werden, um einem Fahrzeug Antriebskraft zu liefern. 9 shows an integrated reformer and hydrogen separator connected to an integrated water gas converter and hydrogen separator that powers a hybrid fuel cell system. In detail, as in 9 shown a system of vortex tubes 900 , 902 the first stage and the second stage as essentially described above, but with the hydrogen outputs of each vortex tube in a hydrogen container 904 be supplied with a fuel cell 906 and a prime mover 908 is in communication to provide both hydrogen. The fuel cell 906 can use the hydrogen tank 904 form, in which case excess hydrogen not used by the fuel cell to the engine 908 is promoted. Both the prime mover 908 as well as the fuel cell 906 can be used to provide propulsion power to a vehicle.

10 zeigt eine beispielhafte Verarbeitungsschaltung zum Steuern der Pumpen, Ventile und anderen Komponenten in den vorherigen Figuren. Ein Steuergerät 1000, etwa ein Prozessor, erhält von einem der vorstehend beschriebenen Sensoren (bei 1002 gezeigt) Eingabe und kann auch Ventilstellungssignale von den Aktoren von beliebigen der vorstehend beschriebenen Ventile (bei 1004 gezeigt) sowie ein Signal der geforderten Last von einer Quelle für Signale geforderter Last 1006, etwa einem Fahrzeuggaspedal, erhalten. Das Steuergerät nutzt die Eingänge, um ein oder mehrere der Wärmetauscher und zugehörigen Komponenten (bei 1008 gezeigt) und Drosselventile (bei 1010 gezeigt) zu steuern. Das Steuergerät 1000 steht auch mit Steuerkomponenten in beliebigen der vorstehend beschriebenen Brennstoffzellen und Kraftmaschinen (bei 1012 bzw. 1014 gezeigt) in Verbindung oder wird von diesen gebildet. 10 Figure 12 shows exemplary processing circuitry for controlling the pumps, valves, and other components in the previous figures. A control unit 1000 , such as a processor, receives input from one of the sensors described above (shown at 1002) and can also receive valve position signals from the actuators of any of the valves described above (shown at 1004) as well as a load demand signal from a load demand signal source 1006 , such as a vehicle accelerator pedal. The controller uses the inputs to control one or more of the heat exchangers and associated components (shown at 1008) and throttle valves (shown at 1010). The control unit 1000 also communicates with or constitutes control components in any of the fuel cells and engines described above (shown at 1012 and 1014, respectively).

Ein Steuersystem kann somit hierin Computer und Prozessoren umfassen, die über ein Netzwerk verbunden sind, so dass Daten zwischen den Client- und Serverkomponenten ausgetauscht werden können. Die Clientkomponenten können ein oder mehrere Rechenvorrichtungen, etwa Kraftmaschinensteuermodule (ECMs), tragbare Rechner wie etwa Laptops und Tabletcomputer, und andere mobile Geräte, einschließlich Smart-Phones, umfassen. Diese Rechenvorrichtungen können mit verschiedenen Betriebsumgebungen arbeiten. Beispielsweise können einige der Clientkomponenten zum Beispiel Linux-Betriebssysteme, Betriebssysteme von Microsoft oder ein Unix-Betriebssystem oder von Apple Computer oder Google hergestellte Betriebssysteme oder VxWorks-eingebettete Betriebssysteme von Wind River nutzen.A control system herein may thus include computers and processors connected via a network so that data can be exchanged between the client and server components. The client components may include one or more computing devices such as engine control modules (ECMs), portable computers such as laptops and tablet computers, and other mobile devices including smart phones. These computing devices can operate in various operating environments. For example, some of the client components may use Linux operating systems, Microsoft operating systems or a Unix operating system, or operating systems made by Apple Computer or Google, or VxWorks-embedded operating systems from Wind River, for example.

