DE102008005838B4

DE102008005838B4 - Kraftfahrzeug mit Reformer

Info

Publication number: DE102008005838B4
Application number: DE102008005838.6A
Authority: DE
Inventors: Andreas Kaupert
Original assignee: Eberspaecher Climate Control Systems GmbH and Co KG
Current assignee: Eberspaecher Climate Control Systems GmbH and Co KG
Priority date: 2008-01-24
Filing date: 2008-01-24
Publication date: 2014-07-10
Anticipated expiration: 2028-01-25
Also published as: DE102008005838A1

Abstract

Kraftfahrzeug, – mit einer Brennkraftmaschine (51), – mit einem Reformer (3) zum Generieren eines Wasserstoffgas enthaltenden Reformatgases, – mit einem Kraftstofftank (39) zur Bevorratung eines flüssigen Kraftstoffs, – mit einer vom Kraftstofftank (39) zum Reformer (3) führenden Reformer-Kraftstoffleitung (17), – mit einer Reformer-Fördereinrichtung (19) zum Antreiben des Kraftstoffs zum Reformer (3), – wobei die Reformer-Fördereinrichtung (19) im Kraftstofftank (39) angeordnet und an die Reformer-Kraftstoffleitung (17) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, – dass im Kraftstofftank (39) ein mit dem Kraftstofftank (39) kommunizierend verbundener Reformer-Schwalltopf (44) vorgesehen ist, in dem die Reformer-Fördereinrichtung (19) angeordnet ist, – dass im Kraftstofftank (39) außerdem eine Motor-Fördereinrichtung (45) zum Antreiben des Kraftstoff zur Brennkraftmaschine (51) angeordnet ist, an die eine zur Brennkraftmaschine (51) führende Motor-Kraftstoffleitung (46) angeschlossen ist, – dass im Kraftstofftank (39) ein mit dem Kraftstofftank (39) kommunizierend verbundener Motor-Schwalltopf (53) vorgesehen ist, in dem die Motorfördereinrichtung (45) angeordnet ist, – dass die beiden Schwalltöpfe (44, 53) so aufeinander abgestimmt sind, dass bei abnehmendem Kraftstofffüllstand die kommunizierende Verbindung zwischen dem Reformer-Schwalltopf (44) und dem Kraftstofftank (39) ab einem vorbestimmten Schwellwert unterbrochen wird, während die kommunizierende Verbindung zwischen dem Motor-Schwalltopf (53) und dem Kraftstofftank (39) weiterhin bestehen bleibt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Personenkraftwagen, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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.
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.
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.
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.
Aus der WO 2005/005027 A1 ist ein Kraftfahrzeug bekannt, umfassend eine Brennkraftmaschine, einen Reformer zum Generieren eines Wasserstoffgas enthaltenden Reformatgases, einen Kraftstofftank zur Bevorratung eines flüssigen Kraftstoffs, eine vom Kraftstofftank zum Reformer führende Reformer-Kraftstoffleitung und eine Reformer-Fördereinrichtung zum Antreiben des Kraftstoffs zum Reformer, wobei die Reformer-Fördereinrichtung im Kraftstofftank angeordnet und an die Reformer-Kraftstoffleitung angeschlossen ist.
Aus der DE 103 27 320 A1 ist es für eine Kraftstoffversorgung einer Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug bekannt, eine Kraftstoffpumpe in einem Schwalltopf innerhalb eines Kraftstofftanks anzuordnen.
Aus der DE 101 61 403 A1 ist es bekannt, in einem Kraftstofftank zur Kraftstoffversorgung einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs zwei Schwalltöpfe anzuordnen, die über ein Verbindungselement miteinander verbunden sind.
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.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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.
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.
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.
Bei der Erfindung ist im Kraftstofftank außerdem eine Motor-Fördereinrichtung vorgesehen, 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.
Erfindungsgemäß ist die Reformer-Fördereinrichtung in einem Reformer-Schwalltopf angeordnet, der hierzu im Kraftstofftank vorgesehen ist. Auf entsprechende Weise ist auch ein Motor-Schwalltopf im Kraftstofftank vorgesehen, in dem die Motor-Fördereinrichtung angeordnet ist. Die beiden Schwalltöpfe sind nun erfindungsgemäß so aufeinander abgestimmt, 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.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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.
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.
Es zeigen, jeweils schematisch,
1 ein Brennstoffzellensystem mit einem Reformer in einem Kraftfahrzeug,
2 eine Detailansicht des Brennstoffzellensystems im Bereich des Reformers.
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 enthaltenden 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.
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 Kathodenseite 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.
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.
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 Oxidatorgasmenge durch den jeweiligen Versorgungsleitungszweig 14, 16 förderbar ist.
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.
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.
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.
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 Komponenten 2, 3, 21 kann dann zumindest eine weitere Oxidatorversorgungseinrichtung vorgesehen sein.
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 Hilfswärmeübertrager 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.
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. Zusätzlich 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.
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 Hilfswärmeübertrager 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.
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.
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.
Entsprechend 2 umfasst eine derartige Verdampfereinrichtung 36 eine poröse Verdampferstruktur 37, die so ausgestaltet 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.
Der Reformer 3 weist hier in seinem Gemischbildungsabschnitt noch ein Zündorgan 60 sowie einen Temperatursensor 61 auf.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 vorbestimmter 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.
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.
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 Behälter gebildet ist, so dass bei einem hinreichenden Pegelstand im Tank 39 Kraftstoff in diesen Behälter gelangt.
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.
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 Motor-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.
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.

