Zweistufiger Reformer und Verfahren zum Betreiben eines Reformers

Die Erfindung betrifft einen Reformer zum Umsetzen von

Brennstoff und Oxidationsmittel zu Reformat, mit einer Oxi- dationszone, der über eine erste BrennstoffZuführung und eine erste Oxidationsmittelzuführung ein Gemisch aus Brennstoff und Oxidationsmittel zuführbar ist, und mit einer der Oxidationszone nachgelagerten Einspritz- und Gemischbildungszone, der über eine zweite BrennstoffZuführung weiterer Brennstoff zuführbar ist, wobei eine zweite Oxidationsmittelzuführung vorgesehen ist, über die der Einspritz- und Gemischbildungszone weiteres Oxidationsmittel zuführbar ist.

Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Reformers .

Gattungsgemäße Reformer werden häufig im Zusammenhang mit einem Betrieb einer Brennstoffzelle oder eines Brennstoffzellenstapels dazu verwendet, ein Wasserstoffreiches Gasgemisch, das Reformat, zu erzeugen und der Brennstoffzelle oder dem Brennstoffzellenstapel zuzuführen. Auf der Grund- läge elektrochemischer Vorgänge kann die Brennstoffzelle durch die Zuführung dieses Wasserstoffreichen Gases elektrische Energie erzeugen. Derartige Brennstoffzellen finden beispielsweise im Kraftfahrzeugbereich als Zusatzenergiequellen, so genannte APUs ("Auxiliary Power Unit")r ihre Anwendung. Der Reformierungsprozess des Reformers zum Umsetzen von Brennstoff und Oxidationsmittel zu Reformat kann nach unterschiedlichen Prinzipien erfolgen. Beispielsweise ist die katalytische Reformierung bekannt, bei der ein Teil des Brennstoffs in einer exothermen Reaktion oxidiert wird. Weiterhin ist das so genannte "Steam-Reforming" zur Erzeu-

gung eines Reformats aus Kohlenwasserstoffen bekannt. Dabei werden Kohlenwasserstoffe mit Hilfe von Wasserdampf in einer endothermen Reaktion zu Wasserstoff umgesetzt. Eine Kombination beider vorgenannten Prinzipien, das heißt eine Reformierung auf der Grundlage einer exothermen Reaktion und der Erzeugung von Wasserstoff durch eine endotherme Reaktion, bei der die Energie für die Dampfreformierung aus der Verbrennung der Kohlenwasserstoffe gewonnen wird, wird als autotherme Reformierung bezeichnet.

Ein gattungsgemäßer, die autotherme Reformierungsart ausführender Reformer ist beispielsweise aus der DE 103 59 205 Al bekannt. Dieser dem Stand der Technik angehörende Reformer weist zwei BrennstoffZuführungen und zwei Oxidations- mittelzuführungen auf, jeweils eine beider Zuführungen für die Oxidationszone und die Einspritz- und Gemischbildungszone. Dadurch wird eine deutliche Homogenisierung des Temperaturprofils in dem Reformer und somit eine Verbesserung des Reformerverhaltens erzielt. So wird bei diesem bekann- ten Reformer zunächst Brennstoff und Oxidationsmittel, das üblicherweise Luft ist, der Oxidationszone des Reformers zugeführt, in der ein Teil des Brennstoffs mit dem Oxidationsmittel vollständig oxidiert. Durch die Oxidation entsteht ein gasförmiges Oxidationsprodukt, das nachfolgend als so genanntes Rauchgas bezeichnet wird. Dieses Rauchgas gelangt anschließend in die der Oxidationszone nachgelagerten Einspritz- und Gemischbildungszone des Reformers, bei der über eine zweite BrennstoffZuführung erneut weiterer Brennstoff zugeführt wird. So findet in der Einspritz- und Gemischbildungszone eine weitere Brennstoffverdampfung statt, so dass sich das zur Reformierung notwendige un- terstöchiometrische Brennstoff/Luft-Verhältnis im vorliegenden Gemisch einstellt. Dieses Gemisch wird anschließend einer Reformierungszone, die beispielsweise zumindest teil-

