DE19909935A1 - Reaktoreinheit, insbesondere autothermer Primärreformer - Google Patents

Abstract

Es wird eine Reaktoreinheit beschrieben, die insbesondere als autothermer Primärreformer zur Erzeugung von Wasserstoff für Brennstoffzellen in Kraftfahrzeugen verwendbar ist. Sie hat eine in einem Innenraum einer Isolierkammer angeordnete Reaktionskammer und eine in die Reaktionskammer mündende Zufuhrleitung zur Zufuhr von beispielsweise aus einem Methanol/Wasser-Gemisch bestehenden Prozeßfluid in die Reaktionskammer. Die Zufuhrleitung hat an mindestens einer Stelle zwei gegeneinander bewegliche, kommunizierende Leitungsabschnitte, die zwischen sich eine zum Inneren der Zufuhrleitung führende Durchlaßöffnung begrenzen. Die Konstruktion verbindet einen durch die Durchlaßöffnung gebildeten, verschleißfreien Dehnungsausgleicher zum Ausgleich thermischer Längenänderungen mit einer ebenfalls durch die Durchlaßöffnung gebildeten Ringdüsenkonstruktion zur Einleitung von Luft in das Methanol/Wasser-Gemisch vor Eintritt in die Reaktionskammer.

Description

Die Erfindung betrifft eine Reaktoreinheit, insbesondere einen autothermen Primärreformer zur Erzeugung von Wasserstoff für Brennstoffzellen in Kraftfahrzeugen.

Derartige Reaktoreinheiten werden heutzutage in Kraftfahrzeu­ gen verwendet, um aus einem flüssigen Energieträger, insbeson­ dere Methanol, Wasserstoff zu gewinnen, der dann in einem nachgeschalteten Brennstoffzellensystem in elektrische Energie umgewandelt wird. Um den Wasserstoff für den Betrieb einer Brennstoffzelle herzustellen, werden bei überwiegend angewand­ ten Verfahren Wasser und Methanol miteinander vermischt, ver­ dampft und einer katalytischen Reaktionskammer zugeführt, in der bei erhöhten Temperaturen eine Reformierung durchgeführt wird. Bei der Primärreformierung entstehen aus einem Molekül Methanol und einem Molekül Wasser jeweils drei Moleküle des gewünschten Wasserstoffs sowie ein Molekül Kohlendioxid. Der Wasserstoff gelangt dann in die Brennstoffzelle und wird ge­ meinsam mit Luftsauerstoff katalytisch in Strom und Wasser um­ wandelt.

Aufgrund der bei der Reformierung entstehenden hohen Tempera­ turen ist es bei Anwendungen dieses Verfahrens in Kraftfahr­ zeugen wegen des dort vorgegebenen beschränkten Bauvolumens erforderlich, die Reaktionskammer auf kleinstem Raum thermisch zu isolieren, wozu eine oder mehrere Reaktionskammern im In­ nenraum einer Isolierkammer angeordnet werden. Durch die Wär­ meisolierung entstehen räumlich nahe beieinanderliegende Be­ reiche mit deutlich unterschiedlichen Betriebstemperaturen. Während im Reaktorinnern hohe Temperaturen bis beispielsweise ca. 1200°C auftreten können, sollten die Temperaturen im Be­ reich der Reaktoraußenwand zur Vermeidung von Beeinträchtigun­ gen benachbarter Bauteile bei niedrigen Temperaturen von nicht wesentlich mehr als 100°C liegen. Derartige starke Temperatu­ runterschiede auf engem Raum können zu thermischen Spannungen führen, die die Lebensdauer einer Reaktoreinheit beeinträchti­ gen. Wärmeausdehnungsprobleme können insbesondere bei häufig wechselnden thermischen Beanspruchungen nachteilig sein, wie sie bei automobilen Anwendungen auftreten können.

