DE10212081A1

DE10212081A1 - Vorrichtung zur Zufuhr von Edukten in einen Reaktionsraum

Info

Publication number: DE10212081A1
Application number: DE10212081A
Authority: DE
Inventors: Stefan Joos; Norbert Wiesheu
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2002-03-19
Filing date: 2002-03-19
Publication date: 2003-10-09
Also published as: WO2003078046A1

Abstract

Eine Vorrichtung dient zur Zufuhr von Edukten in einen Reaktionsraum, wobei zumindest eines der Edukte ein heißer Gasstrom und wenigstens ein anderes der Edukte eine darin zu verdampfende Flüssigkeit ist. Die Vorrichtung weist wenigstens eine Einrichtung zum Einbringen der Flüssigkeit in den heißen Gasstrom auf. DOLLAR A Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung des weiteren die folgenden Merkmale auf: DOLLAR A - eine sich an die wenigstens eine Einrichtung zum Einbringen der Flüssigkeit in den heißen Gasstrom anschließende, von dem Gemisch der Edukte durchströmte Leitungslänge zum Erzeugen einer turbulenten Strömung; DOLLAR A - eine sich daran anschließende Leitungslänge zum Ausrichten der Strömung. DOLLAR A Die bevorzugte Verwendung einer derartigen Vorrichtung kann beispielsweise in der Dosierung und Verdampfung von flüssigen kohlenwasserstoffhaltigen Verbindungen für einen autothermen Reformer gesehen werden, welcher wasserstoffreiches Gas z. B. für eine Brennstoffzellen-APU bereitstellt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zufuhr von Edukten in einen Reaktionsraum, wobei zumindest eines der Edukte ein heißer Gasstrom und wenigstens ein anderes der Edukte eine darin zu verdampfende Flüssigkeit ist, mit wenigstens einer Einrichtung zum Einbringen der Flüssigkeit in den heißen Gasstrom.

Aus der US 6,126,908 ist eine Vorrichtung zur Umwandlung eines kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffs oder eines Alkohols in wasserstoffreiches Gas und Kohlendioxid bekannt. Dazu wird Luft oder ein anderes sauerstoffhaltiges Gas über einen Wärmetauscher entlang einer Reaktionszone, in welcher eine exotherme Reaktion stattfindet, geleitet. Kurz vor dem Erreichen einer vor der Reaktionszone angeordneten Mischzone erfolgt die Zugabe des Brennstoffs oder des Alkohols in den so erzeugten heißen Luftstrom. Das Gemisch aus flüssigem Brennstoff und heißer Luft gelangt dann in die vergleichsweise große, leere Mischzone, ehe es in den Bereich der Reaktionszone strömt, in welcher ein katalytisch aktives Material angeordnet ist.

Der durch die oben genannte US-Schrift beschriebene Aufbau weist den Nachteil auf, dass die Vermischung des heißen Luftstroms mit dem flüssigen Treibstoff unkontrolliert und nicht reproduzierbar in der Mischzone erfolgt, wodurch die Anströmung des Katalysators mit dem Gemisch inhomogen ist. Zusätzlich zu dieser inhomogenen Anströmung des Katalysators können gegebenenfalls noch Tröpfchen des flüssigen Treibstoffs in dem Gemisch enthalten sein, welche die Umsetzung des Gemischs an dem Katalysator behindern und/oder diesen Katalysator durch eine Belegung mit Flüssigkeit in seiner Aktivität hemmen. Um dennoch eine befriedigende Funktionsweise der katalytischen Umsetzung zu erreichen, muß die Mischzone vergleichsweise groß gewählt werden. Ebenso muß die Reaktionszone mit dem katalytisch aktiven Material ausreichend groß gewählt werden, so dass das Gemisch beim Verlassen der Reaktionszone in ausreichendem Maße umgesetzt ist. Durch die große Reaktionszone ergibt sich neben dem Nachteil des hohen Bedarfs an Bauraum außerdem der Nachteil, dass vergleichsweise hohe Mengen an Katalysator benötigt werden. Da das eingesetzte Material für den Katalysator im allgemeinen Edelmetalle aufweist, werden durch den oben beschriebenen Aufbau also entsprechend hohe Kosten anfallen.

