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WO2004023587A1 - Reformer für ein brennstoffzellensystem - Google Patents

Reformer für ein brennstoffzellensystem Download PDF

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Publication number
WO2004023587A1
WO2004023587A1 PCT/DE2002/003222 DE0203222W WO2004023587A1 WO 2004023587 A1 WO2004023587 A1 WO 2004023587A1 DE 0203222 W DE0203222 W DE 0203222W WO 2004023587 A1 WO2004023587 A1 WO 2004023587A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fuel
pressure
piston
chamber
line
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/DE2002/003222
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Huber
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Webasto Thermosysteme GmbH
Original Assignee
Webasto Thermosysteme GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Webasto Thermosysteme GmbH filed Critical Webasto Thermosysteme GmbH
Priority to DE10297811T priority Critical patent/DE10297811D2/de
Priority to PCT/DE2002/003222 priority patent/WO2004023587A1/de
Priority to AU2002325816A priority patent/AU2002325816A1/en
Publication of WO2004023587A1 publication Critical patent/WO2004023587A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a reformer for a fuel cell system with a fuel supply device which, during operation of the reformer, conveys fuel from a pressurized main fuel line to a reaction chamber.
  • Motor vehicles such as passenger cars, commercial vehicles, buses or ships, are used and serve to provide an additional energy source. This is accessed primarily when the motor drive motor, which is normally also used to generate electrical energy, is not in operation. With the help of fuel cell systems, for example, parking heaters or air conditioning systems can be operated while standing, without the capacity of the vehicle battery temporarily restricting the operation of these devices.
  • reformers In order to be able to operate a fuel cell with the same fuel as the drive motor of the vehicle, reformers are used which convert the mostly liquid fuel, for example gasoline or diesel, into a hydrogen-containing gas, the so-called reformate. The reformate can then be burned directly in the fuel cell.
  • the purpose of the fuel supply devices of reformers is to convey fuel from a tank or from a branch of a fuel line to a reaction chamber of the reformer. In addition, the amount of fuel supplied must be dosed.
  • the fuel supply devices can be designed as separate devices or form an integral part of the reformer. The present invention can be used in both embodiments.
  • Enclosed accessories are fuel supplies from other brennstoffbetrie- 'in vehicles known.
  • a fuel-operated heater in particular a vehicle heater with atmospheric evaporation burner, in which a suction pump designed as a metering pump sucks in fuel through a suction line from a fuel tank and supplies it through a pressure line • the evaporation burner.
  • a shut-off valve is arranged in the pressure line immediately upstream of the evaporation burner and prevents the pressure line from steaming empty.
  • Suction pumps of this type make it possible to supply fuel to a device with high dosing accuracy.
  • a separate suction line must be provided for the suction pump, which leads from the tank or at another suitable point in the remaining unpressurized fuel line system of the motor vehicle to the suction pump.
  • the installation of such a suction line is particularly complex when retrofitting a fuel cell system. It is therefore desirable to withdraw the fuel from a main fuel line of the vehicle.
  • Fuel is removed for the attachment of a branch of the pressurized main fuel line in the engine compartment is not in the generally used pressurized fuel single-line systems possible because today's designs can promote metering pumps for the supply of accessories only 'at low inlet pressures sufficiently accurate ,
  • a metering pump can be installed in such a way that a "high" fuel pressure is present on its inlet side. For example, a pressure of 2 bar is given as the high fuel pressure.
  • a pressure of 2 bar is given as the high fuel pressure.
  • a reduction in the pressure of the fuel to be introduced into the dosing pump is necessary in these cases.
  • a pressure of only 230 mbar is permissible for the metering pump as the inlet pressure.
  • the metering pump In order to achieve the required reduction in pressure, the metering pump must be on the inlet side Pressure control valve can be integrated, which reduces the actual fuel pressure to a low value that is suitable for the metering pump.
  • the object of the invention is therefore to improve a reformer of the type mentioned at the outset in such a way that a direct connection to a high-pressure fuel line system is made possible.
  • the reformer's fuel supply device should be simple and inexpensive.
  • a reformer of the type mentioned at the outset which is characterized in that the fuel supply device has at least one chamber into which a fuel line opens with a pre-pressure section for supplying the fuel with the pressure of the main fuel line, and from which a line with a Final pressure section opens out, a metering device having a movable piston being arranged between the pre-pressure section and the final pressure section, and the metering device having on the output side a check valve which has a predetermined minimum opening pressure which is greater than the maximum pre-pressure occurring in the fuel line.
  • the basic idea of the invention is that it is imperative for previously known metering pumps that only a very low admission pressure is present on the inlet side, but that a metering device is designed by means of the movable piston. that can, which guarantees a highly precise dosing even with a relatively high inlet pressure on the input side.
  • the first chamber formed on the metering device is provided with a check valve, preferably with a spring, by means of which the first chamber is connected to the end pressure section of the fuel line.
  • This check valve prevents fuel from escaping from the first chamber. Fuel under pre-pressure can therefore not pass through the metering device on its own, as can occur, for example, in the case of the electromagnetically operated pump according to DE 42 43 866 A1.
  • a check valve as described in DE 195 45 677 A1, can be dispensed with in the fuel supply device of a reformer which is further developed according to the invention.
  • the check valve is designed such that its opening pressure is slightly above the maximum inlet pressure that occurs in the supply line. This enables the metering device to be arranged directly on the reaction chamber. The metering of the fuel is particularly precise in this case and a particularly space-saving solution has been found. Since the line path of the final pressure section of the fuel line is at the same time relatively short, the reaction chamber can be supplied with fuel again very quickly after the metering device has been switched off.
  • the high admission pressure initially has the advantage that the reformer according to the invention can be connected at any point in the fuel line system of the motor vehicle.