weise durch einen Katalysator des Reformers ausgebildet werden kann, zugeführt. Nach der DE 103 59 205 Al ist auch eine zweite Oxidationsmittelzuführung vorgesehen, über die weiteres Oxidationsmittel in die Einspritz- und Gemischbil- dungszone zuführbar ist. Diese zweite Oxidationsmittelzuführung dient zur Optimierung des Reformierungsprozesses und stellt einen weiteren den Reformierungsprozess beeinflussenden Parameter dar. Jedoch weist dieser Reformer gemäß der DE 103 59 205 Al den Nachteil auf, dass durch das heiße Rauchgas in der Einspritz- und Gemischbildungszone eine erhebliche Wärmemenge auf die zweite BrennstoffZuführung, insbesondere auf ein Verdampfervlies der zweiten BrennstoffZuführung, übertragen wird. Durch diese Wärmeübertragung treten in der zweiten BrennstoffZuführung oder einer Zuleitung zur zweiten BrennstoffZuführung zumindest teilweise Vorverdampfungen des zuzuführenden Brennstoffs auf. Diese Vorverdampfung führt dabei zu unkontrollierten Blasenbildungen im Brennstoff, wodurch eine ungleichmäßige, pulsierende Brennstoffzufuhr durch die zweite Brennstoffzu- führung hervorgerufen werden kann. Diese ungleichmäßige

Brennstoffzufuhr durch die zweite BrennstoffZuführung führt wiederum zu einem instabilen Verhalten des Reformers, starken Temperaturschwankungen sowie einen Druckanstieg durch eine vermehrte Rußbildung innerhalb des Reformers.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäßen Reformer und Verfahren zum Betreiben derartiger Reformer so weiterzubilden, dass eine Reformierungspro- zessführung bei mehrstufigen Reformern stabiler gestaltet werden kann.

Der erfindungsgemäße Reformer baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass die zweite Oxidationsmittelzuführung derart bezüglich der zweiten Brennstoffzu-

führung angeordnet ist, dass sie ein Sperroxidationsmittel- polster im Bereich vor der zweiten BrennstoffZuführung erzeugt, um eine Wärmeübertragung von dem Gemisch aus der O- xidationszone auf die zweite BrennstoffZuführung zu verrin- gern. Anhand der ersten und zweiten Oxidationsmittelzufüh- rung wird das Oxidationsmittel gestuft, in diesem Fall zweistufig, den entsprechenden Zonen des Reformers zugeführt. Bevorzugt wird dabei 80 % bis 90 % der benötigten Gesamtoxidationsmittelmenge der Oxidationszone über die erste Oxidationsmittelzuführung zugeführt. Damit wird ein hinreichendes Lambda beziehungsweise eine hinreichende Luftzahl von beispielsweise größer als 1,2 sichergestellt. Die verbleibende Oxidationsmittelmenge, das heißt, 10 % bis 20 % der Gesamtoxidationsmittelmenge, wird in der Einspritz- und Gemischbildungszone über die zweite Oxidationsmittelzuführung zugeführt. Dabei ist die zweite Oxidationsmittelzuführung bezüglich der zweiten BrennstoffZuführung so ausgebildet, dass sich das Sperroxidationsmittel- polster aus kaltem Oxidationsmittel vor der zweiten Brenn- stoffZuführung in der Einspritz- und Gemischbildungszone ausbildet und dadurch eine Wärmeübertragung auf die zweite BrennstoffZuführung durch Rauchgas zumindest verringert. Dadurch verringert sich weiterhin eine Wärmeleitung innerhalb der zweiten BrennstoffZuführung. Daher kann auf eine externe und separate Kühleinrichtung zur Abkühlung der zweiten BrennstoffZuführung verzichtet werden, weshalb auch keine zusätzliche Kühlleistung anfällt. Durch die niedrige Luftzahl beziehungsweise das niedrige Lambda im Rauchgas beziehungsweise im Gemisch aus der Oxidationszone kann mit- tels höherer Temperaturen in einem Rauchgasstrom einem Abkühlen einer Reformierungszone, beispielsweise eines die Reformierungszone ausbildenden Katalysators, entgegengewirkt werden, beispielsweise dadurch, dass sich die Wärmeübertragung zwischen dem Rauchgas in der Oxidationszone und