Ein weiteres Problem kann sich aus der Forderung ergeben, daß die in dem der Reaktionskammer zugeleiteten Prozeßfluid vor­ liegenden Reaktionspartner und gegebenenfalls noch einzumi­ schende Oxidationsmittel, wie Reaktionsluft, möglichst gleich­ mäßig durchmischt sein sollten, um eine gleichmäßige Reaktion in der Reaktionskammer zu gewährleisten. Zu diesem Zweck sind schon relativ komplizierte Düsenanordnungen vorgeschlagen wor­ den. Aus der DE 40 27 410 A1 ist eine derartige Düsenanordnung für einen Sekundärreformer bekannt. Auch bei dem Problem der Durchmischung der Reaktionspartner ergeben sich für automobile Anwendungen aufgrund der beengten Raumverhältnisse erhöhte konstruktive Anforderungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine insbesondere für automobile Anwendung geeignete Reaktoreinheit der genann­ ten Art vorzuschlagen, die bei einfachem Aufbau auch bei häu­ fig wechselnden thermischen Beanspruchungen dauerhaft zuver­ lässig arbeitet. Insbesondere soll auch eine gute Durch­ mischung der Reaktionspartner ermöglicht werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß eine Reak­ toreinheit mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie ein Ver­ fahren zum Betreiben einer Reaktoreinheit mit den Merkmalen des Anspruches 10 vorgeschlagen.

Bei einer erfindungsgemäßen Reaktoreinheit sind mindestens ei­ ne in einem Innenraum einer Isolierkammer angeordnete Reakti­ onskammer und mindestens eine in die Reaktionskammer mündende Zufuhrleitung zur Zufuhr von Prozeßfluid in die Reaktionskam­ mer vorgesehen. Die Zufuhrleitung weist an mindestens einer Stelle ihres Verlaufs einen Dehnungsausgleicher mit zwei ge­ geneinander beweglichen, kommunizierenden Leitungsabschnitten auf. Im Bereich des fluidleitenden Übergangs zwischen den Lei­ tungsabschnitten wird in der Zufuhrleitung ein zur Fluidlei­ tung fähiger Dehnungsausgleicher geschaffen, der zur Aufnahme von thermisch bedingten Längenänderungen in der Zufuhrleitung dient. Dadurch können die Zufuhrleitung sowie die normalerwei­ se fest mit dieser z. B. durch Verschweißen verbundene Reakti­ onskammer bzw. deren Gehäuse und gegebenenfalls eine ebenfalls fest mit der Zufuhrleitung verbundene Außenwand der Isolier­ kammer von thermisch bedingten Zug- und Druckspannungen entla­ stet werden, indem sich die räumliche Anordnung der kommuni­ zierenden Leitungsabschnitte im wesentlichen ohne mechanische Widerstände ändern kann.

Die kommunizierenden Enden der Leitungsabschnitte können durch ein Dehnungsausgleichs-Bauelement verbunden sein, das einen in sich beweglichen, jedoch nach außen gas- und flüssigkeitsdicht abgeschlossenen Leitungsabschnitt bildet, z. B. durch einen Ly­ ra-Bogen, einen U-Bogen, durch einen Gummi-, Linsen- oder Gleitrohrkompensator oder durch einen Faltenbalg oder derglei­ chen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die kommunizierenden Leitungsabschnitte zwischen sich eine zum Inneren der Zufuhr­ leitung führende Durchlaßöffnung begrenzen. Im Gegensatz zu den bekannten Dehnungsausgleichs-Bauelementen wird bei diesem Dehnungsausgleicher auf die Verwendung von temperaturempfind­ lichen Materialien im Bereich des Dehnungsausgleichers ver­ zichtet, also eine feststofffreie Dehnungsausgleichseinrich­ tung geschaffen. Der bevorzugte Dehnungsausgleicher ist weit­ gehend temperaturunempfindlich und kann daher insbesondere auch im Bereich hoher Temperaturen sehr nahe an der Reaktions­ kammer vorgesehen sein. Ein durch die Durchlaßöffnung gebilde­ ter feststofffreier Raum zwischen den vorzugsweise berührungs­ frei kommunizierenden Leitungsabschnitten stellt außerdem eine Wärmeleitungssperre im Verlauf der Zufuhrleitung dar, so daß der der Reaktionskammer abgewandte Leitungsabschnitt deutlich kühler sein kann als der zugewandte Leitungsabschnitt. Durch den Verzicht auf gesonderte Bauelemente im Dehnungsausgleichs­ bereich kann die Dehnungsausgleichseinrichtung völlig ver­ schleißfrei sein, was die Lebensdauer der Reaktoreinheit erhö­ hen und einen wartungsfreien Betrieb sicherstellen kann.