  • the high upstream pressure also means that the metering device itself is only relatively small
  • the metering device of the fuel supply device has a piston which is displaceably mounted in a cylinder in such a way that a first chamber with a variable volume is formed at one end of the piston and which fuel can be supplied under pre-pressure through the pre-pressure section of the fuel line.
  • the fuel entering the chamber is conveyed by moving the piston toward the reaction chamber in the end pressure section of the fuel line.
  • the pressure of the fuel is further increased, at least slightly.
  • the fuel is metered to the reaction chamber in a particularly simple manner. In other words, the fuel is conveyed to the reaction chamber in portions.
  • a reformer with the fuel supply device designed according to the invention is relatively inexpensive and also has a lower energy consumption.
  • the reformer according to the invention with its fuel supply can be particularly advantageously used when its metering device to an inlet pressure of 2 to 10 bar, in particular from 5 to 8 bar, is • tuned.
  • This admission pressure can be provided by a supply line, a return line or a fuel chamber, in which pressure is built up by means of a fuel pump that is internal to the vehicle or that is external to the vehicle.
  • the fuel pump does not have to dose the fuel like conventional metering pumps do, but only has to provide the pre-pressure.
  • the fuel for the reformer reaction chamber is metered according to the invention by means of the metering device.
  • a further developed metering device particularly advantageously has a second chamber at the second end of the piston, which is likewise delimited by the cylinder and the fuel can be supplied under pre-pressure.
  • the piston of the metering device is thus loaded at both ends with fuel under pre-pressure, thus establishing a balance of forces on the piston. If the piston is now to be displaced, the driving unit only has to generate the force required
  • both the first chamber and the second chamber are connected to the pre-pressure section and to the indentation section, so that when the piston is moved back and forth, fuel is alternately conveyed into the final pressure section.
  • the pre-pressure section and / or final pressure section advantageously branch within the metering device in each case into two lines communicating with the respective chambers.
  • the reformer according to the invention can also be produced particularly cost-effectively by providing at least one follow-up valve in the fuel supply device, by means of which the first chamber is connected to the pre-pressure section of the fuel line and which is closed by displacing the piston.
  • a follow-up valve can be formed in a simple manner by a follow-up opening, ie a radial bore which, when the piston is in the basic position, passes through a wall of the cylinder in front of one end of the piston. If the piston is moved out of its rest position, it runs over the trailing opening and closes it with it. When the piston is moved further, the fuel which is then initially enclosed in the first chamber is pushed out of the latter and fed to the reaction chamber.
  • the follow-up valve can be designed as a so-called central valve in the piston itself.
  • the piston which is provided in the metering device developed according to the invention, is actuated particularly advantageously by means of a magnet coil.
  • This can be supplied with electrical current, which is either predefined over time or which can be changed, taking into account further factors, for example by means of a control unit.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a reformer with a fuel supply device
  • Figure 2 shows a first embodiment of a metering device in longitudinal section
  • Figure 3 shows a second embodiment of a metering device also in longitudinal section.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a reformer 1 for a fuel line system.
  • the reformer 1 has a reaction chamber 4 with a mixture formation zone 8 and a reforming zone 5, in which a fuel and an oxidizing gas, for example air, are mixed in order to subsequently react with one another in the reforming zone 5 to form reformate 7.
  • the oxidation gas is fed to the reaction chamber 4 via a blower 6 and the fuel through a fuel feed device 9 in a defined amount and under a defined pressure.
  • This is shown in the figure as a separate unit, but can also be designed as an integral part of the reformer.
  • FIG. 2 shows a more detailed illustration of the fuel supply device 9.
  • a metering device 10 encompassed by this and shown in FIG. 2 has a housing block 12 in which a circular-cylindrical cavity 14 is formed, which extends with respect to FIG. 2 along a horizontal axis 16.
  • the housing block 12 forms with the cavity 14 a cylinder in which a circular-cylindrical piston 18 is sealingly slidably mounted.
  • the piston 18 divides the cavity 14 into a first chamber 20, which is located at the left end of the piston 18 in relation to FIG. 2, and a second chamber 22 which is located at the right end of the piston 18 in relation to FIG.
  • a fuel line 24 leads through the metering device 10. This is divided by the first chamber 20 into a pre-pressure section 26 and an end pressure section 28.
  • the admission pressure section 26 is formed by a line 26A, which extends radially to the axis 16 through the housing block 12 and opens into the first chamber 20 at a trailing opening 30.
  • a pressure relief line 31 leads from said bore through the housing block 12 and opens into the second chamber 22 in the form of a line 28B.
  • the end pressure section 28 is designed by means of a line 28A, which likewise extends radially to the axis 16 and in relation to FIG 2 outermost left end region of the cavity 14 leads out of this.
  • the pre-pressure section 26 is supplied with fuel under pre-pressure from a chamber (not shown) of a fuel line system of an internal combustion engine. This can be done, for example, by means of a relatively imprecise pump, such as a vibrating piston pump.
  • the end pressure section 28 is connected to a reaction chamber (not shown) of a fuel-operated reformer, by means of which reformate for a fuel cell is produced.
  • a nonreturn valve 32 is also arranged at the end of the first chamber 20 facing away from the piston 18 and, in the closed state, closes the first chamber 20 in a liquid-tight manner.
  • the end pressure section 28 leads out of the cavity 14 with the line 28A.
  • the check valve 32 has a valve plate 34 which is pressed by a spring 36 against a valve seat 38.
  • the piston 18 is held displaceably by means of a tension spring 40 which is arranged in the second chamber 22 and is fastened to the end wall of the cavity 14.
  • the piston 18 is also radially surrounded by a magnetic coil 42, which is embedded in the housing block 12 and by the alternating excitation of the piston 18 can be set into an oscillating movement.
  • fuel is present in the admission line 26 under an admission pressure of approx. 8 bar. This fuel also fills the first chamber 20 up to the check valve 32.
