DE10057418A1 - Reactor unit used for steam reforming a gas mixture stream containing hydrocarbons in fuel cells has sheet layers with heating fluid channels and gas mixture channels arranged to form a specified angle - Google Patents

Reactor unit used for steam reforming a gas mixture stream containing hydrocarbons in fuel cells has sheet layers with heating fluid channels and gas mixture channels arranged to form a specified angle

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DE10057418A1 DE2000157418 DE10057418A DE10057418A1 DE 10057418 A1 DE10057418 A1 DE 10057418A1 DE 2000157418 DE2000157418 DE 2000157418 DE 10057418 A DE10057418 A DE 10057418A DE 10057418 A1 DE10057418 A1 DE 10057418A1
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Abstract

Reactor unit has sheet layers (2) partially forming a honeycomb structure (3) through which a fluid can flow. The layers having heating fluid channels (4) arranged parallel to the heating fluid direction (5) and gas mixture channels (6) arranged parallel to the gas mixture direction (7). The heating fluid channels and the gas mixture channels form an angle of 45-135, especially 90 deg . Preferred Features: The sheet layers are structured so that the gas mixture channels are arranged with the heating fluid channels between two sheet layers. The sheet layers forming the gas mixture channels have a catalytically active coating. The reactor unit further comprises an electrical heater.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Reaktoreinheit zur Wasserdampfreformierung eines kohlenwasserstoffhaltigen Gasgemischstromes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Reaktoreinheit und eine einen solche Reaktoreinheit umfassende Reformeranlage eignen sich insbesondere zur Erzeugung von einem wasserstoffreichen Gasstrom, insbesondere zum Zwecke des Betriebes einer mobilen Brennstoffzelle, die beispielsweise in Kraftfahrzeugen eingesetzt wird.The invention relates to a reactor unit for steam reforming a hydrocarbon-containing gas mixture stream according to the preamble of Claim 1. Such a reactor unit and such a reactor unit Comprehensive reformer system are particularly suitable for the production of one hydrogen-rich gas stream, in particular for the purpose of operating a mobile fuel cell, which is used for example in motor vehicles.

Die Technologie der Brennstoffzelle basiert auf der Umkehrung der Wasserelektrolyse. Werden bei der Elektrolyse durch Stromfluß die Gase Wasserstoff und Sauerstoff aus Wasser bereitgestellt, so dreht sich bei der Brennstoffzelle diese Reaktion um. Demnach ist der Kraftstoff für eine Brennstoffzelle Wasserstoff, d. h. Wasserstoff kann als der eigentliche Brennstoff für die elektrochemische Umsetzung in Brennstoffzellen angesehen werden. Dabei liegt das Problem weniger in der Verwendung des Wasserstoffs, als vielmehr in seiner Erzeugung. Speziell für den Einsatz in mobilen Anwendungen ergibt sich dabei die Frage, ob der Wasserstoff direkt im Fahrzeug mitgeführt und verwendet wird, oder ob er in indirekter Form in sogenannten Wasserstoffträgern wie zum Beispiel Methanol, Benzin, etc. gespeichert wird und dann erst im Fahrzeug selbst in Wasserstoff umgewandelt wird. Da für den zum Betrieb von Brennstoffzellen notwendigen Wasserstoff noch keine Infrastruktur vorhanden ist und die Speicherung von Wasserstoff mit den heutigen Möglichkeiten noch sehr aufwendig ist, ist die Frage nach der Versorgung der Fahrzeuge mit Kraftstoff von elementarer Bedeutung. Aus diesem Grund wurde in den vergangenen Jahren die Entwicklung von wasserstofferzeugenden Nebenaggregaten im Fahrzeug (Reformer) stark vorangetrieben.The technology of the fuel cell is based on the reversal of the Water electrolysis. During electrolysis, the gases flow Hydrogen and oxygen provided from water, so turns at Fuel cell this reaction around. So the fuel is for one Fuel cell hydrogen, i. H. Hydrogen can be considered the real fuel be considered for the electrochemical implementation in fuel cells. The problem is less in the use of hydrogen than rather in its production. Especially for use in mobile applications The question arises whether the hydrogen is carried in the vehicle and is used, or whether it is used indirectly in so-called hydrogen carriers such as methanol, gasoline, etc. is saved and only then in Vehicle itself is converted to hydrogen. As for the operation of Fuel cells required hydrogen, there is still no infrastructure and the storage of hydrogen with today's options is still very much is complex, the question of the supply of vehicles with fuel from elementary meaning. For this reason, the  Development of hydrogen-producing auxiliary units in the vehicle (Reformer) pushed hard.

Mit dem Begriff Reformierung wird eine Reihe von Prozessen für die Produktion wasserstoffreicher Gase, sogenannter Reformate, bezeichnet. Der Einsatz von Katalysatoren im Reformer ermöglicht hierbei eine Beschleunigung sowie eine bessere Kontrolle der Prozesse. Nachfolgend werden die wichtigsten Prozesse zur Erzeugung von Wasserstoff kurz erläutert.The term reforming describes a series of processes for production hydrogen-rich gases, so-called reformates. The use of Catalysts in the reformer enable acceleration and acceleration better control of processes. The most important processes for Generation of hydrogen briefly explained.