Gleichzeitig wird die Möglichkeit geschaffen, ein Druckfluid von außerhalb der Zufuhrleitung im Bereich der Durchlaßöffnung in das Innere der Zufuhrleitung fein verteilt einzuleiten bzw. zuzudosieren. Dabei kann es sich um ein an der Reaktion unbe­ teiligtes Fluid, beispielsweise ein Inertgas, wie Stickstoff, handeln, das allein aufgrund seiner Einströmung zu einer bes­ seren Verwirbelung und Vermischung der Prozeßfluidkomponenten beiträgt. Besonders bevorzugt ist es, wenn das einströmende Druckfluid ein zur Reaktion mit dem Prozeßfluid vorgesehenes, vorzugsweise gasförmiges Fluid ist. Insbesondere kann im Be­ reich der Durchlaßöffnung Reaktionsluft eingeblasen werden, die sich mit dem Prozeßfluid vermischt. Das bei entsprechender Druckdifferenz zwischen Innenraum der Zufuhrleitung und ihrer Umgebung einströmende Druckfluid kann die Funktion einer "Fluidstromdichtung" bzw. "Stoffstromdichtung" übernehmen und auf diese Weise das Ausströmen von Reformatgas bzw. seiner Vorprodukte verhindern. Auf eine verschleißende Dichtung kann verzichtet werden. Für die Dichtfunktion ist es nicht von Be­ deutung, ob die einen Dichtspalt bildende Durchgangsöffnung glatt oder in irgendeiner Form profiliert oder gesondert ge­ staltet ist oder ob das Dichtfluid an der Reformierungsreakti­ on teilnimmt oder nicht.

Bei einer Ausführungsform ist die Durchlaßöffnung im Innenraum einer mit Druckfluid gefüllten oder befüllbaren Kammer ange­ ordnet, die eine Abdichtung des Bereichs der Durchlaßöffnung nach außen sicherstellt und ein unkontrolliertes Austreten von Prozeßfluid aus dem Bereich der Durchlaßöffnung verhindert. Obwohl für diesen Zweck eine von der Isolierkammer gesonderte Kammer vorgesehen sein kann, ist es bevorzugt, wenn die Kammer durch die Isolierkammer selbst gebildet ist, also der Deh­ nungsausgleicher bzw. die Durchlaßöffnung innerhalb der Iso­ lierkammer liegt. Dadurch ergibt sich ein besonders einfacher Aufbau der Reaktoreinheit.

Bei einer Weiterbildung ist eine Einrichtung zur Beaufschla­ gung der die Durchlaßöffnung umgebenden Kammer, insbesondere der Isolierkammer, mit einem Druckfluid vorgesehen, dessen Kammerfluiddruck höher ist als der in der Zufuhrleitung herr­ schende Prozeßfluiddruck von beispielsweise zwischen ca. 2 und ca. 6 bar. Hierdurch kann die beschriebene Stoffstromdichtung geschaffen sowie ein Einleiten des Kammerfluides in die Zu­ fuhrleitung erreicht werden. Wenn der Kammerfluiddruck bezüg­ lich seiner Höhe steuerbar oder gesteuert ist, kann die pro Zeiteinheit aus der Kammer in die Zufuhrleitung einströmende Fluidmenge den Erfordernissen beispielsweise zur Erzielung ei­ nes besonders hohen Wirkungsgrades der Reformierung in der Re­ aktionskammer angepaßt werden.

