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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein
Personenkraftwagen. Die Erfindung betrifft außerdem einen
Reformer zum Generieren eines Wasserstoffgas enthaltenden Reformatgases,
insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, das in einem
Kraftfahrzeug angeordnet sein kann.
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Üblicherweise
weist ein Kraftfahrzeug eine Brennkraftmaschine auf, die mit einem
flüssigen Kraftstoff betrieben werden kann. Aus verschiedenen Gründen
kann ein derartiges Fahrzeug mit einem Reformer ausgestattet sein,
mit dessen Hilfe aus einem flüssigen Kraftstoff ein Wasserstoffgas
enthaltendes Reformatgas generiert werden kann. Ein derartiges Reformatgas
kann beispielsweise der Brennkraftmaschine zur Verbrennung zugeführt
werden. Ebenso kann derartiges Reformatgas in einer Brennstoffzelle zum
Generieren von elektrischem Strom umgesetzt werden. Ebenso ist es
möglich, mit Hilfe von Reformatgas eine Heizeinrichtung
des Fahrzeugs zu betreiben.
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Bei
Reformern, die in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz kommen, z. B.
als Bestandteil eines Brennstoffzellensystems, bietet es sich an,
den im Fahrzeug zum Betreiben einer Brennkraftmaschine ohnehin mitgeführten
Kraftstoff zum Herstellen des Wasserstoffgas enthaltenden Reformatgases
zu verwenden. Beispielsweise eignen sich ohne Beschränkung
der Allgemeinheit Benzin, Diesel, Erdgas und Biodiesel zur Verwendung
in einem Reformer. Bei flüssigen Kraftstoffen lässt
sich häufig eine inhomogene Gemischbildung zwischen dem
verdampften Kraftstoff und dem gasförmigen Oxidator, in
der Regel Luft, beobachten.
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Aus
der
DE 100 20 089
A1 ist es bekannt, zur Kraftstoffversorgung eines Reformers,
insbesondere eines Brennstoffzellensystems, eine Dosiereinrichtung
vorzusehen. Die bekannte Dosiereinrichtung weist eine einen Kraftstofftank
mit einem Kraftstoffeinlass des Reformers verbindende Zuführleitung
zum Einbringen von flüssigem Kraftstoff in den Reformer auf.
In dieser Zuführleitung ist eine Fördereinrichtung zum
Antreiben des flüssigen Kraftstoffs angeordnet. Außerdem
ist in der Zuführleitung stromab der Fördereinrichtung
ein Dosierventil zum Einstellen eines durch die Zuführleitung
vom Dosierventil zum Reformer fließenden Kraftstoffstroms
angeordnet. Die bekannte Dosiereinrichtung umfasst außerdem
eine Rückführleitung, die eingangsseitig zwischen
der Fördereinrichtung und dem Druckregelventil an die Zuführleitung
und ausgangsseitig an den Kraftstofftank angeschlossen ist. Zusätzlich
ist bei der bekannten Dosiereinrichtung in der Rückführleitung
ein Druckhalteventil zum Einstellen eines vorbestimmten oder vorbestimmbaren
Drucks angeordnet.
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Aus
der
DE 102 17 675
A1 ist ein Reformer zum Generieren eines Wasserstoffgas
enthaltenden Reformatgases bekannt, bei dem einem Kraftstoffanschluss
ein Verdampfer zugeordnet ist. Beim bekannten Reformer besteht der
Verdampfer im wesentlichen aus einer porösen Verdampferstruktur,
die beispielsweise durch Vliesmaterial oder sonstiges Gewebe oder
mattenartiges Gewebe, Schaum, Keramik oder dgl. gebildet sein kann.
Der Kraftstoff wird dabei über eine entsprechende Zuführeinrichtung
unmittelbar in die Verdampferstruktur eingebracht, in der sich der
flüssige Kraftstoff durch Kapillarwirkung großvolumig
ausbreitet. Hierdurch lässt sich seine Oberfläche
extrem vergrößern, was die Kraftstoffverdampfung
begünstigt.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem,
für ein mit einem Reformer ausgestattetes Kraftfahrzeug
eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere
durch eine homogene Gemischbildung im Reformer auszeichnet.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände
der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die
vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine
zum Antreiben des Kraftstoffs zum Reformer vorgesehene Reformer-Fördereinrichtung
unmittelbar in einem Kraftstofftank anzuordnen und eine vom Kraftstofftank zum
Reformer führende Reformer-Kraftstoffleitung an die Reformer-Fördereinrichtung
anzuschließen. Auf diese Weise kann die Saugseite der Reformer-Fördereinrichtung
auf direktem Weg, ohne große Saugstrecke Kraftstoff aus
dem Kraftstofftank ansaugen. Die Vermeidung einer langen Saugstrecke an
der Saugseite der Reformer-Fördereinrichtung hat zur Folge,
dass die Neigung zur Blasenbildung im Kraftstoff signifikant reduziert
ist.