Zwischen den Komponenten können Informationen über ein Netzwerk ausgetauscht werden. Zu diesem Zweck und zur Sicherheit können Komponenten Firewalls, Load Balancers, temporäre Speicher und Proxies sowie andere Netzwerkinfrastruktur für Zuverlässigkeit und Sicherheit umfassen.Information can be exchanged between the components via a network. For this purpose and security, components can include firewalls, load balancers, temporary storage and proxies, and other network infrastructure for reliability and security.

Wie hierin verwendet bezeichnen Befehle von Computern umgesetzte Schritte zum Verarbeiten von Informationen in dem System. Befehle können in Software, Firmware oder Hardware umgesetzt werden und können jede Art von programmierten Schritt umfassen, der von Komponenten des Systems ausgeführt wird.As used herein, commands by computers refer to steps implemented to process information in the system. Instructions can be implemented in software, firmware, or hardware and can include any type of programmed step performed by components of the system.

Ein Prozessor kann jeder übliche Mehrzweckprozessor mit einem oder mehreren Chips sein, der mittels verschiedener Leitungen, etwa Adressleitungen, Datenleitungen und Steuerleitungen und Registern und Schieberegistern Logik ausführen kann.A processor can be any conventional one or more chip general purpose processor that can execute logic using various lines such as address lines, data lines, and control lines, and registers and shift registers.

Mittels der Flussdiagramme und Benutzerschnittstellen beschriebene Softwaremodule können hierin verschiedene Subroutinen, Abläufe etc. umfassen. Ohne die Offenbarung einzuschränken, kann die genannte Logik, die von einem bestimmten Modul auszuführen ist, auf andere Softwaremodule umverteilt und/oder in einem einzigen Modul vereint und/oder in einer Bibliothek zugänglich gemacht werden.Software modules described using the flowcharts and user interfaces may include various subroutines, processes, etc. herein. Without restricting the disclosure, the said logic, which is to be executed by a specific module, can be redistributed to other software modules and / or combined in a single module and / or made accessible in a library.

Hierin beschriebene bestehende Grundsätze können als Hardware, Software, Firmware oder Kombinationen derselben implementiert werden; somit werden veranschaulichende Komponenten, Blöcke, Module, Schaltungen und Schritte hinsichtlich ihrer Funktionalität dargelegt.Existing principles described herein can be implemented in hardware, software, firmware, or combinations thereof; thus, illustrative components, blocks, modules, circuits, and steps are set forth in terms of their functionality.

Zusätzlich zu dem vorstehend Gesagten können logische Blöcke, Module und Schaltungen, die nachstehend beschrieben werden, mit einem Mehrzweckprozessor, einem digitalen Signalprozessor (DSP), einem feldprogrammierbaren Gate-Array (FPGA) oder einer anderen programmierbaren Logikvorrichtung, etwa einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC), diskreter Gate- oder Transistorlogik, diskreten Hardwarekomponenten oder einer beliebigen Kombination derselben, die ausgelegt sind, um die hierin beschriebenen Funktionen auszuführen, umgesetzt oder durchgeführt werden. Ein Prozessor kann durch ein Steuergerät oder eine Zustandsmaschine oder eine Kombination von Rechenvorrichtungen implementiert werden.In addition to the foregoing, logic blocks, modules, and circuitry described below can be used with a general purpose processor, digital signal processor (DSP), field programmable gate array (FPGA), or other programmable logic device such as an application specific integrated circuit (ASIC ), discrete gate or transistor logic, discrete hardware components, or any combination thereof designed to perform, implemented, or performed the functions described herein. A processor can be implemented by a controller or a state machine or a combination of computing devices.