Vorzugsweise wird ein gasförmiges Fluid, also ein Gas oder Gasgemisch, in die Kammer eingeleitet, wobei es sich insbeson­ dere um ein zur Reaktion mit dem Prozeßfluid vorgesehenes sau­ erstoffhaltiges Gas, vorzugsweise Luft, oder um ein anderes Oxidationsmittel handeln kann. Eine hierdurch mögliche Gasfül­ lung der Isolierkammer kann die Wärmeisolationseigenschaften der Isolierkammer weiter verbessern. Wenn Gas kontinuierlich oder diskontinuierlich zunächst in das Innere der Isolierkam­ mer und dann durch die Durchlaßöffnung in die Zufuhrleitung einströmt, findet zudem ein vorteilhafter Abtransport von Wär­ me aus dem Isolierraum statt, was die Wärmeisolation weiter verbessert. Bei einer Befüllung der Isolierkammer mit Luft kann diese eine Mehrfachfunktion ausfüllen, indem sie einer­ seits die Wärmeisolierung der Isolierkammer verbessert, gleichzeitig die Durchlaßöffnung gegen Herausdringen von Pro­ zeßfluid abdichtet und in die Zufuhrleitung unter Durch­ mischung mit dem dort befindlichen Prozeßfluid eindringt und an der nachfolgenden Reaktion teilnehmen kann. Eine Vorwärmung des eingeleiteten Gases hat darüber hinaus den Effekt, daß der Wirkungsgrad des Reformers zunimmt.

Es existieren bezüglich der Formgebung und/oder Dimensionie­ rung der Durchlaßöffnung unterschiedliche konstruktive Mög­ lichkeiten zur Anpassung der Geometrie der Zufuhrleitung an die gewünschte Funktion. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Leitungsabschnitte, die beispielsweise durch im Quer­ schnitt runde Metallrohre gebildet sein können, im Bereich der Durchlaßöffnung teleskopartig ineinanderliegend angeordnet. Dadurch kann erforderlichenfalls eine gute gegenseitige Füh­ rung der axial gegeneinander beweglichen Leitungsabschnitte erreicht werden. Die Durchlaßöffnung kann dabei eine im we­ sentlichen zylindrische Geometrie annehmen. Eindringendes Fluid kann im wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung oder gegenparallel zu dieser dem Prozeßfluid beigemischt werden. Es ist auch möglich, beispielsweise durch im Bereich der Durch­ laßöffnung vorgesehene wendelförmige Nuten in einem oder bei­ den der Leitungsabschnitte die Durchlaßöffnung als drallgeben­ des Element auszubilden, durch das gegebenenfalls eine bessere Durchmischung erreicht wird. Als Alternative ist es auch mög­ lich, daß die Leitungsabschnitte einander zugewandte Stirnsei­ ten haben, die mit axialem Abstand zueinander angeordnet sind. Der axiale Abstand definiert dabei die Breite eines Ringspal­ tes, durch den Fluid von außen im wesentlichen radial zur Strömungsrichtung des Prozeßfluides in dieses eingeleitet wird. Durchlaßöffnungen der beschriebenen Art erlauben insbe­ sondere eine im wesentlichen über den gesamten Umfang der Zu­ fuhrleitung gleichmäßige Einleitung von Fluid in die Zufuhr­ leitung. Auf eine gegebenenfalls aufwendige und teure Anord­ nung mit vielen um die Zufuhrleitung angeordnete Einzeldüsen kann verzichtet werden.

Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausfüh­ rungsform in Verbindung mit der Zeichnung und den Unteransprü­ chen. Hierbei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Kombination miteinander bei einer Ausführungsform verwirklicht sein.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeich­ nung näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt einen Längsschnitt durch eine schema­ tisch gezeigte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Reak­ toreinheit.