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dem die Reformierungszone ausbildenden Katalysator über eine Wandung verbessert.

Der erfindungsgemäße Reformer kann in vorteilhafterweise so weitergebildet werden, dass das weitere Oxidationsmittel zumindest teilweise mit der zweiten BrennstoffZuführung in Kontakt tritt, bevor es sich mit dem Gemisch aus der Oxida- tionszone vermischt. Dies wird beispielsweise durch die spezielle Anordnung der zweiten Oxidationsmittelzuführung zur zweiten BrennstoffZuführung bewerkstelligt. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die zweite Oxidationsmittel- zuführung als ein die zweite BrennstoffZuführung umgebendes Rohr ausgebildet ist.

Weiterhin kann der erfindungsgemäße Reformer derart ausgestaltet werden, dass die zweite BrennstoffZuführung ein Verdampfervlies umfasst, der von dem der Einspritz- und Gemischbildungszone zuzuführenden weiteren Brennstoff durchströmt wird. Beispielsweise kann die zweite Brennstoffzu- führung zumindest teilweise rohrförmig ausgebildet sein, wobei das Verdampfervlies in die rohrförmig ausgebildete zweite BrennstoffZuführung eingesetzt ist.

Darüber hinaus kann der erfindungsgemäße Reformer so ausge- bildet werden, dass die zweite Oxidationsmittelzuführung mit der zweiten BrennstoffZuführung derart in Wärme übertragender Beziehung steht, dass der über die zweite BrennstoffZuführung zuzuführende weitere Brennstoff bereits vor Eintritt in die Einspritz- und Gemischbildungszone durch die zweite Oxidationsmittelzuführung aktiv gekühlt wird. Diese aktive Kühlung kann zusätzlich zur Abkühlung der zweiten BrennstoffZuführung vorgesehen sein, um eine Vorverdampfung des weiteren Brennstoffs weitestgehend zu unterbinden.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann der erfindungsgemäße Reformer so weitergebildet werden, dass die erste und zweite Oxidationsmittelzuführung mit einer gemeinsamen Oxi- dationsmittelleitung gekoppelt sind, über die die erste und zweite Oxidationsmittelzuführung mit Oxidationsmittel versorgt werden. Dadurch wird eine Vereinfachung der zweistufigen Oxidationsmittelzufuhr bei dem Reformer ermöglicht. Beispielsweise kann in diesem Fall lediglich ein Gebläse vorgesehen sein, das Luft als Oxidationsmittel zuführt und beiden Oxidationsmittelzuführung zur Verfügung stellt.

Ferner kann der erfindungsgemäße Reformer in diesem Zusammenhang so verwirklicht werden, dass ein jeweiliger Oxida- tionsmittelvolumenstrom zu der ersten und zweiten Oxidationsmittelzuführung über ein an der gemeinsamen Oxidations- mittelleitung vorgesehenes Volumenstromteilerventil einstellbar ist. Somit wird eine Aufteilung einer Gesamtoxida- tionsmittelmenge in einen Volumenstrom zur ersten Oxidati- onsmittelzuführung und zur zweiten Oxidationsmittelzuführung ermöglicht. Durch eine variable Ansteuerung des Volumenstromteilerventils kann eine gezielte Einstellung des Temperaturniveaus vor der zweiten BrennstoffZuführung in Abhängigkeit des entsprechenden Betriebszustands des Refor- mers erfolgen. Weiterhin kann durch die Oxidationsmittelzufuhr über das Volumenstromteilerventil im Falle von Luft als Oxidationsmittel ein variables Luftverhältnis zwischen der ersten Oxidationszuführung und der zweiten Oxidations- zuführung gezielt eingestellt werden, ohne dass ein zusätz- liches Gebläse notwendig ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass die zweite Oxidationsmittelzuführung bei der Oxidationsmittelzufuhr ein