  • the piston 18 is initially in the position shown in FIG. 2.
  • the overflow opening 30 acts like an overflow valve, which allows fuel to flow in only when the piston 18 is at least essentially in its basic position shown in FIG. If the metering device 10 is now put into operation, the piston 18 is displaced along the axis 16 in the direction of the first chamber 20 by means of the magnet coil 42. That of the first chamber 20 turned end of the piston 18 passes over the trailing opening 30, which is thereby closed.
  • the pressure of the outflowing fuel is determined by the back pressure of the spring 36 on the check valve 32.
  • the amount removed is determined by the stroke of the piston 18 since the fuel is essentially incompressible. If necessary, this stroke can be changed by a corresponding control of the solenoid 42 according to the currently existing form.
  • measuring devices can be provided, by means of which the pre-pressure and / or the final pressure is determined.
  • the magnet coil 42 is shut down and the piston 18 is pulled back into its basic position by the tension spring 40. In this position, fuel flows under pre-pressure through the trailing opening 30 into the first chamber 20.
  • the pre-pressure of the fuel is also present in the second chamber 22.
  • the piston 18 is therefore loaded with pre-pressure at both ends, so that the solenoid 42 only generates the force for displacing the piston 18 against the additional pressure building up in the first chamber 18 and against the force of the tension spring 40 got to. It can therefore be designed to be relatively low-power and small.
  • the dosage itself is, so to speak, insensitive to pre-pressure.
  • Figure 3 shows an embodiment of a metering device 10, in which the piston 18 is designed as a double-acting piston.
  • the first chamber 20 and a check valve 32 arranged thereon are formed at one end of the piston 18 in accordance with the exemplary embodiment described above and are connected via a line 26A to the admission pressure section 26 and via a line 28A to the end pressure section 28 of the fuel line 24.
  • the second chamber 22 is connected both to the pre-pressure section 26 via a line 26B and to the end pressure section 28 via a line 28B.
  • a check valve 32 is arranged in the second chamber 22, which is designed like the check valve 32 on the first chamber 20.
  • the lines 28A and 28B leading out of the first and second chambers 20 and 22 are combined in a final pressure section 28 of the fuel line.
  • the lines 26A and 26B leading into the first chamber 20 and the second chamber 22 in the metering device 10 are combined in a pre-pressure section 26.
  • the connections of the second chamber 22 to the pre-pressure and final pressure sections 26 and 28 of the fuel line 24 are designed according to those on the first chamber 20.
  • the connection of the admission pressure section 26 to the second chamber 22 is designed as a follow-up valve by means of a follow-up opening 30.
  • the piston 18 is prestressed at both ends by a compression spring 44, which is arranged in the chambers 20 and 22 and is supported on the valve seats 38 of the respective check valves 32.
  • the piston 18 is first shifted from the basic position shown in FIG. 3 by means of the magnetic coil 42 in one direction and then in the opposite direction along the axis 16.
  • the solenoid 42 has two windings, not shown, which can be controlled separately.
  • the piston 18 carries out two strokes, in which fuel is displaced from the first chamber 20 and from the second chamber 22 through the respective check valve 32 under final pressure into the final pressure section 28 and is thus metered to the reaction chamber mentioned. Due to the rapid succession of doses, the metering device 10 according to this exemplary embodiment results in particularly small pressure fluctuations in the final pressure section 28 of the fuel line 24. This leads to a particularly precise quantitative metering of the fuel.
  • the check valve or valves 32 perform a double function. On the one hand, they limit or control the final pressure at which fuel is conveyed out of the metering device 10, on the other hand it blocks or they shut off the fuel line 24 while no fuel is being conveyed. Emptying or empty steaming of the fuel line 24 is thereby reliably prevented. The "zero closure" of the fuel line 24 required by reformers is thus ensured.
  • a check valve, as described in the reformer ⁇ according to DE 195 45 677 AI, is not required in the exemplary embodiments shown. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

Um bei einem Reformer eines Brennstoffzellensystems die Brennstoffzuführeinrichtung kostengünstiger zu gestalten, umfasst diese eine Brennstoffzuführeinrichtung, die wenigstens eine Kammer (20, 22) aufweist, in die eine Brennstoffleitung (24) mit einem Vordruckabschnitt (26) einmündet und aus der eine Leitung (28A) mit einem Enddruckabschnitt (28) ausmündet. Zwischen dem Vordruckabschnitt (26) und dem Enddruckabschnitt (28) ist eine einen bewegbaren Kolben (18) aufweisende Dosiereinrichtung (10) angeordnet, mittels der der Brennstoff unmittelbar auf den vor Reaktionskammer benötigten Enddruck erhöht wird. Die Dosiereinrichtung (10) weist ausgangsseitig ein Rückschlagventil (32) auf, das einen vorbestimmten Mindestöffnungsdruck besitzt, der grösser als der in der Brennstoffleitung (24) maximal auftretende Vordruck ist.

Description

Beschreibung
Reformer für ein BrennstoffZellensystem
Die Erfindung betrifft einen Reformer für ein Brennstoffzel- lensystem mit einer Brennstoffzuführeinrichtung, die im Betrieb des Reformers Brennstoff von einer unter Druck stehenden Hauptbrennstoffleitung zu einer Reaktionskammer fördert.