Bei der in Fig. 1 schematisch dargestellten Reaktoreinheit 1 handelt es sich um einen autothermen Primärreformer, der zur Erzeugung von Wasserstoff für eine Brennstoffzelle eines Brennstoffzellen-Antriebssystemes eines Kraftfahrzeuges vorge­ sehen ist. Die Reaktoreinheit 1 umfaßt ein im wesentliches gasdichtes Gehäuse 2 aus Edelstahl mit einem kreiszylindri­ schen Außenmantel 3, der im Bereich seiner einlaßseitigen vor­ deren Stirnseite 4 und im Bereich der auslaßseitigen hinteren Stirnseite 5 durch gasdicht angeschweißte Stirnplatten 6, 7 aus Edelstahl verschlossen ist. An der Innenseite des Außen­ mantels 3 ist eine zylindrisch umlaufende dickwandige Wärmei­ solierung 8 aus einem geeigneten, beispielsweise keramischen Wärmedämmstoff befestigt. In einem Innenraum 9 der durch das Gehäuse 2 umschlossenen Isolierkammer 10 befindet sich eine mit einem beschichteten Katalysatorträger ausgestattete Reak­ tionskammer 15, in der in einem selbststartenden autothermen, kontinuierlich ablaufenden Reaktionsprozeß aus einer Mischung eingangsseitig zugeführter Ausgangsprodukte ein ausgangsseitig abgeführtes, wasserstoffhaltiges Reformat in an sich bekannter Weise hergestellt wird.

Zur Zuleitung von Reaktions-Ausgangsprodukten in die Reakti­ onskammer 15 sowie zur Ableitung des Reformates aus der Kammer ist eine innerhalb der Isolierkammer angeordnete, einfache Rohranordnung mit zwei koaxial mit der Zentralachse des Gehäu­ ses 2 angeordneten, miteinander fluchtenden Edelstahl-Rohren 16, 17 vorgesehen. Das kürzere erste Rohr 16 ist an der Vor­ derwand 6 im Bereich einer zentrischen Durchgangsbohrung 18 derart angeschweißt, daß das der Wand 6 zugewandte Ende die Durchgangsbohrung 18 umschließt und das wandabgewandte Rohren­ de 19 frei senkrecht zur Vorderwand in den Innenraum 9 ragt. Das zweite Rohr 17 gleichen Durchmessers und Querschnitts ist mit einer Stirnseite an der Rückwand 7 angeschweißt und hat eine Länge, die derart bemessen ist, daß sein dem kurzen Rohr 16 zugewandtes Vorderende 20 in einem axialen Abstand von ei­ nigen Millimetern vom gegenüberliegenden Rohrende 19 liegt. Der Innenraum des zweiten Rohres 19, in dem die Reaktionskam­ mer 15 angeordnet ist, ist über eine zentrische Bohrung 21 der Rückwand 7 mit der Umgebung der Reaktoreinheit verbunden. Eine exzentrische Bohrung 22 der Vorderwand 6 führt außerhalb des Rohres 16 von außen in das Innere 9 der Isolierkammer.

Im Bereich der sich berührungsfrei mit axialem Abstand gegen­ überliegenden freien Rohrenden 19, 20 ist eine ringspaltförmi­ ge Durchlaßöffnung 23 ausgebildet, die vom Inneren 9 der Iso­ lierkammer in das Innere der Leitung führt, die durch die zum Fluidaustausch miteinander über den Bereich des Spaltes 23 hinweg kommunizierenden Leitungsabschnitte 16, 17 gebildet ist.

Der aus wenigen einfach geformten Bauteilen kostengünstig her­ stellbare kompakte Reaktor 1 des Ausführungsbeispieles ist da­ zu vorgesehen, die Primärreformierung mit Methanol als Brenn­ stoff sowie mit Wasser und Luft als weiteren Ausgangsstoffen durchzuführen. Hierzu werden die Ausgangsprodukte Methanol und Wasser durch die zentrische Einfüllöffnung 18 an der Vorder­ seite des Reaktors eingeleitet und liegen bei der gezeigten Ausführungsform nach Verdüsung und Vermischung als Prozeßfluid mit Flüssigkeitströpfchen im vorderen Rohrabschnitt 16 vor. Dieser bildet zusammen mit dem ihm zugewandten, in Strömungs­ richtung (Pfeile) vor der Reaktionskammer 15 liegenden Rohr­ endbereich des hinteren Rohres 17 eine Zufuhrleitung 25 zur Zuführung dieses Prozeßfluides zur Reaktionskammer 15.

