EP2040831A2 - Reformer für ein brennstoffzellensystem und verfahren zum betreiben eines reformers - Google Patents

Reformer für ein brennstoffzellensystem und verfahren zum betreiben eines reformers

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EP2040831A2
EP2040831A2 EP07764384A EP07764384A EP2040831A2 EP 2040831 A2 EP2040831 A2 EP 2040831A2 EP 07764384 A EP07764384 A EP 07764384A EP 07764384 A EP07764384 A EP 07764384A EP 2040831 A2 EP2040831 A2 EP 2040831A2
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EP
European Patent Office
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fuel
supplied
reformer
pressure
zone
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Withdrawn
Application number
EP07764384A
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English (en)
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Matthias Boltze
Michael Rozumek
Stefan Käding
Manfred Pfalzgraf
Andreas Engl
Beate Bleeker
Michael Süßl
Markus Bedenbecker
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Enerday GmbH
Original Assignee
Enerday GmbH
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a reformer for a fuel cell system, comprising an oxidation zone, which stored fuel is fed by means of a primary Brennstoffzu 1500- device for reaction with Ox dationsffen; and a mixing zone arranged downstream of the oxidation zone, which stored fuel can be supplied by means of a secondary fuel supply means for mixing with emerging from the oxidation zone substances.
  • the invention relates to a fuel cell system with such a reformer and a motor vehicle with such a fuel cell system.
  • the invention further relates to a method for operating a reformer of a fuel cell system, comprising the steps of: supplying fuel located in a fuel tank to an oxidation zone in which the fuel with oxidant is convertible; and supplying fuel in a fuel tank to a mixing zone located downstream of the oxidation zone in which the fuel is miscible with materials exiting the oxidation zone.
  • Fuel cell systems are used to convert chemical energy into electrical energy.
  • the key element in such systems is a fuel cell in which electrical energy is released by the controlled conversion of hydrogen and oxygen.
  • Object of the present invention is the generic reformer, the generic fuel cell system, the generic motor vehicle and the generic
  • the reformer according to the invention is based on the state of the art in that the primary fuel feed device and the secondary fuel feed device are designed to feed fuel in such a way that the fuel feed from the primary fuel feed device _, _
  • the invention is based on the finding that different requirements are placed on the quality of the evaporation in the oxidation zone and the mixing zone.
  • the oxidation zone it is sufficient if the fuel evaporates so well that a homogeneous combustion takes place and accordingly a homogeneous gas mixture enters the mixing zone.
  • the mixing zone the requirements for evaporation are higher. There, it must be possible to achieve homogeneous evaporation, and at the same time, the fuel vapor must mix homogeneously with the gas mixture from the oxidation zone.
  • the present invention solves this by the fact that the fuel supplied from the primary fuel supply device differs from the fuel supplied by the secondary fuel supply device in terms of fuel grade and / or state of aggregation and / or feed pressure and / or feed temperature.
  • This has the advantage over the prior art that these parameters can be selected and adapted in such a way that optimum starting conditions are obtained for the respective evaporation in the corresponding zone.
  • This has the further advantage of widening the performance modality, ie the work area, of the reformer because the reformer can be operated in an improved manner.
  • a fuel of one type of fuel eg diesel
  • a fuel of another type of fuel eg gasoline
  • the reformer according to the invention can advantageously be further developed in that the primary fuel feed device is a low-pressure feed device with a feed pressure of at most 10 bar and the secondary fuel feed device is a high-pressure feed device with a feed pressure of more than 50 bar.
  • the primary fuel feed device is a low-pressure feed device with a feed pressure of at most 10 bar
  • the secondary fuel feed device is a high-pressure feed device with a feed pressure of more than 50 bar.
  • the secondary fuel supply device is a high-pressure supply device with a supply pressure of 50 to 100 bar.
  • the secondary fuel supply device is a high-pressure supply device with a supply pressure of 900 to 1100 bar.
  • the reformer according to the invention may be further developed in that the primary fuel supply means is adapted to be connected to a first fuel tank, and the secondary fuel supply means is adapted to be connected to a separate second fuel tank. Due to the different evaporation temperatures, enthalpies and velocities of different types of fuel, supplying the oxidation zone and the mixing zone with different types of fuel makes it possible to vary the fuel grade. be selected that in the respective zone, the evaporation and the associated implementation proceeds optimally.
  • the invention provides a fuel cell system and a motor vehicle with such a fuel cell system, which deliver the advantages described above in a transferred manner.
  • the generic method can advantageously be further developed in that the fuel supplied to the oxidation zone differs from the fuel supplied to the mixing zone in terms of fuel grade and / or state of aggregation and / or feed pressure and / or feed temperature.
  • the invention is also based on the finding that different requirements are placed on the quality of the evaporation in the oxidation zone and the mixing zone. In the oxidation zone, it is sufficient if the fuel evaporates so well that a homogeneous combustion takes place and accordingly a homogeneous gas mixture enters the mixing zone. By contrast, in the mixing zone, the requirements for evaporation are higher.