Mobile Brennstoffzellensysteme werden als Zusatzgeräte in
Kraftfahrzeugen, wie beispielsweise Personenwagen, Nutzfahrzeugen, Bussen oder Schiffen, eingesetzt und dienen zur Bereitstellung einer zusätzlichen Energiequelle. Auf diese wird vor allem dann zugegriffen, wenn der Antriebsmotor des Kraft- fahrzeugs, der normalerweise auch zur Erzeugung elektrischer Energie eingesetzt wird, nicht in Betrieb ist. Mit Hilfe von Brennstoffzellensystemen lassen sich so beispielsweise Standheizgeräte oder Klimaanlagen im Stand betreiben, ohne dass die Kapazität der Fahrzeugbatterie den Betrieb dieser Geräte zeitlich beschränkt. Um eine Brennstoffzelle mit demselben Brennstoff betreiben zu können wie den Antriebsmotor des Fahrzeugs, werden Reformer eingesetzt, die den zumeist flüssigen Brennstoff, beispielsweise Benzin oder Diesel, in ein wasserstoffhaltiges Gas, das sogenannte Reformat, umwandeln. Das Reformat kann dann direkt in der Brennstoffzelle verbrannt werden. Die Brennstoffzuführeinrichtungen von Reformern haben die Aufgabe, Brennstoff aus einem Tank oder von einem Abzweig einer Brennstoffleitung zu einer Reaktionkammer des Reformers zu fördern. Außerdem muß die zugeführte Brenn- stoffmenge dosiert werden. Die Brennstoffzuführeinrichtungen können dabei als separate Geräte ausgeführt sein, oder einen integralen Bestandteil des Reformers bilden. Die vorliegende Erfindung kann in beiden Ausführungsformen Anwendung finden.
BrennstoffZuführungen sind auch von anderen brennstoffbetrie- ' benen Zusatzgeräten in Fahrzeugen bekannt. Aus DE 195 45 677 AI ist beispielsweise ein brennstoffbetriebenes Heizgerät, insbesondere ein Fahrzeug-Heizgerät mit atmosphärischem Verdampfungsbrenner, bekannt, bei dem eine als Saugpumpe ausgebildete Dosierpumpe Brennstoff durch eine Saugleitung aus einem Brennstofftank ansaugt und durch eine Druckleitung dem • Verdampfungsbrenner zuführt. In der Druckleitung ist unmittelbar vor dem Verdampfungsbrenner ein Sperrventil angeordnet, welches ein Leerdampfen der Druckleitung verhindert.
Saugpumpen von solcher Gestalt ermöglichen es, einem Gerät Brennstoff mit hoher Dosiergenauigkeit zuzuführen. Nachteilig ist hingegen, dass für die Saugpumpe eine eigene Saugleitung vorgesehen werden muss, die aus dem Tank oder an einer anderen geeigneten Stelle des restlichen drucklosen Brennstoffleitungssystems des Kraftfahrzeuges zur Saugpumpe führt. Der Einbau einer solchen Saugleitung ist insbesondere beim Nachrüsten eines Brennstoffzellensystems aufwendig. Es ist daher wünschenswert, den Brennstoff auf einer Hauptbrennstoffleitung des Fahrzeugs zu entnehmen.
Die Brennstoffentnahme für das Zusatzgerät aus einem Abzweig der unter Druck stehenden Hauptbrennstoffleitung im Motorraum ist bei den im allgemeinen verwendeten, unter Druck stehenden Treibstoff-Einstrangsystemen nicht möglich, da die heutigen Bauarten von Dosierpumpen zur Versorgung der Zusatzgeräte nur ' bei geringen Vordrücken ausreichend genau fördern können.
Aus der DE 198 22 872 AI ist es bekannt, dass eine Dosierpumpe derart eingebaut werden kann, dass an ihr eingangsseitig ein "hoher" Brennstoffdruck anliegt. Als hoher Brennstoff- druck wird beispielsweise ein Druck von 2 bar angeführt. In der DE 198 22 872 AI ist weiterhin angegeben, dass zur Sicherstellung einer hohen Dosiergenauigkeit in diesen Fällen eine Reduzierung des Druckes des in die Dosierpumpe einzuführenden Brennstoffes erforderlich ist. Als eingangsseitiger Vordruck ist für die Dosierpumpe lediglich ein Druck von 230 mbar zulässig. Um die erforderliche Reduzierung des Druckes zu erzielen, muss in die Dosierpumpe eingangsseitig ein Druckregelventil integriert sein, das den eigentlichen Brennstoffdruck auf einen geringen Wert reduziert, der für die Dosierpumpe geeignet ist.
Bei modernen Kraftfahrzeugen wird der Brennstoff den Motoren mit verhältnismäßig hohen Drücken, beispielsweise mit bis zu 8 bar zugeführt. Diese Drücke ermöglichen neue Techniken der Brennstoffeinspritzung, wie beispielsweise das Common Rail System oder zeitgesteuerte Einzelpumpensysteme (Pumpe-Düse- Einheit und Pumpe-Leitung-Düse) . Diese zusätzliche Druckerhöhung führt jedoch dazu, dass der direkte Anschluss eines Reformers an die Brennstoffleitung weiter erschwert wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Refor- mer der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass ein direkter Anschluss an ein Hochdruck-Brennstoffleitungssytem ermöglicht wird. Dabei soll die BrennstoffZuführeinrichtung des Reformers einfach und kostengünstig aufgebaut sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Reformer der eingangs genannten Art gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, die Brennstoffzuführeinrichtung wenigstens eine Kammer aufweist, in die eine Brennstoffleitung mit einem Vordruckabschnitt einmündet zur Zuführung des Brennstoffs mit dem Druck der Hauptbrennstoffleitung, und aus der eine Leitung mit einem Enddruckabschnitt ausmündet, wobei zwischen dem Vordruckabschnitt und dem Enddruckabschnitt eine einen bewegbaren Kolben aufweisende Dosiereinrichtung angeordnet ist, und wobei die Dosiereinrichtung ausgangsseitig ein Rückschlagventil aufweist, das einen vorbestimmten Mindestöffnungsdruck besitzt, der größer als der in der Brennstoffleitung maximal auftretende Vordruck ist.