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Die
Erfindung nutzt hierbei die Erkenntnis, dass Blasen im flüssigen
Kraftstoff die homogene Gemischbildung behindern. Es hat sich gezeigt,
dass die Vermeidung von Blasen im Kraftstoff zu einer gleichmäßigeren
Förderleistung der Reformer-Fördereinrichtung
und somit zu einer gleichmäßigeren Einleitung
von Kraftstoff in den Reformer führt, was insgesamt eine
kontinuierliche Verdampfung und die Ausbildung eines homogenen Gemischs
begünstigt.
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Die
Erfindung ist von besonderem Interesse, wenn es sich beim verwendeten
flüssigen Kraftstoff um einen vergleichsweise flüchtigen
Kraftstoff, also um einen Kraftstoff mit vergleichsweise niedriger
Verdampfungstemperatur handelt, wie z. B. Benzin.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform kann im Kraftstofftank
außerdem eine Motor-Fördereinrichtung vorgesehen
sein, mit deren Hilfe die Brennkraftmaschine mit dem Kraftstoff
aus dem Kraftstofftank versorgt werden kann. Hierzu ist eine vom
Kraftstofftank zur Brennkraftmaschine führende Motor-Kraftstoffleitung
direkt an die Motor-Fördereinrichtung angeschlossen. Durch
die Bereitstellung eines gemeinsamen Kraftstofftanks sowohl für
die Brennkraftmaschine als auch für den Reformer, kann der
Bauraumbedarf für die Kraftstoffversorgung des Reformers
reduziert werden.
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Entsprechend
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann die
Reformer-Fördereinrichtung in einem Reformer-Schwalltopf
angeordnet sein, der hierzu im Kraftstofftank vorgesehen ist. Auf entsprechende
Weise kann auch ein Motor-Schwalltopf im Kraftstofftank vorgesehen
sein, in dem die Motor-Fördereinrichtung angeordnet ist.
Die beiden Schwalltöpfe können nun vorteilhafterweise
so aufeinander abgestimmt sein, dass bei abnehmendem Kraftstofffüllstand
eine kommunizierende Verbindung zwischen dem Reformer-Schwalltopf
und dem Kraftstofftank ab einem vorbestimmten Schwellwert unterbrochen
wird, während eine kommunizierende Verbindung zwischen
dem Motor-Schwalltopf und dem Kraftstofftank weiterhin bestehen
bleibt. Hierdurch wird erreicht, dass bei sinkendem Kraftstofffüllstand der
im Kraftstofftank verbleibende Kraftstoff nicht mehr dem Reformer
zur Verfügung steht. Hierdurch wird eine Priorisierung
dahingehend erreicht, dass bei abnehmendem Kraftstofffüllstand
gegebenenfalls der Reformerbetrieb eingestellt wird, bevor die Brennkraftmaschine
nicht mehr betrieben werden kann.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen
Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils
angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder
in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden
Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen
dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche
oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Es
zeigen, jeweils schematisch,
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1 ein
Brennstoffzellensystem mit einem Reformer in einem Kraftfahrzeug,
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2 eine
Detailansicht des Brennstoffzellensystems im Bereich des Reformers.
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Entsprechend 1 umfasst
ein Brennstoffzellensystem 1, das in einem im übrigen
nicht dargestellten Kraftfahrzeug angeordnet ist, zumindest eine Brennstoffzelle 2 sowie
einen Reformer 3. Die Brennstoffzelle 2 dient
in üblicher Weise zum Generieren von Strom aus einem Wasserstoffgas
enthalten den Brenngas und einem Sauerstoffgas enthaltenden Oxidatorgas.