  • the present invention solves this by the fact that the fuel supplied from the primary fuel supply device differs from the fuel supplied by the secondary fuel supply device with regard to fuel grade and / or aggregate state and / or feed pressure and / or feed temperature. This has the advantage over the prior art that these parameters can be selected and adapted in such a way that optimum starting conditions for the respective evaporation in the corresponding _ _
  • the inventive method can be further developed in that the fuel supplied to the oxidation zone with a supply pressure of at most 10 bar and the fuel supplied to the mixing zone with a feed pressure of more than 50 bar is supplied.
  • the fuel supplied to the mixing zone is supplied with a feed pressure of 50 to 100 bar.
  • the fuel supplied to the mixing zone is supplied at a feed pressure of 900 to 1100 bar.
  • the method according to the invention can be developed such that the fuel supplied to the oxidation zone is supplied from a first fuel tank and the fuel supplied to the mixing zone is fed from a separate second fuel tank. Due to the different vaporization temperatures, enthalpies and velocities of different types of fuel, supplying the oxidation zone and the mixing zone with different fuel types makes it possible to vary the fuel grade. _ _
  • Figure 1 is a schematic representation of a fuel cell system according to a first embodiment
  • Figure 2 is a schematic representation of a reformer GE measure the first embodiment
  • Figure 3 is a schematic representation of a fuel cell system according to a second embodiment.
  • Figure 4 is a schematic representation of a reformer according to the second embodiment.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a fuel cell system according to a first exemplary embodiment.
  • the fuel cell system 10 installed in a motor vehicle comprises a reformer 12, to which fuel is supplied via a first fuel line 14 from a first fuel tank 16. Furthermore, the fuel is supplied to the reformer 12 from a second fuel tank 20 by means of a second fuel train 18.
  • Suitable fuel types are diesel, gasoline, biogas, natural gas and other types of fuel known from the prior art.
  • the reformer 12 is oxidized via a first oxidant strand 22 , For example, air supplied.
  • the reformate produced by the reformer 12 is fed to a fuel cell stack 26 via a reformate train 24.
  • the reformate is a hydrogen-containing gas which is converted in the fuel cell stack 26 by means of cathode feeds conveyed via a cathode feed line 28, with the generation of electricity and heat.
  • the generated power can be tapped off via electrical connections 30.
  • the anode exhaust gas via an anode exhaust gas strand 32 a
  • the afterburner 36 can be supplied with fuel from the first fuel tank 16 via a third fuel line 38. Further, the afterburner 36 via a second oxidant medium strand 40 oxidizing agent can be supplied.
  • the combustion exhaust gas which contains virtually no pollutants, flows through a heat exchanger 46 for preheating the cathode feed air and finally leaves the fuel cell system 10.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the reformer according to the first embodiment.
  • the reformer 12 prescribes an oxidation zone 48, which can be supplied with fuel to a primary fuel feed device 50.
  • the fuel supply device 50 is connected to the first fuel train 14, so that the primary fuel supply device 50, the fuel is supplied, which is stored in the first fuel tank 16. Furthermore, an oxidant supply device 52 connected to the first oxidant strand 22 is provided, by means of which oxidizing agent can be fed to the oxidation zone 48. Within the oxidation zone 48, conversion of fuel and oxidant takes place in a combustion or exothermic, complete oxidation reaction. The resulting hot Artsgasström then occurs downstream, ie right in Fig. 2 in a mixing zone 54 a.
  • the individual zones of the reformer are diagrammatically separated from one another in FIG. 2 by dashed lines. The zones may be separated by structural features or blended into each other.
  • the mixing zone 54 additional fuel is added to the resulting product gas stream by means of a secondary fuel supply device 56.
  • the primary and secondary fuel supply means 50, 56 are respectively an injection nozzle and preferably a Venturi nozzle, however, the fuel may also be supplied to the oxidation zone 48 and the mixing zone 54, respectively, by means of an evaporation type fuel supply having a porous evaporation unit.
  • the secondary fuel supply device 56 is connected to the second fuel strand 18, so that in the second fuel tank 20 stockpiled fuel from a different fuel type than in the first fuel tank 16, the secondary fuel feed means 56 can be fed.
  • the mixing zone 54 is supplied with oxidizing agent.
  • the mixed with the additional fuel gas mixture enters a reforming zone 58, where it is in an endothermic reaction in a hydrogen-rich - -
  • This reformate i. hydrogen-rich gas mixture leaves the reformer 12 via the Reformatstrang 24 and is available for further use for the fuel cell stack 26.
  • fuel of the same fuel grade is stored in the first fuel tank 16 and the second fuel tank 20, but differs in its aggregate state (i.e., gaseous, liquid).
  • one fuel can be present in liquid form in one of the fuel tanks and fuel in the other fuel tank can be present in a gaseous state, which is achieved in that both in one
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a fuel cell system according to a second exemplary embodiment.
  • the fuel cell system 10 of the second embodiment differs from the fuel cell system shown in FIG. 1 in that instead of the first and second fuel tanks 16 and 20, only a single fuel tank 60 is installed in the vehicle. This fuel tank 60 supplies the first, second and third - -
  • Fuel strands 14, 18 and 38 with fuel of the same type of fuel are provided.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a reformer according to the second exemplary embodiment.
  • the reformer 12 of the second embodiment has, instead of the primary fuel supply means of Fig. 2, a primary fuel supply means 62 formed as a low pressure supply system.