Der Grundgedanke der Erfindung ist, dass es zwar für bisher bekannte Dosierpumpen zwingend ist, dass eingangsseitig lediglich ein sehr geringer Vordruck anliegt, dass aber mittels des bewegbaren Kolbens eine Dosiereinrichtung gestaltet wer- den kann, die eine hochgenaue Dosierung auch mit einem eingangsseitig verhältnismäßig hohen Vordruck gewährleistet.
Die an der Dosiereinrichtung gebildete erste Kammer ist er- findungsgemäß mit einem Rückschlagventil, vorzugsweise mit einer Feder, versehen, mittels dem die erste Kammer mit dem Enddruckabschnitt der Brennstoffleitung verbunden ist. Dieses Rückschlagventil verhindert ein Austreten von Brennstoff aus der ersten Kammer. Brennstoff unter Vordruck kann daher nicht von allein durch die Dosiereinrichtung hindurchtreten, wie es beispielsweise bei' der elektromagnetisch betriebenen Pumpe gemäß DE 42 43 866 AI auftreten kann. Ferner kann bei der erfindungsgemäß weitergebildeten Brennstoffzuführeinrichtung eines Reformers auf ein Sperrventil verzichtet werden, wie es in DE 195 45 677 AI beschrieben ist.
Das Rückschlagventil ist derart ausgebildet, dass sein Öffnungsdruck etwas über dem maximal auftretenden Vordruck in der Zufuhrleitung liegt. Dies ermöglicht es, dass die Do- siereinrichtung unmittelbar an der Reaktionskämmer angeordnet sein kann. Die Dosierung des Brennstoffs ist in diesem Fall besonders genau und es ist eine besonders platzsparende Lösung gefunden. Da der Leitungsweg des Enddruckabschnitts der Brennstoffleitung dabei zugleich verhältnismäßig kurz gestal- tet ist, kann die Reaktionskammer nach einem Abschalten der Dosiereinrichtung sehr schnell erneut mit Brennstoff versorgt werden.
Der hohe Vordruck bringt zunächst den Vorteil mit sich, dass der erfindungsgemäße Reformer an einer beliebigen Stelle im Brennstoffleitungssystem des Kraftfahrzeuges angeschlossen werden kann.
Ferner führt der hohe Vordruck aber zugleich dazu, dass die Dosiereinrichtung selbst nur eine verhältnismäßig geringe
Druckerhöhung erzeugen muss, um den gewünschten Enddruck zu erreichen. Der am Motor des Kraftfahrzeugs bereitstehende Druck wird also nicht erst verringert, um ihn anschließend wieder zu erhöhen, wie es die DE 198 22 872 AI beschreibt, sondern er wird unmittelbar auf den erforderlichen Enddruck erhöht .
Die Dosiereinrichtung der Brennstoffzuführeinrichtung weist einen Kolben auf, der in einem Zylinder derart verschiebbar gelagert ist, dass an einem Ende des Kolbens eine erste Kammer mit veränderbarem Volumen gebildet ist, der durch den Vordruckabschnitt der Brennstoffleitung Brennstoff unter Vordruck zugeführt werden kann. Der in die Kammer eingetretene Brennstoff wird durch Verschieben des Kolbens in Richtung zur Reaktionska mer in den Enddruckabschnitt der Brennstoffleitung gefördert. Der Druck des Brennstoffs wird dabei, zumin- dest geringfügig, weiter erhöht. Gleichzeitig wird in besonders einfacher Weise der Brennstoff dosiert der Reaktionskammer zugeführt. Mit anderen Worten wird der Brennstoff sozusagen portioniert zur Reaktionskammer gefördert.
Ein Reformer mit der erfindungsgemäß ausgebildeten Brennstoffzuführeinrichtung ist verhältnismäßig kostengünstig ausgebildet und weist darüber hinaus auch einen geringeren Energieverbrauch auf.
Der erfindungsgemäße Reformer mit seiner Brennstoffzuführeinrichtung kann besonders vorteilhaft verwendet werden, wenn seine Dosiereinrichtung auf einen Vordruck von 2 bis 10 bar, insbesondere von 5 bis 8 bar, abgestimmt • ist . Dieser Vordruck kann von einer Vorlaufleitung, einer Rücklaufleitung oder ei- ner Brennstoffkammer bereitgestellt werden, in der mittels einer fahrzeugeigenen oder einer fahrzeugfremden Brennstoffpumpe Druck aufgebaut wird. Die Brennstoffpumpe muss den Brennstoff nicht dosieren, so wie dies herkömmliche Dosierpumpen tun, sondern muss lediglich den Vordruck bereitstel- len. Das Dosieren des Brennstoffs für die Reaktionskammer des Reformers erfolgt erfindungsgemäß mittels der Dosiereinrichtung. Eine weitergebildete Dosiereinrichtung weist besonders vorteilhaft am zweiten Ende des Kolbens eine zweite Kammer auf, die ebenfalls vom Zylinder begrenzt ist und der Brennstoff • unter Vordruck zugeführt werden kann. Der Kolben der Dosiereinrichtung ist damit an seinen beiden Enden mit unter Vordruck stehendem Brennstoff belastet, womit insofern ein Kräftegleichgewicht am Kolben hergestellt ist. Soll der Kolben nun verschoben werden, so muss von der antreibenden Ein- heit lediglich die zum Erhöhen des Vordrucks auf den Enddruck erforderliche Kraft erzeugt werden.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind sowohl die erste Kammer als auch die zweite Kam- mer mit dem Vordruckabschnitt und mit dem Eindruckabschnitt verbunden, so dass bei einem Hin- und Herbewegen des Kolbens wechselweise Brennstoff in den Enddruckabschnitt gefördert wird.
Der Vordruckabschnitt und/oder Enddruckabschnitt verzweigen sich vorteilhafterweise innerhalb der Dosiereinrichtung jeweils in zwei mit den jeweiligen Kammern kommunizierende Leitungen.