Sperroxidationsmittelpolster im Bereich vor der zweiten BrennstoffZuführung erzeugt, um eine Wärmeübertragung von dem Gemisch aus der Oxidationszone auf die zweite BrennstoffZuführung zu verringern. Dadurch ergeben sich die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Reformer erläuterten Vorteile in gleicher oder ähnlicher Weise, weshalb zur Vermeidung von Wiederholungen auf die entsprechenden Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Reformer verwiesen wird.

Gleiches gilt sinngemäß für die folgenden bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei zur Vermeidung von Wiederholungen auch diesbezüglich auf die entsprechenden Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Reformer verwiesen wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann in vorteilhafterweise derart weitergebildet werden, dass das weitere Oxidationsmittel zumindest teilweise mit der zweiten BrennstoffZuführung in Kontakt tritt, bevor es sich mit dem Gemisch aus der Oxidationszone vermischt.

Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verfahren so verwirklicht werden, dass ein Verdampfervlies der zweiten BrennstoffZuführung von dem der Einspritz- und

Gemischbildungszone zuzuführenden weiteren Brennstoff durchströmt wird.

Ferner kann das erfindungsgemäße Verfahren derart reali- siert werden, dass der über die zweite BrennstoffZuführung zuzuführende weitere Brennstoff bereits vor Eintritt in die Einspritz- und Gemischbildungszone durch die zweite Oxida- tionsmittelzuführung aktiv gekühlt wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die erste und zweite Oxida- tionsmittelzuführung von einer gemeinsamen Oxidationsmit- telleitung mit Oxidationsmittel versorgt werden.

In diesem Zusammenhang kann das erfindungsgemäße Verfahren so weitergebildet werden, dass ein jeweiliger Oxidations- mittelvolumenstrom zu der ersten und zweiten Oxidationsmit- telzuführung über ein an der gemeinsamen Oxidationsmittel- leitung vorgesehenes Volumenstromteilerventil eingestellt wird.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass im Zusammenhang mit mehrstufigen, insbesondere zweistufigen, Refor- mern eine pulsierende Brennstoffzufuhr durch eine zweite BrennstoffZuführung unterbunden werden kann, indem eine Kühlung dieser zweiten BrennstoffZuführung vorgenommen wird. Dies kann einerseits durch die Erzeugung eines Sperr- oxidationsmittelpolsters anhand der speziell zur zweiten BrennstoffZuführung ausgerichteten zweiten Oxidationsmit- telzuführung erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine aktive Kühlung der zweiten BrennstoffZuführung vorgenommen werden, beispielsweise durch die zweite Oxidations- mittelzuführung; in diesem Fall kann die zweite Oxidations- mittelzuführung angrenzend, in einer Wärme übertragenden Beziehung zur zweiten BrennstoffZuführung angeordnet sein. Beide Kühlkonzepte sind sowohl in Kombination als auch einzeln realisierbar.

Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden

Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert.