  • the primary fuel feeder 62 is a low-pressure injector having a single-fluid nozzle, but may be an evaporation-type fuel feeder having a porous vaporization unit such as a non-woven evaporation unit.
  • the low-pressure supply system works with a feed pressure of up to 10 bar.
  • the reformer 12 of the second embodiment has a secondary fuel supply device 64, which is designed as a high-pressure feed system.
  • the high-pressure feed system is an injection system which is operated at 900 to 1100 bar, and can preferably with approx.
  • This pressure can be realized for example with a common rail system.
  • the high-pressure feed system can be operated with a feed pressure of 50 to 100 bar, which can be achieved for example by means of a pressure surge injection system.
  • the primary fuel supply device 62 is designed as an injection nozzle and the secondary fuel supply device 64 is designed as an evaporation-type fuel supply device which has a porous evaporation unit, for example a fleece evaporation unit.
  • the primary fuel supply 62 and the secondary fuel supply 64 are formed or operated such that the fuel supplied from the primary fuel supply 62 has a different temperature from that supplied to the corresponding zone of the reformer 12 the secondary fuel supply 64 supplied fuel.
  • this different feed temperature of the fuel can also be achieved by means of a heating or cooling device in the first and / or second fuel strands 14, 18. This temperature difference may also cause the fuel to be supplied to the primary fuel supply 62 in a different state than to the secondary fuel supply 64.
  • suitable delivery devices such as, for example, pumps or blowers and / or control valves for flow regulation, may be provided in the fuel strands 14, 18 and 38, in the oxidant strands 22 and 40 and in the cathode air strands 28.
  • suitable delivery devices such as, for example, pumps or blowers and / or control valves for flow regulation

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Reformer (12) für ein Brennstoffzellensystem (10), umfassend eine Oxidationszone (48), welcher bevorrateter Brennstoff mittels einer primären Brennstoffzuführeinrichtung (50; 62) zur Umsetzung mit Oxidationsmittel zuführbar ist; und eine stromabwärts der Oxidationszone (48) angeordnete Mischzone (54), welcher bevorrateter Brennstoff mittels einer sekundären Brennstoffzuführeinrichtung (56; 64) zur Vermischung mit aus der Oxidationszone (48) austretenden Stoffen zuführbar ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die primäre Brennstoffzuführeinrichtung (50; 62) und die sekundäre Brennstoffzuführeinrichtung (56; 64) dazu ausgelegt sind, Brennstoff derart zuzuführen, dass sich der von der primären Brennstoffzuführeinrichtung (50; 62) zugeführte Brennstoff von dem von der sekundären Brennstoffzuführeinrichtung (56; 64) zugeführten Brennstoff hinsichtlich Brennstoffsorte und/oder Aggregatszustand und/oder Zuführdruck und/oder Zuführtemperatur unterscheidet. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit solch einem Reformer, ein Kraftfahrzeug mit solch einem Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betreiben solch eines Reformers (12).

Description

Reformer für ein Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines Reformers
Die Erfindung betrifft einen Reformer für ein Brennstoff- zellensystem, umfassend eine Oxidationszone, welcher bevorrateter Brennstoff mittels einer primären Brennstoffzuführ- einrichtung zur Umsetzung mit Ox dationsmittel zuführbar ist; und eine stromabwärts der Oxidationszone angeordnete Mischzone, welcher bevorrateter Brennstoff mittels einer sekundären BrennstoffZuführeinrichtung zur Vermischung mit aus der Oxidationszone austretenden Stoffen zuführbar ist.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein BrennstoffZeilensystem mit solch einem Reformer und ein Kraftfahrzeug mit solch einem Brennstoffzellensystem.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Reformers eines Brennstoffzellensystems, umfassend die Schritte: Zuführen von in einem Brennstofftank befindlichem Brennstoff zu einer Oxidationszone, in welcher der Brennstoff mit Oxidationsmittel umsetzbar ist; und Zuführen von in einem Brennstofftank befindlichem Brennstoff zu ei- ner stromabwärts der Oxidationszone angeordneten Mischzone, in welcher der Brennstoff mit aus der Oxidationszone austretenden Stoffen vermischbar ist.