Eine Alternative hierzu ist durch die DE 199 29 945 C1 beschrieben. Das dort angegebene Reaktantzufuhrsystem zur Zufuhr von Einsatzstoffen zur chemischen Umsetzung in einen Reaktionsraum beinhaltet Düsenmittel zur Zufuhr der Einsatzstoffe in den Reaktionsraum. Diese Düsenmittel sind als eine am Eintritt in den Reaktionsraum angeordnete Mischdüse ausgebildet, welche Einlasskanäle für wenigstens zwei der Einsatzstoffe aufweist. Die über die Einlasskanäle getrennt zugeführten Einsatzstoffe werden in der Mischdüse vermischt und treten dann als "fertiges" Gemisch in den Reaktionsraum ein. Die konkrete Ausgestaltung dieser Mischdüsen sieht eine in der Art einer Venturi-Düse ausgebildete Querschnittsverengung in einem Gasstrom vor, wobei in den Bereich dieser Querschnittsverengung die oben bereits genannten Einlasskanäle münden, so dass mit Hilfe des sich ausbildenden Unterdrucks eine Zerstäubung von flüssigen Einsatzstoffen in einem gasförmigen Einsatzstoff, der durch die Venturi-Düse strömt, stattfinden kann.

Durch diesen Aufbau lässt sich die Vermischung der Einsatzstoffe und die Zerstäubung von flüssig eingebrachten Einsatzstoffen optimieren, so dass die Bereitstellung der Einsatzstoffe für den Reaktionsraum verbessert wird. Je nach Druckverhältnissen im Bereich der Mischdüse kann dabei eine feine Zerstäubung realisiert werden, so dass sowohl die Verteilung der Flüssigkeit als auch das Verdampfen der Flüssigkeit verbessert werden kann.

Bei einem derartigen Aufbau erkauft man sich die gute Funktionsweise jedoch durch den Nachteil eines relativ hohen Energieeinsatzes, da für eine gute Zerstäubung vergleichsweise hohe Drücke vonnöten sind.

Ausgehend von diesen Problemen ist es die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Zufuhr von Edukten in einen Reaktionsraum zu schaffen, wobei zumindest eines der Edukte ein heißer Gasstrom und wenigstens ein anderes der Edukte eine darin zu verdampfende Flüssigkeit ist, wobei die Vorrichtung bei minimalem Einsatz an Energie eine sehr gute Verdampfung und Verteilung der Flüssigkeit in dem heißen Gasstrom sicherstellen soll, und wobei die Vorrichtung eine für die Funktionsweise des Reaktionsraums optimierte Einströmung der Edukte in denselben ermöglichen soll.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung gelöst, welche eine sich an die wenigstens eine Einrichtung zum Einbringen der Flüssigkeit in den heißen Gasstrom anschließende, von dem Gemisch der Edukte durchströmte Leitungslänge zum Erzeugen einer turbulenten Strömung und eine sich daran anschließende Leitungslänge zum Ausrichten der Strömung aufweist.

Durch die erfindungsgemäße Leitungslänge zum Erzeugen einer turbulenten Strömung nach der Einrichtung zum Einbringung der Flüssigkeit in den heißen Gasstrom wird einerseits eine sehr gute Mischung der eingebrachten Edukte erreicht, andererseits wird durch die turbulente Strömung ein sehr effizienter Wärmeübergang von dem heißen Gasstrom auf die Flüssigkeit erreicht, so dass diese in idealer Weise verdampft und gegebenenfalls auch überhitzt werden kann. Dabei wird durch die Leitungslänge selbst eine ausreichende Verweilzeit des Gemischs im Bereich der turbulenten Strömung ermöglicht.

An diesen Bereich mit der turbulenten Strömung schließt sich dann gemäß der Erfindung eine weitere Leitungslänge an, welche zum Ausrichten der Strömung dient. Mit dieser Leitungslänge wird die Strömung homogenisiert und durch die vorgegebene Form der Leitung gezielt ausgerichtet, so dass das Gemisch der Edukte ideal in den Bereich des Reaktionsraums einströmen kann. Als sehr vorteilhafter Nebeneffekt ergibt sich daraus die Möglichkeit, den Reaktionsraum vergleichsweise klein, was hier gleichbedeutend mit einer kurzen zu durchströmenden Länge des Reaktionsraumes ist, auszuführen, da durch die Ausrichtung der Strömung eine optimale Anströmung und damit eine schnellstmöglicher Umsatz der Edukte innerhalb einer sehr kleinen Verweilzeit gewährleistet ist. Neben den offensichtlichen Vorteilen hinsichtlich der Einsparung an Bauraum und an Katalysatormaterial ergibt sich außerdem ein energetischer Vorteil, da die Durchströmung von Katalysatoren immer Druckverluste erzeugt, welche mit einer Verkürzung der Länge des zu durchströmenden Katalysators ebenfalls sinken.

