KRAUS, Matthias (Markusstrasse 4, Wermelskirchen, 42929, DE)
SCHELLEN, Marc (Gellertstrasse 22, Köln, 50733, DE)
SCHWEITZER-DE-BORTOLI, Stefan (Büttgenweg 16, Düsseldorf, 40547, DE)
FOLKERTS, Gordon (Christophstrasse 12, Düsseldorf, 40225, DE)
KRAUS, Matthias (Markusstrasse 4, Wermelskirchen, 42929, DE)
SCHELLEN, Marc (Gellertstrasse 22, Köln, 50733, DE)
SCHWEITZER-DE-BORTOLI, Stefan (Büttgenweg 16, Düsseldorf, 40547, DE)
| PATENTANSPRÜCHE 1. Vorrichtung zum Vermischen von mindestens zwei gasförmigen Medien, vorzugsweise Luft und Erdgas in einem Brennstoffzellensystem, bei der das eine Medium über eine erste Einlassleitung (1) und das andere Medium über eine weitere Einlassleitung (2) mit einem Abschnitt (4), der in eine Vormischkammer (5) eines Reformers (8) mündet, zusammengeführt werden dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassleitungen (1 , 2) senkrecht zueinander angeordnet sind, wobei die in der Vormischkammer (5) mündende Einlassleitung (2) entlang ihres Abschnitts (4) von einer Ummantelung (3) mit Bohrungen (9), angebracht auf der des Abschnitts (4) zugewandten Seite der Ummantelung (3), axial umgeben ist. 2. Vorrichtung zum Vermischen von mindestens zwei gasförmigen Medien, vorzugsweise Luft und Erdgas in einem Brennstoffzellensystem, nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung (3) und der Abschnitt (4) des Einlassrohrs (2), der in die Vormischkammer (5) des Reformers (8) mündet, ein Doppelrohr bilden, in dem ein Vormischen der gasförmigen Medien vor dem Eintritt in die Vormischkammer (5) des Reformers (8) erfolgt. 3. Vorrichtung zum Vermischen von mindestens zwei gasförmigen Medien, vorzugsweise Luft und Erdgas in einem Brennstoffzellensystem, nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassleitung (2) mündend in die Vormischkammer (5) einen Erweiterungsvorsprung (6) an der Verbindungsstelle zwischen der Einlassleitung (2) und der Vormischkammer (5) zur weiteren Vermischung der Gasströme aufweist. 4. Vorrichtung zum Vermischen von mindestens zwei gasförmigen Medien, vorzugsweise Luft und Erdgas in einem Brennstoffzellensystem, nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vormischkammer (5) des Reformers (8) eine schaumartige Katalysator-Wabenstruktur (7) mit Öffnungen aufweist. |
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Mischen von Gasströmen zur Wasserstoffgewinnung insbesondere im Reformer eines Brennstoffzellensystems.
Bei Brennstoffzellensystemen kommen zur Gewinnung des benötigten Wasserstoffs aus kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffen so genannte Reformer zum Einsatz. Alle vom Reformer zum Reaktionsablauf benötigten Stoffe wie z.B. Luft, Erdgas oder Wasser werden dem Reformer vorzugsweise im gasförmigen Zustand zugeführt. Dabei muss eine gute Durchmischung hinsichtlich Geschwindigkeit und Konzentration der Gasströme zur Sicherstellung eines optimal verlaufenden Reformierungsprozesses erfolgen. Zur Bereitstellung der optimalen Reaktionstemperatur stehen Brenner oder Nachbrennereinrichtungen zur Verfügung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Mischen von Gasströmen (z.B. Luft und Erdgas) eines Brennstoffzellensystems zur Verfügung zu stellen, die eine optimale Durchmischung dieser Gasströme sicherstellt. Zugleich soll die Mischvorrichtung kompakt und klein ausgeführt sein, sowie geringe Druckverluste aufweisen. Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Vermischen von mindestens zwei gasförmigen Medien, vorzugsweise Luft und Erdgas in einem Brennstoffzellensystem dadurch gelöst, dass das eine Medium über eine erste Einlassleitung und das andere Medium über eine weitere Einlassleitung mit einem Abschnitt, der in eine Vormischkammer eines Reformers mündet, zusammengeführt werden und die Einlassleitungen senkrecht zueinander angeordnet sind, wobei die in der Vormischkammer mündende Einlassleitung entlang ihres Abschnitts von einer Ummantelung mit Bohrungen, angebracht auf der des Abschnitts zugewandten Seite, axial umgeben ist.
Die Erfindung wird nun anhand der folgenden Figuren detailliert erläutert. Hierbei zeigen
Fig. 1 einen Querschnitt der erfindungsgemäße Vorrichtung und
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Unterdruckkammer eines
Brennstoffzellensystems.