Brennstoffzellensysteme dienen der Umwandlung von chemi- scher Energie in elektrische Energie. Das zentrale Element bei derartigen Systemen ist eine Brennstoffzelle, bei der durch die kontrollierte Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff elektrische Energie freigesetzt wird. Brennstoff- _ _
Zeilensysteme müssen in der Lage sein, in der Praxis übliche Brennstoffe zu verarbeiten. Da in einer Brennstoffzelle Wasserstoff und Sauerstoff umgesetzt werden, muss der verwendete Brennstoff so aufbereitet werden, dass das der Ano- de der Brennstoffzelle zugeführte Gas einen möglichst hohen Anteil an Wasserstoff besitzt - dies ist Aufgabe des Reformers . Zu diesem Zweck werden einem Reformer Brennstoff und Oxidationsmittel, vorzugsweise Luft, zugeführt. In dem Reformer erfolgt dann eine Umsetzung des Brennstoffs mit dem Oxidationsmittel. Das mittels des Reformers erzeugte Refor- mat wird der Brennstoffzelle beziehungsweise einem Brennstoffzellenstapel zugeführt, wobei durch die kontrollierte Umsetzung von Wasserstoff, als Bestandteil des Reformats, und Oxidationsmittel elektrische Energie freigesetzt wird. Ein gattungsgemäßer Reformer ist aus der DE 103 59 205 Al bekannt .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den gattungsgemäßen Reformer, das gattungsgemäße Brennstoffzellensystem, das gattungsgemäße Kraftfahrzeug und das gattungsgemäße
Verfahren zum Betreiben eines Reformers derart weiterzubilden, dass ein optimierter Betrieb des Reformers erreicht werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Der erfindungsgemäße Reformer baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass die primäre Brennstoff- zuführeinrichtung und die sekundäre Brennstoffzuführein- richtung dazu ausgelegt sind, Brennstoff derart zuzuführen, dass sich der von der primären Brennstoffzuführeinrichtung _ , _
zugeführte Brennstoff von dem von der sekundären Brennstoffzuführeinrichtung zugeführten Brennstoff hinsichtlich Brennstoffsorte und/oder Aggregatszustand und/oder Zuführdruck und/oder Zuführtemperatur unterscheidet . Der Erfin- düng liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass in der Oxi- dationszone und der Mischzone unterschiedliche Anforderungen an die Qualität der Verdampfung gestellt werden. In der Oxidationszone ist es ausreichend, wenn der Kraftstoff so gut verdampft, dass eine homogene Verbrennung erfolgt und dementsprechend ein homogenes Gasgemisch in die Mischzone eintritt. Hingegen sind in der Mischzone die Anforderungen an die Verdampfung höher. Dort muss es gelingen, eine homogene Verdampfung zu erreichen, und gleichzeitig muss sich der Brennstoffdampf homogen mit dem Gasgemisch aus der Oxi- dationszone mischen. Vorteilhafterweise löst die vorliegende Erfindung dies dadurch, dass sich der von der primären Brennstoffzuführeinrichtung zugeführte Brennstoff von dem von der sekundären Brennstoffzuführeinrichtung zugeführten Brennstoff hinsichtlich Brennstoffsorte und/oder Aggregats- zustand und/oder Zuführdruck und/oder Zuführtemperatur unterscheidet . Dies hat den Vorteil gegenüber dem Stand der Technik, dass diese Parameter so ausgewählt und angepasst werden können, dass sich optimale Ausgangsbedingungen für die jeweilige Verdampfung in der entsprechenden Zone erge- ben. Dies hat den weiteren Vorteil, dass die Leistungsmodu- larität, d.h. der Arbeitsbereich, des Reformers verbreitert wird, weil der Reformer in verbesserter Weise betrieben werden kann. In der Praxis kann somit in der Oxidationszone des Reformers ein Brennstoff einer Brennstoffsorte (z.B. Diesel) verbrannt werden, wohingegen ein Brennstoff einer anderen Brennstoffsorte (z.B. Benzin) in der Mischzone als Edukt für die Reformierung in das Produktgas aus der Oxida- tionszonenverbrennung beigemischt wird. _- _-
Der erfindungsgemäße Reformer kann in vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet sein, dass die primäre Brennstoffzuführeinrichtung eine Niederdruckzuführeinrichtung mit einem Zuführdruck von maximal 10 bar und die sekundäre Brenn- stoffzuführeinrichtung eine Hochdruckzuführeinrichtung mit einem Zuführdruck von mehr als 50 bar ist. Dadurch, dass die Anforderungen an die Verdampfung in der Mischzone höher sind, ist hier die Verwendung eines teureren Hochdruckzuführsystems vorteilhaft. Hingegen reicht in der Oxidations- zone die Verwendung eines kostengünstigeren Niederdruckzuführsystems aus. Dies hätte neben der Einsparung von Energie ebenso den Vorteil, dass durch Verzicht auf eine deutlich teuere Hochdruckeinspeisung für die Oxidationszone Kosten eingespart werden können.
Insbesondere ist in diesem Zusammenhang vorgesehen, dass die sekundäre Brennstoffzuführeinrichtung eine Hochdruckzuführeinrichtung mit einem Zuführdruck von 50 bis 100 bar ist.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass die sekundäre Brennstoffzuführeinrichtung eine Hochdruckzuführeinrichtung mit einem Zuführdruck von 900 bis 1100 bar ist.
Ferner kann der erfindungsgemäße Reformer dadurch weitergebildet sein, dass die primäre Brennstoffzuführeinrichtung dazu ausgelegt ist, mit einem ersten Brennstofftank verbunden zu werden, und die sekundäre Brennstoffzuführeinrichtung dazu ausgelegt ist, mit einem separaten zweiten Brenn- stofftank verbunden zu werden. Aufgrund der verschiedenen Verdampfungstemperaturen, -enthalpien und -geschwindigkeit- en von verschiedenen Brennstoffsorten kann durch die Versorgung der Oxidationszone und der Mischzone mit unterschiedlichen BrennstoffSorten die Brennstoffsorte so ausge- wählt werden, dass in der jeweiligen Zone die Verdampfung und die damit verbundene Umsetzung optimal abläuft.