Die nachstehend beschriebenen Funktionen und Verfahren können, bei Implementation in Software, in einer entsprechenden Sprache geschrieben werden, beispielsweise aber nicht ausschließlich in Java, C# oder C++, und können auf einem maschinell lesbaren Speichermedium, etwa einem Arbeitsspeicher (RAM), einem Festspeicher (ROM), einem elektrisch löschbaren programmierbaren Festspeicher (EEPROM), einem Compact-Disk-Festspeicher (CD-ROM) oder einem anderen optischen Plattenspeicher, etwa einer DVD (Digital Versatile Disc), einem Magnetplattenspeicher oder anderen Magnetspeichervorrichtungen, einschließlich USB-Speichersticks, etc., gespeichert oder durch diesen übermittelt werden. Eine Verbindung kann ein maschinell lesbares Medium bilden. Solche Verbindungen können beispielsweise Festkabel, einschließlich Faseroptik- und Koaxialkabel, und DSL (Digital Subscriber Line) und verdrillte Doppelkabel umfassen. Solche Verbindungen können drahtlose Kommunikationsverbindungen, einschließlich Infrarot und Funk, umfassen.The functions and methods described below can, when implemented in software, be written in an appropriate language, for example but not exclusively in Java, C # or C ++, and can be stored on a machine-readable storage medium, such as a working memory (RAM), a read-only memory (ROM ), an electrically erasable programmable read-only memory (EEPROM), a compact disk read-only memory (CD-ROM) or other optical disk storage such as a DVD (Digital Versatile Disc), magnetic disk storage or other magnetic storage devices, including USB memory sticks, etc. , stored or transmitted through it. A connection can form a machine-readable medium. Such connections may include, for example, fixed cables, including fiber optic and coaxial cables, and digital subscriber line (DSL) and twisted-pair cables. Such links can include wireless communication links including infrared and radio.

Die Betriebslogik von 11 ist spezifisch auf das in 5 gezeigte System gerichtet, wenngleich ihre Grundsätze auch dort gelten, wo es für andere hierin gezeigte Systeme relevant ist.The operational logic of 11th is specific to the in 5 system shown, although its principles apply where it is relevant to other systems shown herein.

Die Logik beginnt bei Zustand 1100 und rückt zu Block 1102 vor, wobei das Kohlenwasserstoffbrennstoffventil 550 geöffnet wird, um Kohlenwasserstoffbrennstoff gemäß dem Starten der Kraftmaschine der Kraftmaschine 540 zuzuführen. Der Wärmetauscher 520 wird gestartet und die elektrischen Heizer des Mischers 502 und des Wirbelrohrs 500 werden bei Block 1106 eingeschaltet, um das Reformieren des Wirbelrohrs einzuleiten. Sobald der Wärmetauscher heiß genug ist, um dem Mischer und dem Wirbelrohr Wärme zu liefern, kann die Wärme von dem Wärmetauscher die Wärme von den elektrischen Heizern ersetzen, die abgeschaltet werden können.The logic starts with state 1100 and moves to block 1102 before, the hydrocarbon fuel valve 550 is opened to hydrocarbon fuel in accordance with starting the engine of the engine 540 to feed. The heat exchanger 520 is started and the electric heater of the mixer 502 and the vortex tube 500 will be at block 1106 turned on to initiate reforming of the vortex tube. Once the heat exchanger is hot enough to provide heat to the mixer and vortex tube, the heat from the heat exchanger can replace the heat from the electric heaters, which can be turned off.

Die Entscheidungsraute 1108 zeigt an, dass ein oder mehrere der vorstehend beschriebenen Sensoren, die als Temperatursensor verkörpert sind, abgetastet werden, und wenn sein Signal anzeigt, dass das Wirbelrohr eine ausreichende Temperatur zum Reformieren des Kohlenwasserstoffs von dem Mischer 502 erreicht hat, wird das Wirbelrohr bei Block 1110 betätigt und die Brennstoffzelle 520 wird initialisiert. Bei Entscheidungsraute 1112 kann eine Eingabe erhalten werden, die anzeigt, dass der Fahrer bereit für Wechsel von Kohlenwasserstoffantrieb von der Kraftmaschine 540 zu elektrischen Antrieb von der Brennstoffzelle 520 ist, woraufhin sich die Logik zu Block 1114 bewegt, um das Brennstoffventil 550 zu schließen und bei Block 1116 zu elektrischem Antrieb zu wechseln.The decision diamond 1108 indicates that one or more of the above-described sensors, embodied as a temperature sensor, are being sensed and when its signal indicates that the vortex tube is at a sufficient temperature to reform the hydrocarbon from the mixer 502 reached the vortex tube at block 1110 operated and the fuel cell 520 is initialized. With decision diamond 1112 Input may be obtained indicating that the driver is ready to switch from hydrocarbon propulsion to the engine 540 to electric drive from the fuel cell 520 is whereupon the logic becomes block 1114 moved to the fuel valve 550 close and at block 1116 to switch to electric drive.