Es zeigen:

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Figur 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Reformers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, der zur Durchführung des er- findungsgemäßen Verfahrens geeignet ist; und

Figur 2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Reformers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, der zur Durchführung des er- findungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Reformers 10 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, der zur Durchführung des erfin- dungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Der erfindungsgemäße Reformer 10 umfasst eine Oxidationszone 20, der Brennstoff und Oxidationsmittel über eine erste BrennstoffZuführung 12 und eine erste Oxidationsmittelzuführung 16 zuführbar ist. Als Brennstoff kommt beispielsweise Erdgas, Diesel oder Benzin in Frage, das Oxidationsmittel ist in der Regel

Luft. Durch die Zufuhr des Brennstoffs und des Oxidations- mittels entsteht ein Gemisch, das in die Oxidationszone 20 strömt und dort zumindest teilweise oxidiert, so dass ein Rauchgas in der Oxidationszone 20 ausgebildet werden kann. In der Oxidationszone 20 findet somit eine Umsetzung von

Brennstoff und Oxidationsmittel in einer exothermen Reaktion mit einer Luftzahl von 1 (λ ~ 1) statt. Anschließend gelangt beziehungsweise strömt das Gemisch beziehungsweise Rauchgas in eine der Oxidationszone 20 nachgelagerten Einspritz- und Gemischbildungszone 22. In der Einspritz- und Gemischbildungszone 22 sind eine zweite BrennstoffZuführung 14 und eine zweite Oxidationsmittelzuführung 18 vorgesehen, die jeweils weiteren Brennstoff und weiteres Oxidationsmittel in die Einspritz- und Gemischbildungszone

22 zuführen können. Die thermische Energie des aus der Oxi- dationszone 20 stammenden Rauchgases kann dabei zur Verdampfung des weiteren Brennstoffs der zweiten BrennstoffZuführung 14 beitragen. Um jedoch eine Wärmeübertragung di- rekt zur zweiten BrennstoffZuführung 14 durch das Rauchgas möglichst gering zu halten, ist die zweite Oxidationsmit- telzuführung 18 derart angeordnet, dass bei einer Oxidati- onsmittelzufuhr ein Sperroxidationsmittelpolster im Bereich vor der zweiten BrennstoffZuführung 14 erzeugt wird. Da- durch wird eine Wärmeübertragung von dem Gemisch aus der Oxidationszone 20 beziehungsweise dem Rauchgas auf die zweite BrennstoffZuführung 14 verringert. Insbesondere ist in diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass das von der zweiten Oxidationsmittelzuführung 18 zugeführte Oxidations- mittel zumindest teilweise mit der zweiten BrennstoffZuführung in Kontakt tritt, bevor es sich mit dem Gemisch beziehungsweise Rauchgas aus der Oxidationszone 20 vermischt. Zusätzlich kann eine aktive Kühlung der zweiten Brennstoffzuführung 14 durch die zweite Oxidationsmittelzuführung 18 vorgenommen werden, indem die zweite BrennstoffZuführung 14 mit der zweiten Oxidationsmittelzuführung 18 in einer wärmeübertragenden Beziehung steht. Insbesondere kann die zweite BrennstoffZuführung 14 als Rohr ausgebildet werden, das innerhalb eines die zweite Oxidationsmittelzuführung 18 ausbildenden Rohres konzentrisch angeordnet ist. Somit findet bereits eine aktive Kühlung der zweiten BrennstoffZuführung 14 und des durch diese zuzuführenden Brennstoffs statt, bevor der weitere Brennstoff in die Einspritz- und Gemischbildungszone 22 durch die zweite Oxidationsmittelzu- führung 18 zugeführt wird. Das in der Einspritz- und Gemischbildungszone 22 ausgebildete Gasgemisch gelangt anschließend in eine dieser nachgelagerten Reformierungszone, die zumindest teilweise durch einen Katalysator 24 ausgebildet wird. Dort wird das Gasgemisch in einer endothermen