Der erfindungsgemäße Reformer ist ferner besonders kostengünstig herzustellen, indem in der Brennstoffzuführeinrichtung zumindest ein Nachlaufventil vorgesehen ist, mittels dem die erste Kammer mit dem Vordruckabschnitt der Brennstoffleitüng verbunden ist und das durch Verschieben des Kolbens ver- schlössen wird. Ein derartiges Nachlaufventil kann in einfacher Weise durch eine NachlaufÖffnung gebildet sein, d.h. eine Radialbohrung, die bei Grundstellung des Kolbens eine Wand des Zylinders vor dem einem Ende des Kolbens durchsetzt. Wird der Kolben aus seiner Ruhelage verschoben, so überfährt er die NachlaufÖffnung und verschließt sie damit. Beim weiteren Verschieben das Kolbens wird der dann in der ersten Kammer zunächst eingeschlossene Brennstoff aus dieser ausgeschoben und der Reaktionskammer zugeführt. Alternativ kann das Nachlaufventil als ein sogenanntes Zentralventil im Kolben selbst gestaltet sein.
Der Kolben, der bei der erfindungsgemäß weitergebildeten Dosiereinrichtung vorgesehen ist, wird besonders vorteilhaft mittels einer Magnetspule betätigt. Diese kann mit elektrischem Strom gespeist werden, der entweder über der Zeit fest vorgegeben ist oder der unter Berücksichtigung weiterer Fak- toren beispielsweise mittels eines Steuergerätes verändert werden kann.
Um den Kolben in besonders einfacher Weise in seine Ruhelage zurückzubewegen, kann dieser insbesondere in Richtung auf die zweite Kammer federnd vorgespannt ( sein.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Reformers anhand der beigefügten schematischen Zeichnun- ' gen näher erläutert. Es zeigt:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Reformers mit einer Brennstoffzuführeinrichtung,
Figur 2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Dosiereinrich- tung im Längsschnitt und
Figur 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Dosiereinrichtung ebenfalls im Längsschnitt.
Die Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Reformer 1 für ein BrenstoffZeilensystem. Der Reformer 1 weist eine Reaktionskammer 4 mit einer Gemischbildungszone 8 und einer Reformierzone 5 auf, in der ein Brennstoff und ein Oxidationsgas, zum Beispiel Luft, vermischt werden, um an- schließend in der Reformierzone 5 miteinander zu Reformat 7 zu reagieren. Das Oxidationsgas wird der Reaktionskammer 4 über ein Gebläse 6 und der Brennstoff durch eine Brennstoff- zuführeinrichtung 9 in einer definierten Menge und unter einem definierte Druck zugeführt. Diese ist in Figur als separate Einheit dargestellt, kann aber auch als integraler Bestandteil des Reformers ausgeführt werden.
Die Figur 2 zeigt eine detailliertere Darstellung der Brennstoffzuführeinrichtung 9. Eine von dieser umfaßte und in Figur 2 dargestellte Dosiereinrichtung 10 weist einen Gehäuseblock 12 auf, in dem ein kreiszylinderförmiger Hohlraum 14 gebildet ist, der sich bezogen auf Figur 2 längs einer waagrechten Achse 16 erstreckt. Der Gehäuseblock 12 bildet mit dem Hohlraum 14 einen Zylinder, in dem ein kreiszylinderförmiger Kolben 18 abdichtend verschiebbar gelagert ist. Der Kolben 18 teilt den Hohlraum 14 in eine erste Kammer 20, die sich bezogen auf Figur 2 am linken Ende des Kolbens 18 befindet, und eine zweite Kammer 22, die sich bezogen auf Figur 2 am rechten Ende des Kolbens 18 befindet.
Durch die Dosiereinrichtung 10 führt eine Brennstoffleitung 24 hindurch. Diese ist durch die erste Kammer 20 in einen Vordruckabschnitt 26 und einen Enddruckabschnitt 28 unterteilt. Der Vordruckabschnitt 26 ist durch eine Leitung 26A gebildet, die sich radial zur Achse 16 durch den Gehäuseblock 12 erstreckt und an einer Nachlauföffnung 30 in die erste Kammer 20 einmündet. Eine Druckentlastungsleitung 31 führt von der genannten Bohrung durch den Gehäuseblock 12 und mündet in Form einer Leitung 28B in die zweite Kammer 22. Der Endruckabschnitt 28 ist mittels einer Leitung 28A gestaltet, die sich ebenfalls radial zur Achse 16 erstreckt und im bezo- gen auf Figur 2 äußersten linken Endbereich des Hohlraums 14 aus diesem hinausführt.
Dem Vordruckabschnitt 26 wird Brennstoff unter Vordruck aus einer nicht dargestellten Kammer eines Brennstoffleitungssy- stems eines Verbrennungsmotors zugeführt. Dies kann beispielsweise mittels einer verhältnismäßig ungenau fördernden Pumpe, etwa einer Schwingkolbenpumpe, geschehen. Der Enddruckabschnitt 28 ist mit einer nicht dargestellten Reaktionskammer eines mit Brennstoff betriebenen Reformers verbunden, mittels dem Reformat für eine Brennstoffzelle er- zeugt wird.
In der Dosiereinrichtung 10 ist ferner an dem vom Kolben 18 abgewandten Ende der ersten Kammer 20 ein Rückschlagventil 32 angeordnet, welches im geschlossenen Zustand die erste Kammer 20 flüssigkeitsdicht verschließt. An der der ersten Kammer 20 gegenüberliegenden Seite des Rückschlagventils 32 führt der Enddruckabschnitt 28 mit der Leitung 28A aus dem Hohlraum 14 hinaus. Das Rückschlagventil 32 weist einen Ventilteller 34 auf, der von einer Feder 36 gegen einen Ventilsitz 38 ge- drückt wird.