Das Brenngas wird dabei einer Anodenseite 4 der Brennstoffzelle 2 zugeführt,
während das Oxidatorgas, bei dem es sich zweckmäßig
um Luft handelt, einer Kathodenseite 5 der Brennstoffzelle 2 zugeführt
wird. In der Brennstoffzelle 2 trennt ein Elektrolyt 6 die
Anodenseite 4 von der Kathodenseite 5. Üblicherweise
besteht die Brennstoffzelle 2 aus einem Stapel mehrerer
Brennstoffzellenelemente, in denen jeweils die Anodenseite 4 durch
einen Elektrolyten 6 von der Kathodenseite 5 getrennt
ist. Vorzugsweise handelt es sich bei der Brennstoffzelle um eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle,
die insbesondere als Festkörper-Brennstoffzelle bzw. als
SOFC-Brennstoffzelle ausgestaltet sein kann. Ebenso ist es grundsätzlich
möglich, die Brennstoffzelle 2 als Niedertemperatur-Brennstoffzelle
auszugestalten, die insbesondere eine PEM-Brennstoffzelle sein kann, die
mit einer Protonen-Transport-Membran bzw. mit einer Polymer-Elektrolyt-Membran
als Elektrolyt 6 arbeitet. Für diesen Fall kann
zusätzlich eine hier nicht gezeigte CO-Reinigungseinrichtung
zwischen Reformer 3 und Brennstoffzelle 2 vorgesehen
sein.
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Die
Brennstoffzelle 2 erhält eingangsseitig über
eine an die Anodenseite 4 angeschlossene Anodengasleitung 7 ein
durch das Brenngas gebildetes Anodengas. Ein Wasserstoffgas enthaltendes
Anodenabgas verlässt die Brennstoffzelle 2 ausgangsseitig über
eine Anodenabgasleitung 8, die ebenfalls an die Anodenseite 4 angeschlossen
ist. Des Weiteren erhält die Brennstoffzelle 2 eingangsseitig über eine
an die Kathoden seite 5 angeschlossene Kathodengasleitung 9 ein
durch das Oxidatorgas gebildetes Kathodengas. Ein Kathodenabgas
verlässt die Brennstoffzelle 2 ausgangsseitig über
eine Kathodenabgasleitung 10, die hierzu an die Kathodenseite 5 angeschlossen
ist.
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Das
Brennstoffzellensystem 1 ist zweckmäßig
mit einer Oxidatorversorgungseinrichtung 11 ausgestattet,
die zum Zuführen von Oxidatorgas, also insbesondere von
Luft, zu wenigstens einer Komponente des Brennstoffzellensystems 1 ausgestaltet
ist. Hierzu weist sie eine Versorgungsleitung 12 auf, in der
eine geeignete erste Fördereinrichtung 13, z.
B. eine Pumpe oder ein Gebläse, zum Antreiben des Oxidatorgases
angeordnet ist. Die Versorgungsleitung 12 kann an die jeweilige
mit Oxidatorgas zu versorgende Komponente des Brennstoffzellensystems 1 direkt
oder – wie hier – über einen entsprechenden Versorgungsleitungszweig
angeschlossen sein. Beim hier gezeigten Beispiel sind zwei derartige
Versorgungsleitungszweige vorgesehen, nämlich ein erster
Versorgungsleitungszweig 14 und ein zweiter Versorgungsleitungszweig 16.
Der erste Versorgungsleitungszweig 14 bildet die Kathodengasleitung 9 und
führt das Oxidatorgas der Brennstoffzelle 2 zu.
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Zur
gezielten Aufteilung des mit der Fördereinrichtung 13 geförderten
Oxidatorgases von der gemeinsamen Versorgungsleitung 12 auf
die einzelnen Versorgungsleitungszweige 14, 16 kann
eine Ventileinrichtung 20 vorgesehen sein, die über
eine entsprechende, hier nicht dargestellte Steuerung gezielt so
betätigbar ist, dass die jeweils erforderliche Oxi datorgasmenge
durch den jeweiligen Versorgungsleitungszweig 14, 16 förderbar
ist.
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Im
Beispiel ist eine weitere Versorgungsleitung 15 vorgesehen,
die im folgenden auch als dritter Versorgungsleitungszweig 15 bezeichnet
wird und die eine zweite Fördereinrichtung 43 enthält,
bei der es sich ebenfalls um eine Pumpe oder ein Gebläse handeln
kann. Grundsätzlich kann der dritte Versorgungsleitungszweig 15 auch
an die Ventileinrichtung 20 angeschlossen sein, so dass
auf die zweite Fördereinrichtung 43 verzichtet
werden kann.
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Der
Reformer 3 dient zum Erzeugen des Brenngases aus einem
flüssigen Kraftstoff und aus einem Oxidatorgas, vorzugsweise
Luft. Hierzu ist der Reformer 3 eingangsseitig an eine
Kraftstoffleitung 17 und an eine Oxidatorleitung 18 angeschlossen. Beim
Kraftstoff handelt es sich um einen atomaren Wasserstoff enthaltenden
flüssigen Kraftstoff, vorzugsweise um einen Kohlenwasserstoff.