Die für die Reaktion erforderliche Luft wird durch die exzen­ trische Einfüllöffnung 22 in den Isolierraum 9 des Reaktors eingeblasen, so daß dieser luftgefüllt ist. Durch eine nicht näher dargestellte Drucklufteinrichtung ist der Luftdruck in der Kammer 9 derart einstellbar, daß er höher ist als der in der Zufuhrleitung 25 herrschende Prozeßfluiddruck des Metha­ nol/Wasser-Gemisches, der in der Regel zwischen 2 und 6 bar liegen kann. Die hierdurch bewirkte Druckdifferenz führt dazu, daß die Luft durch den zwischen den Rohrenden 19, 20 gebilde­ ten Ringspalt 23 im wesentlichen über den gesamten Rohrumfang etwa gleichmäßig in radialer Richtung in das Innere der Zu­ fuhrleitung 25 eindringt (Pfeil 26). Die einströmende Luft verhindert zum einen nach Art einer "Stoffstrom-Dichtung", daß Prozeßfluid aus dem Inneren der Zufuhrleitung 25 in den luft­ gefüllten Innenraum 9 der Isolierkammer dringt. Damit kann vermieden werden, daß Wasser oder Brennstoff im gasförmigen, insbesondere aber im flüssigen Zustand in diesen Raum ein­ dringt, was für die Isolierwirkung ungünstig wäre, da die Wär­ meleitfähigkeit von Flüssigkeiten deutlich über derjenigen von Luft liegt. Durch die ringspaltförmige Durchlaßöffnung 23 wird außerdem eine über den gesamten Umfang der Zuleitung wirkende Radialdüse geschaffen, durch die Reaktionsluft besonders gleichmäßig in den Strom des Prozeßfluides bzw. in die Reak­ tormischzone eingeleitet werden kann. Dabei findet eine gleichmäßige Durchmischung der Reaktionsluft mit dem Prozeß­ fluid statt, was für Reaktionen mit besonders hohem Wirkungs­ grad genutzt werden kann.

Bei ebenfalls möglichen Reaktionen ohne Beteiligung von Luft kann statt der Luft auch ein inertes Gas, beispielsweise Stickstoff, eingeleitet werden, um als Sperrmedium einer Stoffstromdichtung zu wirken und um eine verbesserte Durch­ mischung der im Prozeßfluid vorhandenen Ausgangsprodukte zu bewirken.