Gemäß einer sehr günstigen Weiterbildung der Vorrichtung zur Zufuhr der Edukte in den Reaktionsraum ist die Leitungslänge zum Erzeugen der turbulenten Strömung dabei so ausgebildet, dass sie häufige Veränderungen der Strömungsrichtung der in ihr strömenden Edukte erzwingt.

Durch diese besonders günstige Ausgestaltung kann in vorteilhafter Weise eine vergleichsweise hohe Turbulenz erreicht werden, ohne dass ein großer Strömungsdruckverlust in den Edukten erzeugt wird.

Gemäß einer sehr günstigen Weiterbildung dieser Ausführungsform der Erfindung ist die Leitungslänge zum Erzeugung der turbulenten Strömung als Rohrwendel ausgebildet.

Diese Verwendung einer Rohrwendel gestattet eine andauernd stattfindende Veränderung der Strömungsrichtung der in ihr strömenden Edukte, wodurch eine ausreichend turbulente Strömung zum Erzielen der oben bereits beschriebenen Effekte und Vorteile erzeugt wird. Die Rohrwendel weist darüber hinaus einen relativ kleinen Druckverlust auf und lässt sich auch bei relativ großer Leitungslänge in einem vergleichsweise geringen Bauraum unterbringen, so dass die erfindungsgemäße Vorrichtung, wenn sie gemäß der hier beschriebenen Weiterbildung mit der Rohrwendel ausgeführt wird, hinsichtlich der Druckverluste und hinsichtlich des Bauraums optimiert werden kann.

Um die bestmögliche Anströmung des Reaktionsraums mit den Edukten zu gewährleisten ist gemäß einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Hauptachse der Leitungslänge zum Ausrichten der Strömung wenigstens annähernd parallel zu der Richtung der hauptsächlichen Durchströmung des Reaktionsraums ausgebildet.

Damit kann eine gleichmäßige Anströmung des Reaktionsraums erreicht werden, so dass dieser einerseits sehr effektiv genutzt und andererseits hinsichtlich seines Bauraums minimiert werden kann. Die sich aus einer derartigen Optimierung des Bauraums des Reaktionsraums grundsätzlich ergebenden Vorteile sind bereits oben erwähnt. Durch die hier dargestellten Maßnahmen zur Weiterbildung der Erfindung werden diese Vorteile, welche einerseits im minimierten Bauraum der gesamten Vorrichtung und andererseits im minimierten Bauraum des Reaktionsraums zu sehen sind noch intensiver genutzt. Der Einsatz an katalytisch aktivem Material kann ebenso wie der Bauraum und die Druckverluste noch weiter verringert werden.

Die Leitungslänge zum Ausrichten der Strömung ist gemäß einer sehr günstigen Weiterbildung der Erfindung als wenigstens annähernd gerades Rohrstück ausgebildet.

Dadurch kann die aus der Rohrwendel kommende Strömung ausgerichtet werden, so dass der nachfolgende Reaktionsraum sehr gut und gleichmäßig angeströmt werden kann.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der oben genannten Erfindung ist die wenigstens eine Einrichtung zum Einbringen der Flüssigkeit in den heißen Gasstrom als in den Gasstrom ragende Kapillare ausgebildet.

Die bis in den Gasstrom ragende Kapillare erlaubt mit minimalem Aufwand an Bauteilen und insbesondere an für die Dosierung erforderlicher Energie, eine Dosierung der Flüssigkeit in den heißen Gasstrom. Die aufgrund der fehlenden hohen Druckdifferenz zwischen der Flüssigkeit und dem Gasstrom nicht so optimal zu realisierende Zerstäubung spielt aufgrund der beiden der Einrichtung zum Einbringen der Flüssigkeit in den Gasstrom nachgeschalteten erfindungsgemäßen Leitungslängen eine vergleichsweise untergeordnete Rolle, so dass die Kapillare als Einrichtung zum Einbringen der Flüssigkeit in den heißen Gasstrom zur Minimierung der zum Betreiben der Vorrichtung erforderlichen Energie entscheidend beiträgt.