Zweckmäßig kann dabei derjenige Kraftstoff verwendet
werden, der in einem mit dem Brennstoffzellensystem 1 ausgestatteten
Kraftfahrzeug ohnehin zum Betreiben einer Brennkraftmaschine 51 (2)
des Fahrzeugs vorhanden ist, also insbesondere Benzin, Diesel, Biodiesel
und synthetische Kraftstoffe. Die Oxidatorleitung 18 führt
dem Reformer 3 das Oxidatorgas zu und ist im gezeigten
Beispiel durch die weitere Versorgungsleitung 15 bzw. durch
den dritten Versorgungsleitungszweig 15 gebildet.
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Das
Brennstoffzellensystem 1 kann außerdem einen Restgasbrenner 21 aufweisen,
der zum Verbrennen von Anodenabgas mit Kathodenabgas ausgestaltet
ist. Hierzu ist der Restgasbrenner 21 eingangsseitig an
die Anodenabgasleitung 8 und an die Kathodenabgasleitung 10 angeschlossen.
Bevorzugt ist der Restgasbrenner 21 mit einem Brennraum 22 ausgestattet,
in dem eine Verbrennungsreaktion mit offener Flamme abläuft.
Grundsätzlich ist jedoch auch ein Restgasbrenner 21 denkbar,
der einen Oxidationskatalysator aufweist und mit katalytischer Verbrennung
arbeitet. Ausgangsseitig ist an den Restgasbrenner 21 eine
Abgasleitung 23 angeschlossen, über die ein durch
die Verbrennungsreaktion gebildetes Brennerabgas vom Restgasbrenner 21 abgeführt wird.
Optional kann an den Restgasbrenner 21 eine Kühlgasleitung 24 angeschlossen
sein, und zwar insbesondere kathodenseitig. Über die Kühlgasleitung 24 ist
bei Bedarf ein Kühlgas, vorzugsweise Luft, dem Restgasbrenner 21 zuführbar.
Im gezeigten Beispiel ist die Kühlgasleitung 24 durch
den zweiten Versorgungsleitungszweig 16 gebildet.
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Bei
der hier gezeigten, bevorzugten Ausführungsform dient die
Oxidatorversorgungseinrichtung 11 zur Versorgung der Brennstoffzelle 2 des
Reformers 3 und des Restgasbrenners 21 mit Oxidatorgas. Bei
einer anderen Ausführungsform kann die Oxidatorversorgungseinrichtung 11 auch
so ausgestaltet sein, dass sie nur eine dieser Komponenten 2, 3, 21 oder
nur zwei dieser Komponenten 2, 3, 21 mit
dem Oxidatorgas versorgt. Zur Versorgung der jeweils anderen Komponente
oder Komponen ten 2, 3, 21 kann dann zumindest
eine weitere Oxidatorversorgungseinrichtung vorgesehen sein.
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Das
Brennstoffzellensystem 1 kann des Weiteren zumindest einen
Wärmeübertrager aufweisen. Im gezeigten Beispiel
sind drei Wärmeübertrager vorgesehen, nämlich
ein Hauptwärmeübertrager 25, ein Rezirkulationswärmeübertrager 27 und
ein Hilfswärmeübertrager 28. Der Hauptwärmeübertrager 25 ist
einerseits in die Abgasleitung 23 und andererseits in die
Kathodengasleitung 9 bzw. in den ersten Versorgungsleitungszweig 14 eingebunden
und dient somit zur Übertragung von Wärme vom
Brennerabgas auf das Kathodengas. Der Rezirkulationswärmeübertrager 27 ist
einerseits in die Oxidatorgasleitung 18 bzw. in den dritten
Versorgungsleitungszweig 15 und andererseits in eine Rezirkulationsleitung 29 eingebunden.
Diese Rezirkulationsleitung 29 zweigt bei 30 von
der Anodenabgasleitung 8 ab und ist an die Eingangsseite
des Reformers 3 angeschlossen. Sie enthält stromab
des Rezirkulationswärmeübertragers 27 eine
Fördereinrichtung 31 zum Antreiben des rezirkulierten
Anodenabgases, bei der es sich beispielsweise um eine Pumpe, ein
Gebläse oder einen Kompressor handeln kann. Das Anodenabgas
kann je nach Betriebszustand der Brennstoffzelle 2 einen relativ
hohen Anteil an Wasserstoffgas enthalten und kann somit durch die
Rückführung in den Reformer 3 zur Steigerung
des Wirkungsgrads genutzt werden. Schließlich ist der Hilfswärmeübertrager 28 einerseits
in die Abgasleitung 23 und andererseits in eine Leitung 32 eingebunden,
die zu einem grundsätzlich beliebigen Wärmeverbraucher
führen kann. Insbesondere kann der Hilfswärmeü bertrager 28 über
die Leitung 32 in einen Kühlkreis einer Brennkraftmaschine
des mit dem Brennstoffzellensystem 1 ausgestatteten Kraftfahrzeugs
oder in einen Heizkreis oder eine Luftheizung zum Aufwärmen
eines Fahrzeuginnenraums des mit dem Brennstoffzellensystem 1 ausgestatteten
Fahrzeugs eingebunden sein. Der Hilfswärmeübertrager 28 ist
in der Abgasleitung 23 stromab des Hauptwärmeübertragers 25 angeordnet und
kann dem Brennerabgas zusätzliche Wärme entziehen.