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Reaktion mit zum Beispiel λ ∞ 0,4 zu Reformat 26 umgesetzt. Im Anschluss daran strömt das erzeugte Reformat 26 aus dem Katalysator 24 über einen Reformerablass aus. Die Reformie- rungszone 24 und die Oxidationszone 20 können dabei so aus- gebildet werden, dass diese in einer wärmeübertragenden Beziehung zueinander stehen, so dass für die endotherme Reaktion benötigte Wärme von der Oxidationszone 20 bezogen werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen Reformers 10 gestaltet sich wie folgt. Zunächst werden der Brennstoff und das Oxidationsmittel, in diesem Fall Luft, durch die erste BrennstoffZuführung 12 und die erste Oxidationsmittelzuführung 16 der Oxidations- zone 20 zugeführt. Dadurch entsteht ein Gasgemisch, das in der Oxidationszone 20 zumindest teilweise zu einem oxidier- ten Gemisch beziehungsweise Rauchgas oxidiert . Das so entstandene Rauchgas strömt anschließend von der Oxidationszone 20 in die Einspritz- und Gemischbildungszone 22. Dort wird dem Rauchgas weiterer Brennstoff durch die zweite

Brennstoffführung 14 zugeführt, wobei zusätzlich weiteres Oxidationsmittel durch die zweite Oxidationsmittelzuführung 18 zugeführt wird. Dabei wird das weitere Oxidationsmittel der zweiten Oxidationsmittelzuführung 18 so zugeführt, dass sich das Sperroxidationsmittelpolster im Bereich vor der zweiten BrennstoffZuführung 14 ausbildet, um die Wärmeübertragung von dem Gemisch beziehungsweise Rauchgas aus der Oxidationszone 20 auf die zweite BrennstoffZuführung 14 zu verringern. Anschließend gelangt das so entstandene Gasge- misch in den die Reformierungszone ausbildenden Katalysator 24, in dem es zu einem Reformat 26 umgesetzt wird und über einen Reformerablass aus dem Reformer 10 ausgelassen wird.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Reformers 100 gemäß einem zweiten Ausführungs- beispiel der Erfindung. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird bei der Beschreibung dieses Ausführungsbeispiels Ie- diglich auf die Unterschiede zum ersten Ausführungsbeispiel eingegangen, wobei gleiche oder ähnliche Komponenten des zweiten Ausführungsbeispiels mit ähnlichen Bezugszeichen im Hinblick auf Komponenten des ersten Ausführungsbeispiels bezeichnet sind. Das zweite Ausführungsbeispiel unterschei- det sich von dem ersten Ausführungsbeispiel darin, dass die erste und zweite Oxidationsmittelzuführung 116 und 118 über ein Volumenstromteilerventil 128 mit einer gemeinsamen Oxi- dationsmittelleitung 130 gekoppelt sind. Die Oxidationsmit- telleitung 130 ist wiederum mit einer Oxidationsmittelzu- führeinrichtung zur Zuführung von Oxidationsmittel gekoppelt; im Falle von Luft als Oxidationsmittel wird die Oxi- dationsmittelzuführeinrichtung durch ein Gebläse ausgebildet. Anhand des Volumenstromteilventils 128 können entsprechende Volumenströme der ersten und zweiten Oxidationsmit- telzuführung 16 und 18 zugeführt werden. Dadurch wird lediglich eine Oxidationsmittelzuführeinrichtung erforderlich, die das Oxidationsmittel der gemeinsamen Oxidations- mittelleitung 130 zuführt.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

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Bezugszeichenliste:

10 Reformer

12 erste BrennstoffZuführung 14 zweite BrennstoffZuführung

16 erste Oxidationsmittelzuführung

18 zweite Oxidationsmittelzuführung

20 Oxidationszone

22 Einspritz- und Gemischbildungszone 24 Katalysatoreinrichtung

26 Reformat

100 Reformer

112 erste BrennstoffZuführung

114 zweite BrennstoffZuführung 116 erste Oxidationsmittelzuführung

118 zweite Oxidationsmittelzuführung

120 Oxidationszone

122 Einspritz- und Gemischbildungszone

124 Katalysatoreinrichtung 126 Reformat

128 Volumenstromteilerventil

130 Oxidationsmittelleitung