Des Weiteren stellt die Erfindung ein Brennstoffzellensys- tem und ein Kraftfahrzeug mit solch einem Brennstoffzellen- system bereit, die die vorstehend beschriebenen Vorteile in übertragener Weise liefern.
Das gattungsgemäße Verfahren kann in vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet sein, dass sich der der Oxidations- zone zugeführte Brennstoff von dem der Mischzone zugeführten Brennstoff hinsichtlich Brennstoffsorte und/oder Aggregatszustand und/oder Zuführdruck und/oder Zuführtemperatur unterscheidet. Auch im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfah- rens liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass in der Oxidationszone und der Mischzone unterschiedliche Anforderungen an die Qualität der Verdampfung gestellt werden. In der Oxidationszone ist es ausreichend, wenn der Kraftstoff so gut verdampft, dass eine homogene Verbrennung erfolgt und dementsprechend ein homogenes Gasgemisch in die Mischzone eintritt. Hingegen sind in der Mischzone die Anforderungen an die Verdampfung höher. Dort muss es gelingen, eine homogene Verdampfung zu erreichen, und gleichzeitig muss sich der Brennstoffdampf homogen mit dem Gasge- misch aus der Oxidationszone mischen. Vorteilhafterweise löst die vorliegende Erfindung dies dadurch, dass sich der von der primären Brennstoffzuführeinrichtung zugeführte Brennstoff von dem von der sekundären Brennstoffzuführeinrichtung zugeführten Brennstoff hinsichtlich Brennstoffsor- te und/oder Aggregatszustand und/oder Zuführdruck und/oder Zuführtemperatur unterscheidet. Dies hat den Vorteil gegenüber dem Stand der Technik, dass diese Parameter so ausgewählt und angepasst werden können, dass sich optimale Ausgangsbedingungen für die jeweilige Verdampfung in der ent- _ _
sprechenden Zone ergeben. Dies hat den weiteren Vorteil, dass die Leistungsmodularität, d.h. der Arbeitsbereich, des Reformers verbreitert wird, weil der Reformer in verbesserter Weise betrieben werden kann. In der Praxis kann somit in der Oxidationszone des Reformers ein Brennstoff einer Brennstoffsorte (z.B. Diesel) verbrannt werden, wohingegen ein Brennstoff einer anderen Brennstoffsorte (z.B. Benzin) in der Mischzone als Edukt für die Reformierung in das Produktgas aus der Oxidationszonenverbrennung beigemischt wird.
Ferner kann das erfindungsgemäße Verfahren dadurch weitergebildet sein, dass der der Oxidationszone zugeführte Brennstoff mit einem Zuführdruck von maximal 10 bar und der der Mischzone zugeführte Brennstoff mit einem Zuführdruck von mehr als 50 bar zugeführt wird.
Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass der der Mischzone zugeführte Brennstoff mit einem Zuführdruck von 50 bis 100 bar zugeführt wird.
Alternativ kann dabei vorgesehen sein, dass der der Mischzone zugeführte Brennstoff mit einem Zuführdruck von 900 bis 1100 bar zugeführt wird.
Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Verfahren so weitergebildet sein, dass der der Oxidationszone zugeführte Brennstoff aus einem ersten Brennstofftank und der der Mischzone zugeführte Brennstoff aus einem separaten zweiten Brennstofftank zugeführt wird. Aufgrund der verschiedenen Verdampfungstemperaturen, -enthalpien und -geschwindigkeit- en von verschiedenen BrennstoffSorten kann durch die Versorgung der Oxidationszone und der Mischzone mit unterschiedlichen BrennstoffSorten die Brennstoffsorte so ausge- _ _
wählt werden, dass in der jeweiligen Zone die Verdampfung und die damit verbundene Umsetzung optimal abläuft.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfol- gend mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beispielhaft erläutert .
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
Figur 2 eine schematische Darstellung eines Reformers ge- maß dem ersten Ausführungsbeispiel;
Figur 3 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel; und
Figur 4 eine schematische Darstellung eines Reformers gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel .
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brenn- stoffzellensystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Das in einem Kraftfahrzeug installierte Brennstoffzellen- system 10 umfasst einen Reformer 12, dem über einen ersten Brennstoffsträng 14 aus einem ersten Brennstofftank 16 Brennstoff zugeführt wird. Ferner wird dem Reformer 12 mit- tels eines zweiten BrennstoffStrangs 18 aus einem zweiten Brennstofftank 20 Brennstoff zugeführt. Als Brennstoffsor- ten kommen Diesel, Benzin, Biogas, Erdgas und weitere aus dem Stand der Technik bekannte BrennstoffSorten in Frage. Im Rahmen des ersten Ausführungsbeispiels unterscheidet _ _
sich dabei die Brennstoffsorte im ersten Brennstofftank 16 von der Brennstoffsorte im zweiten Brennstofftank 20, so ist beispielsweise vorteilhaft, im ersten Brennstofftank 16 Diesel und im zweiten Brennstofftank 20 Benzin zu bevorra- ten. Weiterhin wird dem Reformer 12 über einen ersten Oxi- dationsmittelstrang 22 Oxidationsmittel, beispielsweise Luft, zugeführt. Das von dem Reformer 12 erzeugte Reformat wird über einen Reformatstrang 24 einem Brennstoffzellen- stapel 26 zugeführt. Bei dem Reformat handelt es sich um ein Wasserstoffhaltiges Gas, das in dem Brennstoffzellen- stapel 26 mit Hilfe von über einen Kathodenzuluftstrang 28 geförderter Kathodenzuluft unter Erzeugung von Strom und Wärme umgesetzt wird. Der erzeugte Strom ist über elektrische Anschlüsse 30 abgreifbar. Im dargestellten Fall wird das Anodenabgas über einen AnodenabgasStrang 32 einer
Mischeinheit 34 eines Nachbrenners 36 zugeführt. Dem Nachbrenner 36 ist über einen dritten Brennstoffsträng 38 Brennstoff aus dem ersten Brennstofftank 16 zuführbar. Ferner ist dem Nachbrenner 36 über einen zweiten Oxidations- mittelstrang 40 Oxidationsmittel zuführbar. In dem Nachbrenner 36 erfolgt eine Umsetzung des abgereicherten Anodenabgases mit dem geförderten Brennstoff und Oxidationsmittel zu einem Verbrennungsabgas, welches in einer Mischeinheit 42 mit Kathodenabluft vermischt wird, die über ei- nen Kathodenabluftstrang 44 von dem Brennstoffzellenstapel 26 zu der Mischeinheit 42 gefördert wird. Das Verbrennungs- abgas, welches nahezu keine Schadstoffe enthält, durchströmt einen Wärmetauscher 46 zum Vorwärmen der Kathodenzuluft und verläßt schließlich das BrennstoffZeilensystem 10.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung des Reformers gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Der Reformer 12 ura- fasst eine Oxidationszone 48, welcher mit einer primären Brennstoffzuführeinrichtung 50 Brennstoff zuführbar ist. _ _
Die Brennstoffzuführeinrichtung 50 ist mit dem ersten Brennstoffstrang 14 verbunden, so dass der primären Brennstoffzuführeinrichtung 50 die Brennstoffsorte zugeführt wird, welche im ersten Brennstofftank 16 bevorratet ist. Ferner ist eine mit dem ersten Oxidationsmittelstrang 22 verbundene Oxidationsmittelzuführeinrichtung 52 vorgesehen, mittels der Oxidationsmittel der Oxidationszone 48 zuführbar ist. Innerhalb der Oxidationszone 48 findet eine Umsetzung von Brennstoff und Oxidationsmittel in einer Verbren- nung bzw. exothermen vollständigen Oxidationsreaktion statt. Der dabei entstehende heiße Produktgasström tritt dann stromabwärts, d.h. rechts in Fig. 2 in eine Mischzone 54 ein. Die einzelnen Zonen des Reformers sind in Fig. 2 zeichnerisch durch gestrichelte Linien voneinander ge- trennt. Die Zonen können durch bauliche Merkmale voneinander getrennt sein oder fließend ineinander übergehen. In der Mischzone 54 wird dem entstandenen Produktgasstrom mittels einer sekundären Brennstoffzuführeinrichtung 56 zusätzlicher Brennstoff beigemischt. Im vorliegenden Beispiel ist die primäre und sekundäre Brennstoffzuführeinrichtung 50, 56 jeweils eine Einspritzdüse und vorzugsweise eine Venturidüse, jedoch kann der Brennstoff auch mittels einer Brennstoffzuführeinrichtung der Verdampfungsbauart, die eine poröse Verdampfungseinheit aufweist, der Oxidationszone 48 bzw. der Mischzone 54 zugeführt werden. Die sekundäre Brennstoffzuführeinrichtung 56 ist mit dem zweiten Brennstoffstrang 18 verbunden, so dass im zweiten Brennstofftank 20 bevorrateter Brennstoff von einer anderen Brennstoffsorte als im ersten Brennstofftank 16, der sekundären Brenn- Stoffzuführeinrichtung 56 zuführbar ist. Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der Mischzone 54 Oxidationsmittel zugeführt wird. Das mit dem zusätzlichen Brennstoff vermischte Gasgemisch tritt in eine Reformierungszone 58 ein, wo es in einer endothermen Reaktion in ein wasserstoffreiches - -
Gasgemisch umgesetzt wird, vorzugsweise mittels eines dort angeordneten Katalysators. Dieses Reformat, d.h. wasserstoffreiche Gasgemisch, verläßt den Reformer 12 über den Reformatstrang 24 und steht zur weiteren Nutzung für den Brennstoffzellenstapel 26 zur Verfügung.
In einer Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels wird im ersten Brennstofftank 16 und im zweiten Brennstofftank 20 Brennstoff derselben Brennstoffsorte bevorratet, welcher sich jedoch durch seinen Aggregatszustand (d.h. gasförmig, flüssig) unterscheidet. Dabei kann beispielsweise in einem der Brennstofftanks ein bestimmter Brennstoff in flüssiger Form vorliegen und in dem anderen Brennstofftank Brennstoff derselben Brennstoffsorte in einem gasförmigen Zustand vor- liegen, was dadurch erreicht wird, dass sowohl in einem
Brennstofftank als auch im zugehörigen Brennstoffsträng ein höherer Druck vorliegt als im anderen Brennstoffsträng, der den Brennstoff in einem gasförmigen Zustand beibehält.