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Brennstoffzelle 2,
Restgasbrenner 21, Hauptwärmeübertrager 25,
Rezirkulationswärmeübertrager 27 und
Hilfswärmeübertrager 28 bilden in den
gezeigten Beispielen jeweils separate Komponenten. Grundsätzlich
ist es jedoch möglich, zumindest zwei dieser Komponenten
baulich zu einer Einheit zu integrieren. Beispielsweise kann der
Restgasbrenner 21 in eine Ausgangsseite der Brennstoffzelle 2 integriert
werden. Zu sätzlich oder alternativ kann der Hauptwärmeübertrager 25 in
eine Ausgangsseite des Restgasbrenners 21 integriert werden.
Ebenso ist es möglich, zwei oder mehr Wärmeübertrager 25, 27, 28 zu
einer baulichen Einheit zu integrieren.
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Das
Brennstoffzellensystem 1 weist hier außerdem eine
thermisch isolierende Isolationshülle 33 auf,
die durch eine unterbrochene Linie angedeutet ist. Sie besteht aus
einem thermisch isolierenden Material. Im gezeigten Beispiel sind
von der Isolationshülle 33 die Brennstoffzelle 2,
der Reformer 3, der Restgasbrenner 21 und der
Hauptwärmeübertrager 25 umhüllt,
während der Rezirkulationswärmeübertrager 27 mit
der zugehörigen Fördereinrichtung 31 und
der Hilfswärmeü bertrager 28 sowie Teile
der Oxidatorversorgungseinrichtung 11 außerhalb
der Isolationshülle 33 angeordnet sind. Denkbar
ist auch eine Ausführungsform, bei der die Isolationshülle 33 aus mehreren
Teilhüllen besteht.
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Im
Bereich der mit den entsprechenden Anschlüssen versehenen
Eingangsseite des Reformers 3 ist die Kraftstoffleitung 17 direkt
an den Reformer 3 anschließbar; die Isolationshülle 33 kann
dort eine entsprechende Aussparung aufweisen. Auf diese Weise wird
vermieden, die Kraftstoffleitung 17 innerhalb der Isolationshülle 33 zu
verlegen.
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Der
Reformer 3 enthält einen Gemischbildungsabschnitt 34 und
einen Reaktorabschnitt 35. Im Gemischbildungsabschnitt 34 wird
ein möglichst homogenes Gemisch aus verdampftem Kraftstoff
und Oxidatorgas sowie ggf. rückgeführtem Anodenabgas gebildet.
Dieses Gemisch wird dem Reaktorabschnitt 35 zugeführt.
Im Reaktorabschnitt 35 erfolgt die Generierung des Reformatgases
oder Brenngases oder Anodengases. Der Reaktorabschnitt 35 arbeitet
beispielsweise mit partieller Oxidation und kann hierzu einen entsprechenden
Katalysator 57 enthalten. Zur Verdampfung des dem Reformer 3 in
flüssigem Zustand zugeführten Kraftstoffs, bei
dem es sich vorzugsweise um Benzin handelt, weist der Reformer 3 eine
Verdampfereinrichtung 36 auf, an welche die Kraftstoffleitung 17 angeschlossen
ist.
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Entsprechend 2 umfasst
eine derartige Verdampfereinrichtung 36 eine poröse
Verdampferstruktur 37, die so aus gestaltet ist, dass ein
darin eingebrachter flüssiger Kraftstoff leichter verdampft.
Insbesondere bewirkt die Verdampferstruktur 37, dass sich
darin eingeleiteter Kraftstoff, insbesondere aufgrund von Kapillarkräften,
im Volumen der Verdampferstruktur 37 ausbreitet und dadurch
seine für die Verdampfung bereitstehende Oberfläche
extrem vergrößert. Die Verdampferstruktur 37 kann
ein Vliesmaterial aufweisen oder dadurch gebildet sein. Ebenso kann
die Verdampferstruktur 37 einen Metallschaum oder einen
Keramikschaum oder ein Gewebe oder eine Matte aufweisen oder dadurch
gebildet sein.