Der Kolben 18 ist mittels einer Zugfeder 40 verschiebbar gehalten, die in der zweiten Kammer 22 angeordnet und an der Stirnwand des Hohlraums 14 befestigt ist. Der Kolben 18 ist ferner radial von einer Magnetspule 42 umgeben, die in den Gehäuseblock 12 eingelassen ist und durch dessen wechselnde Erregung der Kolben 18 in eine oszillierende Bewegung versetzt werden kann.
Im Betrieb des genannten Reformers steht in der Vordruckleitung 26 Brennstoff unter einem Vordruck von ca. 8 bar an. Dieser Brennstoff füllt auch die erste Kammer 20 bis vor das Rückschlagventil 32. Der Kolben 18 befindet sich dabei zunächst in der in Figur 2 dargestellten Stellung.
Die Nachlauföffnung 30 wirkt wie ein Nachlaufventil, welches ein Nachströmen von Brennstoff nur ermöglicht, wenn sich der Kolben 18 zumindest im wesentlichen in seiner in Figur 2 dargestellten Grundstellung befindet. Wird nun die Dosierein- richtung 10 in Funktion genommen, so wird der Kolben 18 mittels der Magnetspule 42 längs der Achse 16 in Richtung auf die erste Kammer 20 verschoben. Das der ersten Kammer 20 zu- gewandte Ende des Kolbens 18 überfährt dabei die Nachlauföffnung 30, die dadurch verschlossen wird.
Aufgrund der verschlossenen NachlaufÖffnung 30 ist in diesem Betriebszustand' Brennstoff in der ersten Kammer 20 vor dem Rückschlagventil 32 eingeschlossen. Dieser Brennstoff wird bei weiterer axialer Verschiebung des Kolbens 18 von diesem unter Druck gesetzt. Sobald dabei der Öffnungsdruck des Rückschlagventils 32 erreicht wird, öffnet dieses und der Brenn- stoff kann in den Enddruckabschnitt 28 der Brennstoffleitung 24 und damit zur genannten Reaktionskammer abströmen. Der Hubweg und der Durchmesser des Kolbens 18 sind so gewählt, dass mit einem einzelnen Hub die gewünschte Brennstoffmenge dosiert wird.
Der Druck des abströmenden Brennstoffs ist durch den Gegendruck der Feder 36 am Rückschlagventil 32 bestimmt. Die abgeführte Menge wird, da der Brennstoff im wesentlichen nicht kompressibel ist, durch den Hub des Kolbens 18 festgelegt. Im Bedarfsfall kann dieser Hub durch eine entsprechende Ansteue- rung der Magnetspule 42 gemäß dem momentan bestehenden Vordruck verändert werden. Hierzu können Messeinrichtungen vorgesehen sein, mittels denen der Vordruck und/oder der Endruck ermittelt wird.
Nach erfolgtem Hub wird die Magnetspule 42 abgeregelt und der Kolben 18 wird von der Zugfeder 40 in seine Grundstellung zurückgezogen. In dieser Stellung strömt Brennstoff unter Vordruck durch die Nachlauföffnung 30 in die erste Kammer 20 nach.
Während des Hubs des Kolbens 18 steht auch in der zweiten Kammer 22 der Vordruck des Brennstoffs an. Der Kolben 18 ist demnach an seinen beiden Enden mit Vordruck belastet, so dass die Magnetspule 42 nur die Kraft zum Verschieben des Kolbens 18 gegen den sich in der ersten Kammer 18 zusätzlich aufbauenden Druck und gegen die Kraft der Zugfeder 40 erzeugen muss. Sie kann daher verhältnismäßig leistungsarm und klein gestaltet sein. Darüber hinaus ist die Dosierung selbst sozusagen vordruckunempfindlich.
Figur 3 stellt ein Ausführungsbeispiel einer Dosiereinrichtung 10 dar, bei der der Kolben 18 als doppelt wirkender Kolben ausgebildet ist.
Hierzu ist an einem Ende des Kolbens 18 die erste Kammer 20 und ein an dieser angeordnetes Rückschlagventil 32 entsprechend dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ausgebildet und über eine Leitung 26A an den Vordruckabschnitt 26 und über eine Leitung 28A an den Enddruckabschnitt 28 der Brenn- stoffleitung 24 angeschlossen.
Darüber hinaus ist die zweite Kammer 22 bei diesem Ausführungsbeispiel sowohl mit dem Vordruckabschnitt 26 über eine Leitung 26B als auch mit dem Enddruckabschnitt 28 über eine Leitung 28B verbunden. Ferner ist in der zweiten Kammer 22 ein Rückschlagventil 32 angeordnet, das wie das Rückschlagventil 32 an der ersten Kammer 20 gestaltet ist. Die aus der ersten und zweiten Kammer 20 bzw. 22 herausführenden Leitungen 28A und 28B sind in einem Enddruckabschnitt 28 der Brennstoffleitung zusammengefasst . Eben so sind die in die erste Kammer 20 und die zweite Kammer 22 in hineinführenden Leitungen 26A und 26B in der Dosiereinrichtung 10 in einem Vordruckabschnitt 26 zusammengefasst Die Anschlüsse der zweiten Kammer 22 an den Vordruck- und den Enddruckabschnitt 26 bzw. 28 der Brennstoffleitung 24 sind entsprechend denen an der ersten Kammer 20 gestaltet. Insbesondere ist der Anschluss des Vordruckabschnitts 26 an der zweiten Kammer 22 mittels einer NachlaufÖffnung 30 als Nachlaufventil gestaltet.