Bezugszeichen, welche im folgenden zu den im ersten Ausführungsbeispiel verwendeten identisch sind, kennzeichnen zum ersten Ausführungsbeispiel identische Elemente mit gleicher Funktionalität, deren Beschreibung zur Vermeidung von Wiederholungen weggelassen wird.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Das Brennstoffzellensystem 10 des zweiten Ausführungsbeispiels unterscheidet sich von dem in Figur 1 dargestellten Brennstoffzellensystem dadurch, dass anstatt des ersten und zweiten Brennstofftanks 16 und 20 nur ein einziger Brennstofftank 60 in dem Kraftfahrzeug installiert ist. Dieser Brennstofftank 60 versorgt den ersten, zweiten und dritten - -
Brennstoffsträng 14, 18 und 38 mit Brennstoff der selben Brennstoffsorte .
Figur 4 zeigt eine schematisches Darstellung eines Refor- mers gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. Der Reformer 12 des zweiten Ausführungsbeispiels weist anstatt der primären Brennstoffzuführeinrichtung aus Fig. 2 eine primäre Brennstoffzuführeinrichtung 62 auf, die als Niederdruckzuführsystem ausgebildet ist. Vorzugsweise ist die primäre Brenn- Stoffzuführeinrichtung 62 eine Niederdruckeinspritzeinrichtung mit einer Einstoffdüse, jedoch kann sie auch eine Brennstoffzuführeinrichtung der Verdampfungsbauart sein, die eine poröse Verdampfungseinheit, beispielsweise eine Vliesverdampfungseinheit, aufweist. Das Niederdruckzuführ- System arbeitet mit einem Zuführdruck von bis zu 10 bar. Ferner weist der Reformer 12 des zweiten Ausführungsbeispiels eine sekundäre Brennstoffzuführeinrichtung 64 auf, welche als Hochdruckzuführsystem ausgeführt ist. Das Hochdruckzuführsystem ist ein Einspritzsystem, welches mit 900 bis 1100 bar betrieben wird, und kann vorzugsweise mit ca.
1000 bar betrieben werden. Dieser Druck ist beispielsweise mit einem Common-Rail-System realisierbar. Alternativ, kann das Hochdruckzuführsystem mit einem Zuführdruck von 50 bis 100 bar betrieben werden, was beispielsweise mittels einem Druckstoßeinspritzsystem realisierbar ist.
In einer Abwandlung des zweiten Ausführungsbeispiels ist die primäre Brennstoffzuführeinrichtung 62 als Einspritzdüse ausgebildet und die sekundäre Brennstoffzuführeinrich- tung 64 als Brennstoffzuführeinrichtung der Verdampfungs- bauart ausgebildet, die eine poröse Verdampfungseinheit, beispielsweise eine Vliesverdampfungseinheit, aufweist. _ ±2 _
In einer zweiten Abwandlung des zweiten Ausführungsbeispiels sind die primäre Brennstoffzuführeinrichtung 62 und die sekundäre BrennstoffZuführeinrichtung 64 so ausgebildet oder werden derart betrieben, dass der von der primären Brennstoffzuführeinrichtung 62 zugeführte Brennstoff bei der Zuführung in die entsprechende Zone des Reformers 12 eine andere Temperatur aufweist als der von der sekundären Brennstoffzuführeinrichtung 64 zugeführte Brennstoff. Alternativ dazu kann diese unterschiedliche Zuführtemperatur des Brennstoffes auch mittels einer Heiz- bzw. Kühlvorrichtung im ersten und/oder zweiten Brennstoffsträng 14, 18 erreicht werden. Dieser Temperaturunterschied kann auch dazu führen, dass der Brennstoff an der primären Brennstoffzuführeinrichtung 62 in einem anderen Aggregatszustand zuge- führt wird als an der sekundären Brennstoffzuführeinrichtung 64.
Es wird explizit darauf hingewiesen, dass obwohl die einzelnen Ausführungsbeispiele und deren Abwandlungen separat anhand von zugeordneten Figuren beschrieben wurden, jegliche Kombination der einzelnen Ausführungsbeispiele und Abwandlungen innerhalb des Rahmens der Erfindung ist. Beispielsweise ist durchaus eine Kombination des ersten und zweiten Ausführungsbeispiels möglich, bei der unterschied- liehe Brennstoffsorten an einen Reformer zugeführt werden, welcher eine Hoch- und Niederdruckbrennstoffzuführeinrichtung aufweist.