Gemäß einer sehr günstigen Ausgestaltung der oben angegebenen Erfindung ist der Reaktionsraum als autothermer Reformierungsreaktor - nachfolgend als Reformer bezeichnet - zur Bereitstellung eines wasserstoffhaltigen Gases ausgebildet.

Speziell für einen derartigen Reformer spielt die Dosierung von in einem heißen Gasstrom zu verdampfender Flüssigkeit eine sehr große Rolle, da hier nur bei sehr gut verdampften und durchmischten Edukten die ideale Funktionsweise des Reformers realisiert werden kann. Da hier kleinste Schwankungen, welche sich durch die Dosierung ergeben können, bereits gravierende Auswirkungen auf die Qualität und die Inhaltsstoffe des wasserstoffhaltigen Reformats haben, beispielsweise auf den Gehalt an Kohlenmonoxid, kann der Betrieb eines derartigen Reformers durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Zufuhr der Edukte entscheidend verbessert werden.

Des weiteren sieht die hier dargestellte Erfindung gemäß einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem System zum Erzeugen eines wasserstoffhaltigen Gases für wenigstens eine Brennstoffzelle, bevorzugt für die Brennstoffzelle eines Hilfsenergieerzeugers (Auxiliary Power Unit/APU), vor.

Vor allem bei derartigen Gaserzeugungssystemen spielt die zuverlässige, reproduzierbare und sichere Betriebsweise der Komponenten, welche im Falle des Reformers durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Dosierung der Edukte erzielt werden kann, eine wichtige Rolle. Bei zuverlässig arbeitenden Systemkomponenten, wie beispielsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung, kann hier eine sichere Betriebsweise erreicht werden, ohne dass ein hoher Aufwand hinsichtlich der Überwachung, Steuerung und Regelung des Systems betrieben werden muß. Des weiteren erschließen sich aus der erfindungsgemäßen Vorrichtung für den bevorzugten erfindungsgemäßen Einsatzzweck, nämlich die APU, weitere Vorteile, welche sich überwiegend durch den mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung einzusparenden Bauraum ergeben, da gerade derartige Anwendungen häufig in mobilen Systemen, wie beispielsweise Fahrzeugen, Schiffen, Flugzeugen oder dergleichen, eingesetzt werden, in denen Einsparungen an Gewicht und Bauraum mit entsprechenden Vorteilen in den Bereichen Komfort, Wirkungsgradoptimierung und dergleichen korrespondieren.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen und aus dem anhand der Zeichnung nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispiel.
Es zeigt:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Zufuhr von Edukten in einen Reaktionsraum;
Fig. 2 eine erste Ausführungsform einer Einrichtung zum Einbringen einer Flüssigkeit in einen Gasstrom;
Fig. 3 eine zweite Ausführungsform der Einrichtung zum Einbringen der Flüssigkeit in den Gasstrom;
Fig. 4 eine Leitungslänge zum Ausrichten der Strömung mit Einbauten als Strömungsgleichrichter; und
Fig. 5 eine Leitungslänge zum Ausrichten der Strömung mit den Einbauten als Strömungsgleichrichter in einer alternativen Ausführungsform.
Das nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiel zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Zufuhr von Edukten in einen Reaktionsraum 2 am Beispiel der Zufuhr von heißer Luft und flüssigen kohlenwasserstoffhaltigen Verbindungen in einen autothermen Reformer zur Erzeugung eines wasserstoffreichen Gases, welches anschließend nach dem Durchströmen von geeigneten Gasreinigungseinrichtungen zum Betreiben einer Brennstoffzelle eingesetzt werden soll. Dabei soll die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 jedoch nicht auf den im Ausführungsbeispiel dargestellten Anwendungsfall eingeschränkt sein.