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Der
Reformer 3 weist hier in seinem Gemischbildungsabschnitt
noch ein Zündorgan 60 sowie einen Temperatursensor 61 auf.
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Die
Kraftstoffleitung 17 bildet einen Bestandteil einer Kraftstoffversorgungseinrichtung 38,
die hier sowohl zur Versorgung des Reformers 3 mit Kraftstoff
als auch zur Versorgung der Brennkraftmaschine 51 mit Kraftstoff
dient. Die mit 17 bezeichnete Kraftstoffleitung 17 führt
von einem Kraftstofftank 39 zum Reformer 3 und
wird im Folgenden auch als Reformer-Kraftstoffleitung 17 bezeichnet.
Um den Kraftstoff durch die Reformer-Kraftstoffleitung 17 zum
Reformer 3 anzutreiben, ist eine Reformer-Fördereinrichtung 19 vorgesehen,
die im Kraftstofftank 39 angeordnet ist. Die Reformer-Kraftstoffleitung 17 ist
an die Druckseite der Reformer-Fördereinrichtung 19 angeschlossen.
Bei der Reformer-Fördereinrichtung 19 handelt
es sich bevorzugt um eine Kraftstoffpumpe.
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Die
Reformer-Kraftstoffleitung 17 ist zweckmäßig
so ausgestaltet, dass sie den flüssigen Kraftstoff unmittelbar
in die Verdampferstruktur 27 einbringt. Vorzugsweise endet
die Reformer-Kraftstoffleitung 17 hierzu unmittelbar an
oder in der Verdampferstruktur 37.
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Die
Kraftstoffversorgungseinrichtung 38 umfasst außerdem
ein Dosierventil 40, das in der Reformer-Kraftstoffleitung 17 angeordnet
ist. Das Dosierventil 40 ist so ausgestaltet, dass damit
ein durch die Reformer-Kraftstoffleitung 17 vom Dosierventil 40 zur Verdampferstruktur 37 fließender
Kraftstoffstrom einstellbar ist. Ferner umfasst die Kraftstoffversorgungseinrichtung 38 eine
Rückführleitung 41. Diese ist eingangsseitig
zwischen dem Kraftstofftank 39 und dem Dosierventil 40 an
die Reformer-Kraftstoffleitung 17 und ausgangsseitig an
den Kraftstofftank 39 angeschlossen. Eine Anschlussstelle
oder Verbindungsstelle zwischen der Reformer-Kraftstoffleitung 17 und der
Rückführleitung 41 ist hier mit 42 bezeichnet.
Optional kann zwischen dem Dosierventil 40 und der Verbindungsstelle 42 ein
Sperrventil 26 in der Reformer-Kraftstoffleitung 17 angeordnet
sein, mit dem die Reformer-Kraftstoffleitung 17 gesperrt
und das Dosierventil 40 entlastet werden kann.
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In
der Rückführleitung 41 ist vorzugsweise ein
Druckhalteventil 47 angeordnet, das so ausgestaltet ist,
dass damit ein vorbestimmter oder ein vorbestimmbarer Druck im Kraftstoff
stromauf des Druckhalteventils 47 einstellbar ist. Stromauf
des Druckhalteventils 47 kann ein Drucksensor 48 an die Rückführleitung 41 angeschlossen
sein, um den vom Druckhalteventil 47 eingestellten Druck
im Kraftstoff stromauf des Druckhalteventils 47 zu messen.
Insbesondere kann in Verbindung mit einem einstellbaren Druckhalteventil 47 ein
geschlossener Regelkreis zum Einstellen eines gewünschten
Drucks realisiert werden. Ein entsprechendes Stellglied zum Einstellen
des Druckhalteventils 47 ist mit 55 bezeichnet. Das
Stellglied 55 ist ausgangsseitig mit dem Druckhalteventil 47 und
eingangsseitig mit dem Drucksensor 48 und/oder mit einem
optional vorgesehenen Temperatursensor 56 verbunden.
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Bei
der hier gezeigten bevorzugten Ausführungsform ist optional
zwischen der Reformer-Fördereinrichtung 19 und
der Anschlussstelle 42 der Rückführleitung 41 ein
Rückschlagsperrventil 49 in der Reformer-Kraftstoffleitung 17 angeordnet.
Das Rückschlagsperrventil 49 sperrt in Richtung
zur Reformer-Fördereinrichtung 19. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
weist die Reformer-Fördereinrichtung 19 eine Zahnradpumpe
auf oder ist durch eine Zahnradpumpe gebildet.