In einer Ausführungsform enthaltene Komponenten können in anderen Ausführungsformen in einer beliebigen geeigneten Kombination verwendet werden. Components included in one embodiment can be used in other embodiments in any suitable combination.

Beispielsweise können beliebige der hierin beschriebenen und/oder in den Figuren gezeigten verschiedenen Komponenten kombiniert, ausgetauscht oder von anderen Ausführungsformen ausgeschlossen werden.For example, any of the various components described herein and / or shown in the figures can be combined, interchanged, or excluded from other embodiments.

„Ein System mit mindestens einem von A, B und C“ (analog „ein System mit mindestens einem von A, B oder C“ und „ein System mit mindestens einem von A, B, C“) umfasst Systeme, die A allein, B allein, C allein, A und B zusammen, A und C zusammen, B und C zusammen und/oder A, B und C zusammen aufweisen, etc."A system with at least one of A, B and C" (analogous to "a system with at least one of A, B or C" and "a system with at least one of A, B, C") includes systems that A alone, B alone, C alone, A and B together, A and C together, B and C together and / or A, B and C together, etc.

Während die bestimmten Systeme und Verfahren hierin näher gezeigt und beschrieben werden, ist der Schutzumfang der vorliegenden Anmeldung nur durch die beigefügten Ansprüche beschränkt.While the particular systems and methods are shown and described in detail herein, the scope of the present application is limited only by the appended claims.

Claims (14)