In Fig. 1 ist die Vorrichtung 1 zur Zufuhr von Edukten A, B in den Reaktionsraum 2 in einem Längsschnitt dargestellt. Die Vorrichtung 1 besteht, neben der in Fig. 1 nicht erkennbaren Einrichtung 3 zum Einbringen einer Flüssigkeit (hier des Edukts B) in einen heißen Gasstrom (hier das Edukt A), aus einer von dem Gemisch der Edukte A, B durchströmten Leitungslänge 4 zum Erzeugen einer turbulenten Strömung sowie einer sich daran anschließenden Leitungslänge 5 zum Ausrichten der Strömung. Die Vorrichtung 1 ist zusammen mit dem Reaktionsraum 2, einem autothermen Reformierungsraum, in einem gemeinsamen Gehäuse 6 angeordnet. Damit lässt sich ein integrierter Aufbau der Vorrichtung 1 zusammen mit dem Reaktionsraum 2 erzielen, welcher sehr kompakt und damit einerseits platzsparend und andererseits hinsichtlich der thermischen Verluste optimiert ist.
Die Leitungslänge 4 zum Erzeugen der turbulenten Strömung ist so ausgebildet, dass sie häufige Veränderungen der Strömungsrichtung der in ihr strömenden Edukte, im hier vorliegenden Fall also des heißen Gasstroms A und der darin befindlichen Flüssigkeit B, erzwingt. Durch diese ständige Veränderung der Strömungsrichtung wird eine turbulente Strömung in dem Gemisch der Edukte A, B erreicht. Selbstverständlich gibt es mehrere Möglichkeiten, eine derartige Veränderung der Strömungsrichtungen zu erzwingen. Die in dem hier vorliegenden Ausführungsbeispiel dargestellte Leitungslänge 4 zum Erzeugen der turbulenten Strömung erreicht diese Veränderung der Strömungsrichtung durch die Ausgestaltung aus Rohrwendel. Diese Rohrwendel 4 erlaubt das erzielen einer turbulenten Strömung bei minimalen Druckverlusten in den in ihr strömenden Edukten A, B.
Des weiteren es erlaubt die Rohrwendel 4, eine lange Leitungslänge in einem vergleichsweise geringem Bauraum in der Vorrichtung 1 bzw. dem Gehäuse 6 unterzubringen. Durch diese lange Leitungslänge der Rohrwendel 4 kann erreicht werden, dass die Einrichtungen 3 zum Einbringen der Flüssigkeit B in den heißen Gasstrom A verhältnismäßig einfach ausgebildet sein können. Durch die Länge der Rohrwendel 4 und die darin stattfindende gute Vermischung zwischen dem heißen Gasstrom A und der Flüssigkeit B aufgrund der turbulenten Strömung sowie einem durch diese turbulente Strömung optimierten Wärmeübergang zwischen dem heißen Gasstrom A und der Flüssigkeit B kann eine ideale Verdampfung der Flüssigkeit B in dem heißen Gasstrom A sichergestellt werden. Deshalb sind keine aufwendigen und energieintensiven Einrichtungen 3 zum Einbringen der Flüssigkeit B in den Gasstrom A notwendig, welche die Flüssigkeit B beispielsweise mit hohem Druck sehr fein zerstäuben würden. Aufgrund der Ausgestaltung der Vorrichtung 1 mit der Leitungslänge 4 zum Erzeugen einer turbulenten Strömung, hier also der Rohrwendel 4, können die Einrichtungen 3 zum Einbringen der Flüssigkeit B in den heißen Gasstrom A einfach und energieoptimiert ausgelegt werden.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für die Einrichtungen 3 zum Einbringen der Flüssigkeit B wäre beispielsweise eine Kapillare 3, welche in Fig. 2 prinzipmäßig angedeutet ist. Diese Kapillare 3 ist aufgrund des sehr geringen Innendurchmessers in der Lage, die Flüssigkeit B durch Kapillarkräfte in den Bereich des heißen Gasstroms A zu fördern. Eine derartige Kapillare 3 als Einrichtung zum Einbringen der Flüssigkeit B in den heißen Gasstrom A benötigt keine Hilfsenergie zur Dosierung. Die Vorrichtung 1 mit dieser sehr einfachen und energiesparenden Einrichtung 3 zum Einbringen der Flüssigkeit B in den heißen Gasstrom A, in dem hier vorliegenden Ausführungsbeispiel eine flüssige kohlenwasserstoffhaltige Verbindung, z. B. Benzin oder Diesel, in einen heißen Luftstrom, welcher gegebenenfalls aus dem System zurückgeführte Dämpfe und/oder zugegebenen Wasserdampf enthalten kann, erlaubt es also, auf eine aufwendige, energieintensive Einspritzung der Flüssigkeit B zu verzichten. Ein ausreichend gutes Gemisch aus heißen Gasstrom A und darin verdampfter Flüssigkeit B kann nach dem Durchströmen der Rohrwendel 4 mit sehr einfachem Aufbau und minimalen Energieaufwand bereitgestellt werden.