Claims

Kraftfahrzeug, – mit einer Brennkraftmaschine (51), – mit einem Reformer (3) zum Generieren eines Wasserstoffgas enthaltenden Reformatgases, – mit einem Kraftstofftank (39) zur Bevorratung eines flüssigen Kraftstoffs, – mit einer vom Kraftstofftank (39) zum Reformer (3) führenden Reformer-Kraftstoffleitung (17), – mit einer Reformer-Fördereinrichtung (19) zum Antreiben des Kraftstoffs zum Reformer (3), – wobei die Reformer-Fördereinrichtung (19) im Kraftstofftank (39) angeordnet und an die Reformer-Kraftstoffleitung (17) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, – dass im Kraftstofftank (39) ein mit dem Kraftstofftank (39) kommunizierend verbundener Reformer-Schwalltopf (44) vorgesehen ist, in dem die Reformer-Fördereinrichtung (19) angeordnet ist, – dass im Kraftstofftank (39) außerdem eine Motor-Fördereinrichtung (45) zum Antreiben des Kraftstoff zur Brennkraftmaschine (51) angeordnet ist, an die eine zur Brennkraftmaschine (51) führende Motor-Kraftstoffleitung (46) angeschlossen ist, – dass im Kraftstofftank (39) ein mit dem Kraftstofftank (39) kommunizierend verbundener Motor-Schwalltopf (53) vorgesehen ist, in dem die Motorfördereinrichtung (45) angeordnet ist, – dass die beiden Schwalltöpfe (44, 53) so aufeinander abgestimmt sind, dass bei abnehmendem Kraftstofffüllstand die kommunizierende Verbindung zwischen dem Reformer-Schwalltopf (44) und dem Kraftstofftank (39) ab einem vorbestimmten Schwellwert unterbrochen wird, während die kommunizierende Verbindung zwischen dem Motor-Schwalltopf (53) und dem Kraftstofftank (39) weiterhin bestehen bleibt.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Brennstoffzellensystem (1) vorgesehen ist, das den Reformer (3) und wenigstens eine Brennstoffzelle (2) zum Generieren von elektrischem Strom unter Verwendung des vom Reformer (3) generierten Reformatgases aufweist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformer (3) eine Verdampfereinrichtung (36) zum Verdampfen des flüssigen Kraftstoffs aufweist.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Reformer-Kraftstoffleitung (17) ein Dosierventil (40) angeordnet ist.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckhalteventil (47) vorgesehen ist, das insbesondere in einer von der Reformer-Kraftstoffleitung (17) zum Kraftstofftank (39) zurück führenden Rückführleitung (41) angeordnet sein kann.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Reformer-Kraftstoffleitung (17) ein Rückschlagsperrventil (49) und/oder ein Sperrventil (26) angeordnet ist/sind.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drucksensor (48) und/oder ein Temperatursensor (56) vorgesehen ist/sind, der/die in einer von der Reformer-Kraftstoffleitung (17) zum Kraftstofftank (39) zurück führenden Rückführleitung (41) angeordnet sein kann/können.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Füllstandsmesseinrichtung (58, 59) vorgesehen ist, die insbesondere dem Kraftstofftank (39) und/oder dem Reformer-Schwalltopf (44) zugeordnet sein kann.