Anordnung, umfassend: mindestens ein Wirbelrohr mit einem Einlass und mindestens einem Wasserstoffauslass; und mindestens einen Reformermechanismus, der dem Wirbelrohr zugeordnet ist, um Wasserstoff von Kohlenstoff in Molekülen von Kohlenwasserstoffbrennstoff, der zu dem Einlass eingegeben wird, zu entfernen, wobei der Reformermechanismus einen katalytischen Bestandteil in dem Wirbelrohr und erwärmten Wasserdampf, der zusammen mit dem Kohlenwasserstoffbrennstoff in das Wirbelrohr eingespritzt wird, umfasst, wobei das Wirbelrohr eine Wirbelkammer umfasst, wobei der Einlass des Wirbelrohrs in die Wirbelkammer führt, wobei das Wirbelrohr ein Hauptrohrsegment umfasst, das mit der Wirbelkammer in Verbindung steht und einen Kohlenstoffauslass, der vom Wasserstoffauslass verschieden ist, aufweist, wobei der genannte Einlass zwischen dem Wasserstoff-Auslass und dem Kohlenstoffauslass angeordnet ist, einen Mischerbehälter zum Aufnehmen des erwärmten Wasserdampfs, der zusammen mit dem Kohlenwasserstoffbrennstoff in das Wirbelrohr eingespritzt wird, wobei der genannte Mischerbehälter in Strömungsverbindung mit einem Wasserbehälter und einem Kohlenwasserstoffbrennstoffbehälter steht; und wobei das genannte Wirbelrohr dazu ausgebildet ist, durch Reformieren des Kohlenwasserstoffs in dem Kohlenwasserstoffbrennstoff, der zusammen mit dem erwärmten Wasserdampf erhalten wird, Wasserstoff zu bilden. Arrangement comprising: at least one vortex tube with an inlet and at least one hydrogen outlet; and at least one reformer mechanism associated with the vortex tube to remove hydrogen from carbon in molecules of hydrocarbon fuel that is input to the inlet, the reformer mechanism having a catalytic component in the vortex tube and heated water vapor flowing along with the hydrocarbon fuel into the vortex tube wherein the vortex tube comprises a vortex chamber, wherein the inlet of the vortex tube leads into the vortex chamber, wherein the vortex tube comprises a main tube segment which is in communication with the vortex chamber and a carbon outlet that is different from the hydrogen outlet, wherein the said inlet is arranged between the hydrogen outlet and the carbon outlet, a mixer tank for receiving the heated water vapor injected into the vortex tube together with the hydrocarbon fuel, said mixer tank being in fluid communication with a water tank and a hydrocarbon fuel tank; and said vortex tube being adapted to form hydrogen by reforming the hydrocarbon in the hydrocarbon fuel obtained along with the heated water vapor. Anordnung nach Anspruch 1, wobei eine Brennstoffzelle vorgesehen ist, die mit dem Wasserstoffauslass des Wirbelrohrs in Strömungsverbindung bringbar ist.Arrangement according to Claim 1 wherein a fuel cell is provided which can be brought into flow connection with the hydrogen outlet of the vortex tube. Anordnung nach Anspruch 2, welche mindestens eine Kraftmaschine mit einer Eingangsöffnung umfasst, die mit dem Wasserstoffauslass des Wirbelrohrs in Fluidverbindung steht, wobei ein Brennstoffeinlass der Kraftmaschine mit dem anderen Auslass als dem Wasserstoffauslass des Wirbelrohrs in Fluidverbindung steht.Arrangement according to Claim 2 , which is at least one prime mover with an input port in fluid communication with the hydrogen outlet of the vortex tube, wherein a fuel inlet of the engine is in fluid communication with the outlet other than the hydrogen outlet of the vortex tube. Anordnung nach Anspruch 3, wobei der Kohlenstoffauslass, der vom Wasserstoffauslass verschieden ist, an eine Innenfläche einer Wand des Hauptrohrsegments angrenzt.Arrangement according to Claim 3 wherein the carbon outlet, other than the hydrogen outlet, is adjacent to an inner surface of a wall of the main pipe segment. Anordnung nach Anspruch 4, welche den mindestens einen katalytischen Bestandteil an der Innenfläche der Wand des Hauptrohrsegments umfasst.Arrangement according to Claim 4 comprising the at least one catalytic component on the inner surface of the wall of the main pipe segment. Anordnung nach Anspruch 1, welche mindestens ein wasserstoffpermeables Rohr umfasst, das mittig in dem Hauptrohr angeordnet ist und den Wasserstoffauslass an einem Ende des wasserstoffpermeablen Rohrs bildet.Arrangement according to Claim 1 which comprises at least one hydrogen permeable tube which is arranged centrally in the main tube and which forms the hydrogen outlet at one end of the hydrogen permeable tube. Anordnung nach Anspruch 1, welche mehrere Wirbelrohre umfasst, die in einer toroidalen Konfiguration angeordnet sind, wobei ein erstes Wirbelrohr von den mehreren Wirbelrohren den Einlass des Wirbelrohrs bildet und einem Einlass eines nächsten Wirbelrohrs von den