In Fig. 2 ist die Kapillare 3 mit einem nicht zwingend notwendigen aber vorteilhaften Winkelstück 7 versehen, so dass die Zufuhr der zu verdampfenden Flüssigkeit B durch die Kapillare 3 entgegen der Strömungsrichtung des heißen Gasstroms A erfolgt. Die Verteilung der aus der Kapillare 3 austretenden Flüssigkeit B in den heißen Gasstrom A wird durch die im heißen Gasstrom A enthaltene kinetische Energie begünstigt, so dass sich eine kleine Tröpfchengröße der Flüssigkeit B in dem heißen Gasstrom A ausbildet. Die Verdampfung der Flüssigkeit B in dem heißen Gasstrom A wird dadurch optimiert, da die ideale Verdampfung außer von der Verweilzeit in dem Verdampfungsraum, hier der Rohrwendel 4, und dem Temperaturniveau des heißen Gasstroms A auch von der Tröpfchengröße der Flüssigkeit B in dem Gasstrom A abhängig ist.
In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform der Einrichtung 3 zum Einbringen der Flüssigkeit in den heißen Gasstrom A dargestellt, wobei hier zusätzlich zu dem in Fig. 2 bereits beschriebenen Aufbau der Strömungsquerschnitt des heißen Gasstroms A im Bereich der Kapillare 3 verringert ist. Diese Verringerung des Querschnitts in der Art einer Venturi-Düse sorgt für eine höhere Strömungsgeschwindigkeit des heißen Gasstroms A im Bereich der Kapillare 3 und damit für einen Unterdruck in diesem Bereich. Dieser Unterdruck bewirkt ein leichtes ansaugen der Flüssigkeit B aus der Kapillare 3. Die Zerstäubung der Flüssigkeit B kann, ähnlich zu den Vorgängen in einer aus dem Stand der Technik bekannten mit Druckluft betriebenen Spritzpistole für Lackierarbeiten oder dergleichen, verbessert werden. Die oben genannten Effekte werden in Hinblick auf eine ideale Verdampfung dadurch weiter optimiert. Allerdings sorgt die Verringerung des Strömungsquerschnitts für erhöhte Druckverluste in dem Gasstrom A.
Wie es in Fig. 1 angedeutet ist, weist der Reaktionsraum 2 in an sich bekannter Weise ein Trägermaterial 8 auf, auf welchem ein katalytisch aktives Material angeordnet ist. Um nun eine möglichst gleichmäßige Anströmung dieses Trägermaterials 8 mit dem katalytisch aktiven Material - nachfolgend als Katalysatorträger 8 bezeichnet - zu erreichen, gelangt der die Rohrwendel 4 verlassende Volumenstrom der Edukte A, B über die in Fig. 1 gestrichelt angedeutete Verbindung 9 vor dem Einströmen in den Reaktionsraum 2 zuerst in die Leitungslänge 5 zum Ausrichten der Strömung. Diese Leitungslänge 5 zum Ausrichten der Strömung ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als wenigstens annähernd gerades Rohrstück ausgebildet. Diese Ausbildung als gerades Rohrstück 5 wird sicherlich der hauptsächliche Einsatzfall der Leitungslänge 5 zum Ausrichten der Strömung sein. Ist ein entsprechender Katalysatorträger 8 jedoch anders aufgebaut und erwartet eine Anströmung, welche sich in idealer Weise nicht durch eine Anströmung aus einem geraden Rohrstück 5 ergibt, so kann die Leitungslänge 5 zum Ausrichten der Strömung durchaus auch andere Formen aufweisen und dem entsprechenden Katalysatorträger 8 angepaßt sein.
In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Katalysatorträger 8 so ausgebildet, dass der Aufbau der Leitungslänge 5 zum Ausrichten der Strömung als wenigstens annähernd gerades Rohrstück 5 die Anforderungen ideal erfüllt. Das gerade Rohrstück 5 ist dabei mit seiner Hauptachse, also der Mittelachse des Rohrstücks 5, wenigstens annähernd parallel zu der Richtung der hauptsächlichen Durchströmung des Reaktionsraums 2 ausgebildet. Die optimale Anströmung der Edukte A, B in den Bereich des Reaktionsraums 2 kann damit gewährleistet werden. Bei Katalysatorträgern 8, welche mit einer anderen Geometrie realisiert sind, ist es entsprechend dazu jedoch auch sinnvoll, wenn die Hauptachse der Leitungslänge 5 zum Ausrichten der Strömung einen gleichen oder ähnlichen Verlauf, wie die hauptsächliche Strömungsrichtung in dem Katalysatorträger 8 aufweist.