Die in der Zufuhrleitung 25 vorgesehene, im Beispiel durch ei­ nen Ringspalt bzw. ein fehlendes Leitungsstück gebildete Durchlaßöffnung 23 erfüllt eine weitere wichtige Funktion, die insbesondere bei Verwendung derartiger kompakter Reaktorein­ heiten in räumlichen beengten Einbaubereichen von Automobilen vorteilhaft zum Tragen kommt. Im Bereich der Reaktorkammer 15 können, je nach durchgeführter Reaktion und/oder Belastung des Reformers, hohe Temperaturen bis in den Bereich von ca. 1200°C auftreten. Durch eine entsprechende Kühlung und/oder Isolie­ rung muß sichergestellt sein, daß im Bereich der Reaktoraußen­ wand bzw. des Gehäuses 2 vergleichweise niedrigere Temperatu­ ren von beispielsweise maximal 100°C herrschen. Da die vor­ zugsweise zur Herstellung der Reaktoreinheit verwendeten Mate­ rialien überwiegend metallisch sind und diese die Eigenschaft haben, sich bei Temperaturerhöhung stark auszudehnen, treten thermisch bedingte Längenausdehnungen auf, die zwischen Reak­ torraum 15 und Reaktoraußenwand kompensiert werden müssen, da­ mit keine die Lebensdauer der Reaktoreinheit beeinträchtigen­ den Zug- und Druckspannungen auftreten. Zur Vermeidung derar­ tiger Probleme ist bei der gezeigten Ausführungsform durch die räumliche Trennung der miteinander kommunizierenden Rohrab­ schnitte 16, 17 im Bereich der Durchlaßöffnung 23 erfindungs­ gemäß ein Dehnungsausgleicher geschaffen, der es ermöglicht, daß sich die freien Enden 19, 20 der kommunizierenden Lei­ tungsabschnitte 16, 17 relativ zueinander frei bewegen können, ohne daß es zum Aufbau insbesondere axialer Zug- oder Druck­ spannungen bei Temperaturanstieg bzw. Temperaturabfall im Re­ aktorraum 15 kommt. Bei Temperaturanstieg verringert sich der Axialabstand der Leitungsenden 19, 20, so daß eine Ringdüse mit temperaturabhängig veränderlicher Düsengeometrie geschaf­ fen ist, deren Durchlaßquerschnitt sich mit steigender Tempe­ ratur verringert. Da die Dehnungsausgleichseinrichtung 23 ma­ terialfrei ist und ohne gegebenenfalls reibenden Berührungs­ kontakt zusammenwirkender Elemente auskommt, ist sie auch bei für automobile Anwendungen typischen häufigen Temperaturwech­ seln dauerhaft wartungsfrei. Darüber hinaus bleiben die Ein­ baumaße der Reaktoreinheit zumindest in axialer Richtung im wesentlichen temperaturunabhängig, so daß ein derartiger Reak­ tor problemlos in eine starre, räumlich begrenzte Einbauumge­ bung eingebaut werden kann.

Bei erfindungsgemäßen Reaktoreinheiten können also bei äußerst einfachem konstruktiven Aufbau mehrere für den Betrieb von Re­ formern wichtige oder zweckmäßige Grundbauteile (Dü­ se/Dehnungsausgleicher) bzw. mehrere Grundfunktionen (Durch­ mischung, insbesondere Lufteinbringung/Wärmedehnungsausgleich) vorteilhaft kombiniert und durch zweckmäßige Anordnung der kommunizierenden Leitungsabschnitte unter Bildung der Durch­ laßöffnung realisiert werden.

Neben der beispielhaft beschriebenen Ausführung sind viele Va­ rianten möglich. So kann, wie erwähnt, die Durchlaßöffnung an­ statt mit Luft oder einem anderen an der Reaktion teilnehmen­ den Gas auch mit einem an der Reaktion unbeteiligten Medium gesperrt bzw. abgedichtet werden. Falls Luft für die Reaktion erforderlich ist, kann diese auch gemeinsam mit dem Brennstoff und dem Wasser vor dem Bereich der Durchlaßöffnung eingeleitet werden. Anstatt Methanol können auch andere kohlenwasserstoff­ haltige Treibstoffe, wie Benzin oder Dieselöl, verwendet wer­ den.

Auch ist die beschriebene Ausführung mit einem axialen Rings­ palt bzw. einem fehlenden Leitungsstück in der Zufuhrleitung nicht zwingend. Bei einer anderen Ausführungsform sind die ge­ geneinander beweglichen Leitungsabschnitte im Bereich der Durchlaßöffnung unter Bildung einer beispielsweise zylindri­ schen Durchlaßöffnung bzw. Zylinderspaltdüse teleskopartig in­ einanderliegend angeordnet. Sie können zur gegenseitigen Füh­ rung aneinander abgleitende Führungselemente, wie Vorsprünge, Führungsleisten oder dergleichen haben, so daß eine Durchlaß­ öffnung auch profiliert sein kann.