Figur 1 zeigt die erfindungsgemäße Mischvorrichtung, bei der über Einlassbereiche 1 und 2 jeweils ein Volumenstrom an Luft und Erdgas in eine Vormischkammer 5 eines Reformers 8 gelangt. Die Einlassbereiche 1 , 2 sind vorzugsweise als Rohr ausgebildet. Die Luft im Einlassrohr 1 , wird senkrecht zum Erdgas-Einlassrohr 2 zugeführt und dann in ein Außenrohr 3 umgeleitet. Das Erdgas-Einlassrohr 2 weist vor der Mündung in die Vormischkammer 5 einen Abschnitt 4 auf, der als Innenrohr 4 von einer Ummantelung 3 axial umschlossen ist. Die Ummantelung 3 ist vorzugsweise als Rohr ausgebildet und bildet zusammen mit dem Abschnitt 4 des Erdgas-Einlassrohrs 2 ein Doppelrohr bestehend aus Innenrohr 4 und Außenrohr 3. Die Luft im Außenrohr 3, die entgegen der Einströmrichtung des Erdgases strömt, wird durch Öffnungen 9, angebracht an der des Innenrohrs 4 zugewandten Seite des Außenrohrs 3, in das Erdgas-Einlassrohr 2 bzw. in das Innenrohr 4 gelangen und sich mit dem einströmenden Erdgas vermischen. Durch die Öffnungen 9 am Außenrohr 3 wird eine gleicHmäßige Zufuhr und Verteilung der Luft im Erdgas-Einlassrohr 4 vor dem Eintritt in die Vormischkammer 5 des Reformers 8 erreicht.
Der Erdgas- und Luftstrom wird unmittelbar vor dem Eintritt in die Vormischkammer 5 über einen Erweiterungssprung 6 in die Vormischkammer 5 geleitet, in der eine weitere Vermischung erfolgt. Somit wird eine ausreichende Vermischung und Geschwindigkeitsverteilung von Luft und Erdgas vor dem Eintritt in eine Katalysator-Struktur 7 der Vormischkammer 5 des Reformers 8 gewährleistet.
Mögliche Formen für die Katalysator-Struktur 7 sind Kugel, Pellets, Zylinder, Waben, Spirale, Granulat oder Ring. Alternativ kann der Katalysator auf die Oberfläche eines monolithischen Trägermaterials aufgebracht werden, z. B. auf Keramikwerkstoffe, Metalle, Waben, Schäume oder Welllaminate.
Figur 2 zeigt schematisch eine vorzugweise aus Metall bestehende Unterdruckkammer 14, die u.a. einen Reformer 8, einen Brennstoffzellen-Stack 10, einen Nachbrenner 11 , einen Startbrenner 12 und einen Wärmeübertrager 13 umfasst. Die Luftzufuhr zur Unterdruckkammer 14 ist über eine Verbindung zum Luftweg des Luftabgaszubehörs eines Brennstoffzellen-Mikro-Kraftwärmekopplungsgerätes ausgeführt.
Die erfindungsgemäße Mischvorrichtung ist Bestandteil des Reformers 8, der gleichzeitig mit entschwefeltem Erdgas und vorgewärmter Luft versorgt wird, wobei die Gesamtmenge und das Mischungsverhältnis zur Prozessoptimierung variiert werden können. Hierzu können variable Fördereinrichtungen wie z.B. Pumpen und Gebläse oder Ventile vorgesehen werden. Die Prozessgüte wird direkt mittels geeigneten Gassensoren bestimmt und / oder indirekt z.B. über Massen- oder Volumenströme sowie prozessrelevante Temperaturen.
Die erforderliche Vorwärmung der Luft erfolgt je nach Betriebszustand durch die Energie des Startbrenner- oder Nachbrennerabgases in einem Wärmeübertrager 13, damit der Reformierungsprozess optimal ablaufen kann. Das entstehende Reformat hat eine Temperatur, die geeignet ist, das Reformat ohne weitere relevante Energiezu- oder -abfuhr dem Brennstoffzellen-Stack 10 zuzuführen.
Durch die Vorrichtung zum Mischen von Gasströmen wie Luft und Erdgas wird eine optimale Durchmischung der Gasströme sicherstellt. Gleichzeitig erlaubt die Ausbildung der Mischvorrichtung eine kompakte und kleine Bauform. Eine gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung vor dem Eintritt in die Katalysator-Wabenstruktur der Vormischkammer bei möglichst geringem Druckverlust ist ebenfalls sichergestellt.
Mit der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung wird eine sehr kompakte Bauform zur Verfügung gestellt, die fertigungstechnisch einfach und robust hergestellt werden kann.
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