Obwohl in den beschriebenen Figuren dies nicht explizit dargestellt ist, können in den Brennstoffsträngen 14, 18 und 38, in den Oxidationsmittelsträngen 22 und 40 sowie im Kathodenzuluftsträng 28 entsprechende Fördereinrichtungen wie beispielsweise Pumpen bzw. Gebläse und/oder Steuerventile zur Durchflussregelung vorgesehen sein. Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
Bezugszeichenliste :
10 Brennstoffzellensystem
12 Reformer 14 erster Brennstoffsträng
16 erster Brennstofftank
18 zweiter Brennstoffsträng
20 zweiter Brennstofftank
22 erster Oxidationsmittelstrang 24 Reformatstrang
26 Brennstoffzellenstapel
28 Kathodenzuluftstrang 30 elektrische Anschlüsse 32 Anodenabgasstrang 34 Mischeinheit
36 Nachbrenner
38 dritter Brennstoffsträng
40 zweiter Oxidationsmittelstrang
42 Mischeinheit 44 Kathodenabluftstrang
46 Wärmetauscher 48 Oxidationszone
50 primäre Brennstoffzuführeinrichtung
52 Oxidationsmittelzuführeinrichtung 54 Mischzone
56 sekundäre Brennstoffzuführeinrichtung
58 Reformierungszone
60 Brennstofftank
62 primäre Brennstoffzuführeinrichtung 64 senkundäre Brennstoffzuführeinrichtung

Claims

- -ANSPRUCHE
1. Reformer (12) für ein Brennstoffzellensystem (10), umfassend:
eine Oxidationszone (48) , welcher bevorrateter Brenn- stoff mittels einer primären Brennstoffzuführeinrich- tung (50; 62) zur Umsetzung mit Oxidationsmittel zuführbar ist; und
eine stromabwärts der Oxidationszone (48) angeordnete Mischzone (54) , welcher bevorrateter Brennstoff mittels einer sekundären Brennstoffzuführeinrichtung (56; 64) zur Vermischung mit aus der Oxidationszone (48) austretenden Stoffen zuführbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass die primäre Brennstoffzuführeinrichtung (50; 62) und die sekundäre Brennstoffzuführeinrichtung (56; 64) dazu ausgelegt sind, Brennstoff derart zuzuführen, dass sich der von der primären Brennstoffzuführeinrichtung (50; 62) zugeführte Brennstoff von dem von der sekundären Brennstoffzuführeinrichtung (56; 64) zugeführten Brennstoff hinsichtlich Brennstoffsorte und/oder Aggregatszustand und/oder Zuführdruck und/oder Zuführtemperatur unterscheidet .
2. Reformer (12) gemäß Anspruch 1, dadurch, gekennzeichnet, dass die primäre Brennstoffzuführeinrichtung (62) eine Niederdruckzuführeinrichtung mit einem Zuführdruck von maximal 10 bar und die sekundäre Brennstoffzuführeinrichtung (64) eine Hochdruckzuführeinrichtung mit einem Zuführdruck von mehr als 50 bar ist.
3. Reformer (12) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeich- net, dass die sekundäre Brennstoffzuführeinrichtung (64) eine Hochdruckzuführeinrichtung mit einem Zuführdruck von 50 bis 100 bar ist.
4. Reformer (12) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeich- net, dass die sekundäre Brennstoffzuführeinrichtung (64) eine Hochdruckzuführeinrichtung mit einem Zuführdruck von 900 bis 1100 bar ist.
5. Reformer (12) gemäß einem der vorhergehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass die primäre Brennstoffzuführeinrichtung (50) dazu ausgelegt ist, mit einem ersten Brennstofftank (16) verbunden zu werden, und die sekundäre Brennstoffzuführeinrichtung (56) dazu ausgelegt ist, mit einem separaten zweiten Brennstofftank (20) verbunden zu werden.
6. Brennstoffzellensystem (10) mit einem Reformer (12) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche .
7. Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem (10) gemäß Anspruch 6.
8. Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Brennstofftanks (16, 20) vorgesehen sind, wobei einer der Brennstofftanks (16) mit der primären
Brennstoffzuführeinrichtung (50) des Reformers (12) verbunden ist und der zweite Brennstofftank (20) mit der sekundären Brennstoffzuführeinrichtung (56) verbunden ist.
9. Verfahren zum Betreiben eines Reformers (12) eines BrennstoffZeilensystems (10) , umfassend die Schritte:
Zuführen von in einem Brennstofftank (16; 60) befind- lichem Brennstoff zu einer Oxidationszone (48) , in welcher der Brennstoff mit Oxidationsmittel umsetzbar ist; und
Zuführen von in einem Brennstofftank (20; 60) befind- lichem Brennstoff zu einer stromabwärts der Oxidationszone (48) angeordneten Mischzone (54) , in welcher der Brennstoff mit aus der Oxidationszone (48) austretenden Stoffen vermischbar ist,
dadurch gekennzeichnet/ dass sich der der Oxidationszone
(48) zugeführte Brennstoff von dem der Mischzone (54) zugeführten Brennstoff hinsichtlich Brennstoffsorte und/oder Aggregatszustand und/oder Zuführdruck und/oder Zuführtemperatur unterscheidet .
10. Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet/ dass der der Oxidationszone (48) zugeführte Brennstoff mit einem Zuführdruck von maximal 10 bar und der der Mischzone (54) zugeführte Brennstoff mit einem Zuführdruck von mehr als 50 bar zugeführt wird.
11. Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der der Mischzone (54) zugeführte Brennstoff mit einem Zuführdruck von 50 bis 100 bar zugeführt wird.
12. Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der der Mischzone (54) zugeführte Brennstoff mit einem Zuführdruck von 900 bis 1100 bar zugeführt wird.
13. Verfahren gemäß einem Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der der Oxidationszone (48) zugeführte Brennstoff aus einem ersten Brennstofftank (16) und der der Mischzone (54) zugeführte Brennstoff aus einem separaten zweiten Brennstofftank (20) zugeführt wird.
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