Der Kolben 18 ist an seinen beiden Enden durch je eine Druck- feder 44 vorgespannt, die in den Kammern 20 bzw. 22 angeordnet sind und sich an den Ventilsitzen 38 der jeweiligen Rückschlagventile 32 abstützen. Im Betrieb der Dosiereinrichtung 10 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 3 wird der Kolben 18 aus der in Figur 3 dargestellten Grundstellung mittels der Magnetspule 42 zunächst in die eine und anschließend in die entgegengesetzte Richtung längs der Achse 16 verschoben. Die Magnetspule 42 weist dazu zwei nicht dargestellte Wicklungen auf, die getrennt angesteuert werden können. Dabei führt der Kolben 18 zwei Hübe aus, in denen je Brennstoff zum einen aus der ersten Kammer 20 und zum anderen aus der zweiten Kammer 22 durch das jeweilige Rückschlagventil 32 unter Enddruck in den Enddruckabschnitt 28 verschoben und damit der genannten Reaktionskammer dosiert zugeführt wird. Aufgrund der zeitlich schnell aufeinanderfolgenden Dosierungen ergeben sich bei der Dosierein- richtung 10 gemäß diesem Ausführungsbeispiel besonders geringe Druckschwankungen in dem Enddruckabschnitt 28 der Brennstoffleitung 24. Dies führt zu einer mengenmäßig besonders genauen Dosierung des Brennstoffs.
Das bzw. die Rückschlagventile 32 erfüllen eine Doppelfunktion. Sie begrenzen bzw. steuern einerseits den Enddruck, mit dem Brennstoff aus der Dosiereinrichtung 10 herausgefördert wird, andererseits sperrt es bzw. sperren sie die Brennstoffleitung 24 ab, während kein Brennstoff gefördert wird. Dadurch wird ein Entleeren oder Leerdampfen der Brennstoffleitung 24 sicher verhindert. Der bei Reformern geforderte "Nullabschluss" der Brennstoffleitung 24 ist somit gewährleistet. Ein Sperrventil, wie es bei dem Reformer ■ gemäß DE 195 45 677 AI beschrieben ist, wird bei den dargestellten Ausführungsbeispielen nicht benötigt. Bezugszeichenliste
1 Reformer
4 Reaktionskammer
5 Reformierzone
6 Gebläse
7 Reformat
8 Gemischbildungszone
9 Brennstoffzuführeinrichtung
10 Dosiereinrichtung
12 Gehäuseblock
14 zylinderförmiger Hohlraum
16 Achse des Hohlraums
18 Kolben
20 erste Kammer
22 zweite Kammer
24 Brennstoffleitung
26 Vordruckabschnitt
26A Leitung
26B Leitung
28 Enddruckabschnitt
28A Leitung
28B Leitung
30 Nachlaufventil (NachlaufÖffnung)
31 Druckentlastungsleitung
32 Rückschlagventil
34 Ventilteller
36 Ventilfeder
38 Ventilsitz
40 Zugfeder
42 Magnetspule
44 Druckfeder

Claims

Patentansprüche
1. Reformer für ein Brennstoffzellensystem mit
einer Brennstoffzuführeinrichtung, die im Betrieb des Reformers Brennstoff von einer unter Druck stehenden Haupt- brennstoffleitung zu einer Reaktionskammer fördert,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Brennstoffzuführeinrichtung wenigstens eine Kammer (20, 22) aufweist, in die eine Brennstoffleitung (24) mit einem Vordruckabschnitt (26) einmündet zur Zuführung des Brennstoffs mit dem Druck der Hauptbrennstoffleitung, und aus der eine Leitung (28A, 28B) mit einem Enddruckabschnitt (28) ausmündet, wobei zwischen dem Vordruckabschnitt (26) und dem Enddruckabschnitt (28) eine einen bewegbaren Kolben (18) aufweisende ' Dosiereinrichtung (10) angeordnet ist, und wobei die Dosiereinrichtung (10) ausgangsseitig ein Rückschlagventil (32) aufweist, das einen vorbestimmten Mindest- öffnungsdruck besitzt, der größer als der in der Brennstoffleitung (24) maximal auftretende Vordruck ist.
2. Reformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Brennstoffzuführeinrichtung der Kolben (18) in einem Zylinder (12, 14) verschiebbar gelagert ist und an einem Ende des Kolbens (18) eine erste Kammer (20) mit veränderbarem Volumen gebildet ist.
3. Reformer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass am anderen Ende des Kolbens (18) eine zweite Kammer (22) mit veränderbarem Volu- men gebildet ist.
4. Reformer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Hin- und Herbewegen des Kolbens (18) wechselweise in der ersten Kammer (20) und in der zweiten Kammer (22) Brennstoff auf den von der Reaktionskammer benötigten Enddruck erhöht wird.
5. Reformer nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Vordruckab- schnitt (26) sich innerhalb der Dosiereinrichtung (10) in zwei Leitungen (26A, 26B) verzweigt, von denen jede in eine der Kammern (20, 22) einmündet.
6. Reformer nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Enddruckabschnitt (28) aus zwei von den beiden Kammern (20, 22) ausmündenden, sich innerhalb der Dosiereinrichtung (10) vereinigenden Leitungen (28A, 28B) mit Brennstoff gespeist wird.
7. Reformer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinrichtung (10) wenigstens ein Nachlaufventil (30) aufweist, mittels dem die Kammern (20 bzw. 22) mit dem Vordruckabschnitt (26) der Brennstoffleitung (24) verbunden ist und das durch Verschieben des Kolbens (18) verschlossen wird.
8. Reformer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinrichtung (10) eine Magnetspule (42) aufweist, mittels der der Kolben (18) axial verschoben werden kann.
9. Reformer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (18) mittels einer Feder (40) in eine Richtung, insbesondere in Rich- tung auf die zweite Kammer (22) vorgespannt ist.
10. Brennstoffzuführeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinrichtung (10) auf einen Vordruck von 2 bis 10 bar, insbesondere' von 5 bis 8 bar eingerichtet ist.
11. Verwendung eines Reformers nach einem der Ansprüche 1 bis 10 in einem Kraftfahrzeug.
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