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Die
Kraftstoffversorgungseinrichtung 38 kann außerdem
mit wenigstens einem Schwingungsdämpfer 50 ausgestattet
sein, der so ausgestaltet ist, dass er Druckschwingungen im Kraftstoff
bedämpfen kann. Exemplarisch ist ein solcher Schwingungsdämpfer 50 hier
in der Rückführleitung 41 stromauf des
Druckhalteventils 47 angeordnet. Grundsätzlich kann
ein derartiger Schwingungsdämpfer 50 zusätzlich
oder alternativ in der Reformer-Kraftstoffleitung 17 angeordnet
sein, und zwar stromauf des Dosierventils 40.
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Die
Kraftversorgungseinrichtung 38 arbeitet wie folgt:
Bei
eingeschalteter Verdampfereinrichtung 36 ist die Reformer-Fördereinrichtung 19 in
Betrieb, so dass diese Kraftstoff aus dem Kraftstofftank 39 ansaugt und
in der Reformer-Kraftstoffleitung 17 fördert.
Bei einer besonders einfachen Ausführungsform besitzt die
Reformer-Fördereinrichtung 19 nur eine einzige Betriebsstufe,
in der sie zumindest so viel Kraftstoff fördert, wie der
Reformer 3 bei maximaler Leistung benötigt. In
Abhängigkeit eines aktuellen Kraftstoffbedarfs des Reformers 3 wird
das Dosierventil 40 betätigt, um einen dem aktuellen
Kraftstoffbedarf entsprechenden Kraftstoffstrom einzustellen. Der
vom Dosierventil 40 eingestellte Kraftstoffstrom gelangt über
die Reformer-Kraftstoffleitung 17 in flüssigem Zustand
in die Verdampferstruktur 37 und kann dort im Gemischbildungsabschnitt 34 des
Reformers 3 verdampfen und sich mit dem Oxidatorgas sowie
ggf. mit dem rückgeführten Anodenabgas vermischen. Sofern
der vom Dosierventil 40 eingestellte, dem Reformer 3 bzw.
der Verdampferstruktur 37 zugeführte Kraftstoffstrom
kleiner ist als die Fördermenge der Reformer-Fördereinrichtung 19,
wird die Differenz über die Rückführleitung 41 in
den Tank 39 zurückgeführt. Das Druckhalteventil 47 sorgt
dafür, dass die Reformer-Fördereinrichtung 19 stromauf
des Dosierventils 40 im Kraftstoff einen für eine
ordnungsgemäße Dosierung oder Zumessung der jeweils
gewünschten Kraftstoffmenge vorbe stimmter Druck erzeugt.
Durch das Vermeiden von Blasen im Kraftstoff kann die Reformer-Fördereinrichtung 19,
insbesondere wenn es sich dabei um eine Zahnradpumpe handelt, zuverlässig
arbeiten, um den gewünschten Druck im Kraftstoff und die
gewünschte Fördermenge bereitzustellen. Dies führt
zu einer verbesserten Verdampfung und Gemischbildung.
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Im
Verlauf einer Startprozedur zum Hochfahren des Reformers 3 und/oder
des Brennstoffzellensystems 1 kann der Reformer 3 zunächst überstöchiometrisch,
also quasi als Brenner betrieben werden, um den Katalysator 57 auf
dessen Aktivierungstemperatur aufzuheizen. Hierbei dient das Zündorgan 60,
z. B. ein Glühstift oder eine Zündkerze, zum Initiieren
des Verbrennungsvorgangs. Anschließend wird der Reformer 3 unterstöchiometrisch
betrieben, um Reformatgas zu erzeugen. Mit dem Temperatursensor 61 kann
der Zeitpunkt bzw. die Temperatur zum Wechseln vom Brennerbetrieb
zum Reformerbetrieb überwacht werden.
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Zur
Vermeidung einer Blasenbildung im Kraftstoff ist die Reformer-Fördereinrichtung 19 unmittelbar
im Kraftstofftank 39 angeordnet und druckseitig an den
Anfang der Reformer-Kraftstoffleitung 17 angeschlossen.
Zusätzlich kann im Kraftstofftank 39 ein Reformer-Schwalltopf 44 vorgesehen
sein, der mit dem Kraftstofftank 39 kommunizierend verbunden
ist. Das bedeutet, dass aus dem Tank 39 Kraftstoff in den
Reformer-Schwalltopf 44 überströmen kann.
Dargestellt ist in 2 eine besonders einfache Ausführungsform,
bei welcher der Reformer-Schwalltopf 44 durch einen oben
offenen Behäl ter gebildet ist, so dass bei einem hinreichenden
Pegelstand im Tank 39 Kraftstoff in diesen Behälter
gelangt.