Claims (16)

1. Reaktoreinheit, insbesondere autothermer Primärreformer zur Erzeugung von Wasserstoff für Brennstoffzellen in Kraftfahr­ zeugen, mit mindestens einer in einem Innenraum (9) einer Iso­ lierkammer (10) angeordneten Reaktionskammer (15) und minde­ stens einer in die Reaktionskammer mündenden Zufuhrleitung (25) zur Zufuhr von Prozeßfluid in die Reaktionskammer (15), wobei die Zufuhrleitung (25) an mindestens einer Stelle einen Dehnungsausgleicher mit zwei gegeneinander beweglichen, kommu­ nizierenden Leitungsabschnitten (16, 17) aufweist.

2. Reaktoreinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsabschnitte (16, 17) zwischen sich eine zum Inneren der Zufuhrleitung (25) führende Durchlaßöffnung (23) begren­ zen.

3. Reaktoreinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Dehnungsausgleicher, insbesondere die Durchlaß­ öffnung (23), im Innenraum (9) einer mit Druckfluid gefüllten oder befüllbaren Kammer angeordnet ist.

4. Reaktoreinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Beaufschlagung der Kammer (10) mit einem Kammerfluiddruck vorgesehen ist, der höher als der in der Zu­ fuhrleitung (25) herrschende Prozeßfluiddruck ist.

5. Reaktoreinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Kammerfluiddrucks steuerbar oder gesteuert ist.

6. Reaktoreinheit nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckfluid in der Kammer (10) ein Gas ist, insbesondere ein zur Reaktion mit dem Prozeßfluid vorge­ sehenes Gas.

7. Reaktoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Leitungsabschnitte (16, 17) zur Bildung einer ringspaltförmigen Durchlaßöffnung (23) einander zugewandte Stirnseiten (19, 20) aufweisen, die mit axialem Ab­ stand zueinander angeordnet sind.

8. Reaktoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Leitungsabschnitte im Bereich der Durchlaßöffnung teleskopartig ineinanderliegend angeordnet sind.

9. Reaktoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Zufuhrleitung (25) mindestens eine Düse (23) aufweist, die derart ausgebildet ist, daß ein Fluid im wesentlichen über den gesamten Umfang der Zufuhrlei­ tung gleichmäßig in das Innere der Zufuhrleitung einleitbar ist, insbesondere eine Ringspaltdüse (23) oder eine Zylinder­ spaltdüse.

10. Verfahren zum Betreiben einer Reaktoreinheit, insbesondere eines autothermen Primärreformers zur Erzeugung von Wasser­ stoff für Brennstoffzellen in Kraftfahrzeugen, wobei die Reak­ toreinheit mindestens eine in einem Innenraum (9) einer Iso­ lierkammer (10) angeordnete Reaktionskammer (15) und minde­ stens eine in die Reaktionskammer mündende Zufuhrleitung (25) zur Zufuhr von Prozeßfluid in die Reaktionskammer hat, mit folgendem Schritt:

• - Aufteilung der Zufuhrleitung an mindestens einer Stelle in zwei gegeneinander bewegliche, kommunizierende Leitungsab­ schnitte, die zwischen sich eine in das Innere der Zufuhrlei­ tung führende Durchlaßöffnung begrenzen.

11. Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Ein­ leitung eines Druckfluides durch die Durchlaßöffnung (23) in das Innere der Zufuhrleitung.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckfluid ein zur Reaktion mit dem Prozeßfluid vorgesehe­ nes, vorzugsweise gasförmiges Fluid, insbesondere Luft ist.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeich­ net, daß das Druckfluid im Bereich der Durchlaßöffnung (23) im wesentlichen über den gesamten Umfang der Zufuhrleitung (25) gleichmäßig eingeleitet wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Druckfluid quer, insbesondere im wesent­ lichen senkrecht zur Strömungsrichtung des Prozeßfluides in die Zufuhrleitung (25) eingeleitet wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Druckfluid im Bereich der Durchlaßöff­ nung im wesentlichen parallel oder im wesentlichen gegenparal­ lel zur Strömungsrichtung des Prozeßfluids in die Zufuhrlei­ tung (25) eingeleitet wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Druck des einströmenden Druckfluids ge­ steuert wird.