Um das Ausrichten der Strömung der Edukte A, B weiter zu optimieren, kann das Rohrstück 5 außerdem Einbauten 10 als Strömungsgleichrichter aufweisen. Diese Einbauten 10, wie sie in Fig. 4 und Fig. 5 prinzipmäßig in zwei verschiedenen Ausführungsformen angedeutet sind, können die Ausrichtung und Optimierung der Homogenität der Strömung der Edukte A, B in dem Rohrstück 5 zusätzlich verbessern. Diese optionalen Einbauten 10 in dem Rohrstück 5 können insbesondere dann von Interesse sein, wenn die Länge des Rohrstücks 5 vergleichsweise gering ist und bei kürzester Baulänge des Rohrstücks 5 eine möglichst gute Ausrichtung und Homogenisierung der Strömung erreicht werden soll. Allerdings sorgen die Einbauten 10 für geringfügig erhöhte Druckverluste in dem Volumenstrom der Edukte A, B.
In den meisten Fällen sind die in einer derartigen Vorrichtung 1 vorliegenden Leitungslängen 4, 5, insbesondere das Verhältnis der Leitungslänge 4 zum Erzeugen der turbulenten Strömung, hier also der Rohrwendel 4, zu der Länge der Leitungslänge 5 zum Ausrichten der Strömung, hier also dem geraden Rohrstück 5, in etwa so ausgebildet, dass die Rohrwendel 4 die 5- bis 15-fache Länge des geraden Rohrstücks 5 aufweist. Damit lässt sich für das zugrundeliegende Ausführungsbeispiel der autothermen Reformierung eine ideale Kombination aus vollständiger Verdampfung der Flüssigkeit B in dem heißen Gasstrom A und einer Ausrichtung der Strömung der Edukte A, B erreichen. Beim Einsatz von andersartigen Edukten A, B und einer anderen gewünschten Reaktion in dem Reaktionsraum 2 können die Längenverhältnisse jedoch entsprechend der eingesetzten Edukte A, B und der gewünschten Reaktion modifiziert werden.
Um die Anströmung des Katalysatorträgers 8 zusätzlich zu verbessern, kann der Bereich zwischen dem geraden Rohrstück 5 und dem Katalysatorträger 8 außerdem Einrichtungen 11 zur gleichmäßigen Vergleichung der Strömung auf die Querschnittsfläche des Katalysatorträgers 8 aufweisen. In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind diese Einrichtungen 11 als Diffusor, welcher hier durch einen sich zu dem Katalysatorträger 8 hin erweiternden Kegel gebildet wird, ausgeführt. Außerdem könnte der Diffusor 11 zusätzlich entsprechende Einbauten zum Verteilen und Homogenisieren der Anströmung des Katalysatorträgers 8 aufweisen. Dieser Bereich spielt für die hier vorgestellte Erfindung jedoch eine untergeordnete Rolle, so dass hier nicht näher darauf eingegangen werden soll. Ohne Einfluß auf den Schutzumfang der Erfindung zu nehmen könnte dieser Aufbau aber auch grundlegend anders ausgebildet sein.
Der in dem hier vorliegenden Ausführungsbeispiel dargestellte Aufbau der Vorrichtung 1 dient dabei, wie bereits erwähnt, zur Bereitstellung eines Gemischs aus heißer Luft und darin verdampften kohlenwasserstoffhaltigen Verbindungen für die autotherme Reformierung in dem Reaktionsraum 2. Das dabei entstehende wasserstoffreiche Gas soll nach dem Durchströmen von weiteren aus dem Stand der Technik an sich bekannten Reinigungseinrichtungen einer Brennstoffzelle zugeführt werden und dort zusammen mit Luftsauerstoff zur Bereitstellung von elektrischer Energie dienen. Aufgrund des hier dargestellten Aufbaus lässt sich eine energieoptimierte Bereitstellung der Edukte A, B realisieren, welche außerdem mit einem vergleichsweise geringen Bauraum auszukommen vermag. Dementsprechend ist der bevorzugte Einsatzzweck für eine derartige Vorrichtung 1 im Bereich eines sich einer Brennstoffzelle bedienenden Hilfsenergieerzeugers (Auxiliary Power Unit/APU) zu sehen, welcher z. B. in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden kann, um aus dem in den Kraftstofftanks ohnehin mitgeführten kohlenwasserstoffhaltigen Treibstoff, beispielsweise Benzin oder Diesel, ein wasserstoffreiches Gas zu erzeugen und dieses zur Bereitstellung von elektrischer Energie bei bestmöglichem Wirkungsgrad in einer Brennstoffzellen-APU zu nutzen.