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Bei
der in 2 gezeigten bevorzugten Ausführungsform
ist im Kraftstofftank 39 außerdem eine Motor-Fördereinrichtung 45 angeordnet,
die über eine Motor-Kraftstoffleitung 46 den Motor
bzw. die Brennkraftmaschine 51 mit Kraftstoff versorgt.
Bei der Motor-Fördereinrichtung 45 handelt es
sich bevorzugt jedenfalls um eine Pumpe. Die beiden Kraftstoff-Fördereinrichtungen 19, 45 sind
somit im gleichen Kraftstofftank 39 angeordnet. Auch für
die Versorgung der Brennkraftmaschine 51 mit Kraftstoff
ist eine Rücklaufleitung 52 vorgesehen, die nicht
benötigten Kraftstoff zum Tank 39 zurückführt.
Alternativ kann zur Versorgung des Reformers 3 und der Brennkraftmaschine 51 eine
gemeinsame Fördereinrichtung vorgesehen sein, die sowohl
die Reformer-Kraftstoffleitung 17 als auch die Motor-Kraftstoffleitung 46 speist.
In der Motor-Kraftstoffleitung 46 bzw. in der zugehörigen
Rücklaufleitung 52 können entsprechende
Komponenten, wie sie die Kraftstoffversorgungseinrichtung 38 aufweist,
angeordnet sein, also beispielsweise ein Rückschlagsperrventil, ein
Sperrventil, ein Dosierventil, ein Schwingungsdämpfer,
ein Drucksensor, ein Temperatursensor sowie ein Druckhalteventil,
wobei die beispielhaft genannten Komponenten einzeln oder in beliebiger Kombination
auftreten können.
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Der
Kraftstofftank 39 weist im hier gezeigten Beispiel außerdem
einen Motorschwalltopf 53 auf, der mit dem Kraftstofftank 39 kommunizierend
verbunden ist und in dem die Mo tor-Fördereinrichtung 45 angeordnet
ist. Der jeweilige Schwalltopf 44, 53 kann als
separates Bauteil ausgestaltet sein und auf geeignete Weise in den
Tank 39 eingebaut sein. Ebenso ist es möglich,
zumindest einen der Schwalltöpfe 44, 53 integral
am Boden 54 des Tanks 39 auszubilden. Insbesondere
kann der Motor-Schwalltopf 53 durch eine Vertiefung im
Boden 54 gebildet sein. Bemerkenswert ist die hier gezeigte,
besondere Ausführungform, bei welcher die beiden Schwalltöpfe 44, 53 so
aufeinander abgestimmt sind, dass der Reformer-Schwalltopf 44 bei
sinkendem Pegelstand im Tank 39 ab einem vorbestimmten
Schwellwert vom Tankinhalt entkoppelt ist, also nicht mehr aus dem Kraftstofftank 39 nachgefüllt
wird. Hierdurch werden die einzelnen Kraftstoffverbraucher, nämlich
die Brennkraftmaschine 51 und der Reformer 3 priorisiert.
Wenn die Kraftstoffversorgung des Reformers 3 bei abnehmendem
Kraftstoffpegel im Tank 39 dem genannten Schwellwert vom übrigen
Kraftstoffvolumen des Tanks 39 entkoppelt ist, bleibt die
Verbindung des Motor-Schwalltopfs 53 zum Kraftstoffvolumen
des Tanks 39 erhalten, so dass dieser weiterhin mit Kraftstoff
versorgt wird. In 2 ist ein Zustand dargestellt,
bei dem der Reformer-Schwalltopf 44 bereits vom Kraftstoffvolumen
des Tanks 39 entkoppelt ist, da dessen Pegel bereits unterhalb
der obenliegenden Einlassöffnung des Reformer-Schwalltopfs 44 liegt.
Im Unterschied dazu ist der Kraftstoffpegel im Tank 39 noch
oberhalb der Einlassöffnung des Motor-Schwalltopfs 53.
Bei einer im Boden 54 versenkten Anordnung des Motorschwalltopfs 53 befindet
sich die Öffnung des Motorschwalltopfs 53 an der tiefsten
Stelle des Bodens 54.
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Zur Überwachung
des Kraftstoffpegels im Kraftstofftank 39 kann eine Füllstandsmesseinrichtung 58 vorgesehen
sein. Zusätzlich oder alternativ kann dem Reformer-Schwalltopf 44 eine
Füllstandsmesseinrichtung 59 zugeordnet sein,
die insbesondere ein ordnungsgemäßes Herunterfahren
des Reformers 3 bzw. des Brennstoffzellensystems 1 ermöglicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10020089
A1 [0004]
- - DE 10217675 A1 [0005]