mehreren Wirbelrohren Fluid liefert.Arrangement according to Claim 1 comprising a plurality of vortex tubes arranged in a toroidal configuration, wherein a first vortex tube of the plurality of vortex tubes forms the inlet of the vortex tube and supplies fluid to an inlet of a next vortex tube of the plurality of vortex tubes. Anordnung nach Anspruch 1, wobei der Einlass des Wirbelrohrs mit einem Auslass einer Kraftmaschine in Fluidverbindung steht.Arrangement according to Claim 1 wherein the inlet of the vortex tube is in fluid communication with an outlet of an engine. Verfahren, umfassend: Reformieren von Kohlenwasserstoffbrennstoff mithilfe mindestens eines Wirbelrohrs; wobei das Reformieren das Entfernen von Wasserstoff von kohlenstoffbasierten Bestandteilen in Molekülen des Kohlenwasserstoffbrennstoffs umfasst; Trennen des Wasserstoffs von den kohlenstoffbasierten Bestandteilen mithilfe des Wirbelrohrs, um einen Wasserstoffstrom frei von Kohlenstoff zu machen; und Liefern des Wasserstoffstroms zu einem Wasserstoffaufnehmer, wobei das Wirbelrohr, das zum Reformieren des Kohlenwasserstoffbrennstoffs verwendet wird, Folgendes aufweist: einen katalytischen Bestandteil im Inneren des Wirbelrohrs, eine Wirbelkammer, wobei ein Einlass des Wirbelrohrs in die genannte Wirbelkammer führt, wobei das Wirbelrohr ein Hauptrohrsegment umfasst, das mit der Wirbelkammer in Verbindung steht und einen Kohlenstoffauslass aufweist, der von einem Wasserstoffauslass des Wirbelrohrs verschieden ist, wobei der Einlass des Wirbelrohrs zwischen dem Wasserstoffauslass und dem Kohlenstoffauslass angeordnet ist, wobei der Kohlenwasserstoffbrennstoff tangential in das Hauptrohrsegment gelassen wird und in Form eines Dampf-/Kohlenwasserstoff-Gemischs aus einem Mischerbehälter, der in Fluidverbindung mit einem Dampfbehälter und einem Kohlenwasserstoffbrennstoffbehälter steht, erhalten wird, wobei das Wirbelrohr durch Reformieren des Kohlenwasserstoffs in dem genannten Dampf-/Kohlenwasserstoff-Gemisch Wasserstoff erzeugt.Method comprising: Reforming hydrocarbon fuel using at least one vortex tube; wherein reforming involves removing hydrogen from carbon-based constituents in molecules of the Hydrocarbon fuel includes; Separating the hydrogen from the carbon-based constituents using the vortex tube to clear a carbon-free hydrogen stream; and Delivering the hydrogen stream to a hydrogen acceptor, wherein the vortex tube used to reform the hydrocarbon fuel has: a catalytic component inside the vortex tube, a vortex chamber, an inlet of the vortex tube leading into said vortex chamber, the vortex tube comprising a main tube segment communicating with the vortex chamber and having a carbon outlet different from a hydrogen outlet of the vortex tube, the inlet of the vortex tube between the hydrogen outlet and the carbon outlet is arranged, wherein the hydrocarbon fuel is admitted tangentially into the main pipe segment and is obtained in the form of a steam / hydrocarbon mixture from a mixer tank in fluid communication with a steam tank and a hydrocarbon fuel tank, wherein the vortex tube generates hydrogen by reforming the hydrocarbon in said steam / hydrocarbon mixture. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei Abgas aus einem Motor unter Verwendung des genannten Wirbelrohrs reformiert wird, wobei der genannte Motor den Kohlenwasserstoffstrom empfängt.A method according to the preceding claim, wherein exhaust gas from an engine is reformed using said vortex tube, said engine receiving the hydrocarbon stream. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die kohlenstoffbasierten Bestandteile dem Motor zugeführt werden.Method according to the preceding claim, wherein the carbon-based components are supplied to the engine. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei der Motor ein Dieselmotor ist.Method according to one of the two preceding claims, wherein the engine is a diesel engine. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Hauptrohrsegment eine Rohrachse definiert und eine Einlassachse der Wirbelkammer senkrecht zu der genannten Rohrachse ist.Procedure according to Claim 9 wherein the main tube segment defines a tube axis and an inlet axis of the vortex chamber is perpendicular to said tube axis. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Dampf-/Kohlenwasserstoff-Gemisch aus der Wirbelkammer an einem Einlass des Hauptrohrsegments, der an einem Ende des Hauptrohrsegments liegt, aufgenommen wird.Procedure according to Claim 9 wherein the steam / hydrocarbon mixture from the swirl chamber is received at an inlet of the main pipe segment which is at one end of the main pipe segment.
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