Claims

1. Vorrichtung zur Zufuhr von Edukten in einen Reaktionsraum, wobei zumindest eines der Edukte ein heißer Gasstrom und wenigstens ein anderes der Edukte eine darin zu verdampfende Flüssigkeit ist, mit wenigstens einer Einrichtung zum Einbringen der Flüssigkeit in den heißen Gasstrom, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

1. 1.1 eine sich an die wenigstens eine Einrichtung (3) zum Einbringen der Flüssigkeit (B) in den heißen Gasstrom (A) anschließende von dem Gemisch der Edukte (A, B) durchströmte Leitungslänge (4) zum Erzeugen einer turbulenten Strömung; und

2. 1.2 eine sich daran anschließende Leitungslänge (5) zum Ausrichten der Strömung.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungslänge (4) zum Erzeugen der turbulenten Strömung so ausgebildet ist, dass sie zumindest einige Veränderungen der Strömungsrichtung der in ihr strömenden Edukte (A, B) erzwingt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungslänge (4) zum Erzeugen der turbulenten Strömung als Rohrwendel ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Einrichtung (3) zum Einbringen der Flüssigkeit (B) in den heißen Gasstrom (A) als in den Gasstrom (A) ragende Kapillare ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillare (3) so ausgebildet ist, dass die Zufuhr der zu verdampfenden Flüssigkeit (B) durch die Kapillare (3) entgegen der Strömungsrichtung des heißen Gasstroms (A) erfolgt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt des heißen Gasstroms (A) im Bereich der Kapillare (3) zumindest gegenüber den in Strömungsrichtung davor angeordneten Bereichen verringert ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das die Leitungslänge (5) zum Ausrichten der Strömung mit ihrer Hauptachse wenigstens annähernd parallel zu der Richtung der hauptsächlichen Durchströmung des Reaktionsraums (2) ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungslänge (5) zum Ausrichten der Strömung als wenigstens annähernd gerades Rohrstück ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungslänge (5) zum Ausrichten der Strömung Einbauten (10) als Strömungsgleichrichter aufweist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungslänge (4) zum Erzeugen der turbulenten Strömung die 5 bis 15-fache Länge der Leitungslänge (5) zum Ausrichten der Strömung aufweist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der heiße Gasstrom (A) zumindest heiße Luft aufweist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit (B) wenigstens eine kohlenwasserstoffhaltige Verbindung, bevorzugt Benzin oder Diesel, aufweist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktionsraum (2) ein auf einem Trägermaterial (8) angeordnetes katalytisch aktives Material aufweist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Leitungslänge (5) zum Ausrichten der Strömung und dem Trägermaterial (8) für das katalytisch aktive Material Einrichtungen (11) zur gleichmäßigen Verteilung der Strömung auf die Querschnittsfläche des Trägermaterials (8) angeordnet sind.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktionsraum (2) als autothermer Reformierungsreaktor zur Bereitstellung eines wasserstoffhaltigen Gases ausgebildet ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Leitungslänge (4) zum Erzeugen einer turbulenten Strömung, die Leitungslänge (5) zum Ausrichten der Strömung und der Reaktionsraum (2) in einem gemeinsamen Gehäuse (6) angeordnet sind.

17. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16 in einem System zum Erzeugen eines wasserstoffhaltigen Gases für wenigstens eine Brennstoffzelle, bevorzugt für die Brennstoffzelle eines Hilfsenergieerzeugers (Auxiliary Power Unit/APU).