Bei der partiellen Oxidation wird dem verdampften Kohlenwasserstoff Sauerstoff oder Luft als Oxidationsmittel zugegeben. Damit entsteht eine stark exotherme Oxidationsreaktion, die überschüssige Wärme produziert. Da die Reaktionswärme im Inneren des Reaktors entsteht, können prinzipiell gute Start- und Lastwechselzeiten erreicht werden. Der Wasserstoffgehalt des entstehenden Spaltgases ist jedoch niedrig (ca. 50% H2) und der CO-Gehalt hoch (ca. 3 bis 4% CO).In the partial oxidation, oxygen or air is added as the oxidizing agent to the vaporized hydrocarbon. This creates a highly exothermic oxidation reaction that produces excess heat. Since the heat of reaction is generated inside the reactor, good start and load change times can in principle be achieved. However, the hydrogen content of the resulting cracked gas is low (approx. 50% H 2 ) and the CO content is high (approx. 3 to 4% CO).

Unter den Möglichkeiten der Reformierung von Kohlenwasserstoffen ist die Dampfreformierung der am weitesten verbreitete Prozeß. Dabei wirkt Wasserdampf durch seinen Sauerstoffanteil einerseits als Oxidationsmittel, um den im Brennstoff enthaltenen Wasserstoff vom Kohlenstoff zu trennen und trägt andererseits selbst zur Wasserstoffproduktion bei. Daher ergeben sich für reine Dampfreformierungsprozesse schon bei niedrigem Temperaturniveau die höchsten Wasserstoffausbeuten aller Reformierungsprozesse.One of the possibilities for reforming hydrocarbons is Steam reforming is the most common process. It works Water vapor due to its oxygen content on the one hand as an oxidizing agent to separate and carry the hydrogen contained in the fuel from the carbon on the other hand, contribute to hydrogen production. Hence arise for pure Steam reforming processes even at low temperatures highest hydrogen yields of all reform processes.

Dampfreformierungsreaktionen sind stark endotherm und benötigen daher externe Wärmequellen. Die sich daraus ergebende Herausforderung liegt darin, trotz der notwendigen Wärmeübertragungsprozesse und der damit verbundenen Zeitkonstanten die Start- und Lastwechselzeiten des Reformers so gering wie möglich zu halten. Steam reforming reactions are highly endothermic and therefore require external ones Heat sources. The resulting challenge is, despite the necessary heat transfer processes and the associated Time constants the start and load change times of the reformer as low as to keep possible.  

Ein kompakter Wasserdampfreformer ist beispielsweise aus der Patentschrift US 5,733,347 bekannt. Der plattenartig aufgebaute Dampfreformer weist einen Reformerbereich auf, in dem ein kohlenwasserstoffhaltiger Gasstrom mit Hilfe von Wasserdampf reformiert wird. Der Reformerbereich ist von ebenfalls plattenförmig aufgebauten Heizelementen umgeben. Der Reformerbereich ist weiter in zwei Randbereiche und einen Zentralbereich unterteilt, wobei das zu reformierende Gasgemisch zunächst die Randbereiche nahe den Heizelementen durchströmt, und anschließend im Gegenstrom durch den Zentralbereich geführt wird. Die einzelnen plattenartigen Elemente des Dampfreformers sind mit glatten und strukturierten Blechen aufgebaut, die zumindest teilweise katalytisch beschichtet und für einen Gasstrom durchströmbar sind. Die Strömungsrichtung der Gasströme in den benachbarten plattenförmigen Segmenten ist stets entgegengesetzt, wobei teilweise Mittel zur Umlenkung der Strömungsrichtung benötigt werden. Die plattenartigen Segmente weisen zudem eine gewisse Breite auf, so daß ein Wärmeübergang im wesentlichen nur zwischen den Teilgasströmen ausgetauscht werden kann, welche nahe der Wandung der Segmente entlangströmen. Dies kann zu einer inhomogenen Temperaturverteilung und somit auch zu einer unterschiedlichen Intensität der Reformierung führen.A compact steam reformer is known, for example, from US Pat. No. 5,733,347 known. The plate-shaped steam reformer has one Reformer area in which a hydrocarbon-containing gas stream with the help is reformed by water vapor. The reform area is also from surrounded by plate-shaped heating elements. The reformer area is further divided into two marginal areas and a central area, which too reforming gas mixture first the edge areas near the heating elements flows through, and then led in countercurrent through the central area becomes. The individual plate-like elements of the steam reformer are smooth and structured sheets that are at least partially catalytic coated and flowable for a gas stream. The flow direction the gas flows in the adjacent plate-shaped segments is always opposite, with some means for redirecting the flow direction are needed. The plate-like segments also have a certain width on, so that heat transfer essentially only between the Part gas flows can be exchanged, which near the wall of the Stream segments. This can lead to an inhomogeneous temperature distribution and thus also lead to different levels of reform.

Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Reaktoreinheit zur Wasserdampfreformierung eines kohlenwasserstoffhaltigen Gasgemischstromes anzugeben, die einfach aufgebaut ist und einen verbesserten Wärmeübergang vom Heizmedium zu dem zu reformierenden Gasgemischstrom gestattet. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Reaktoreinheit gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.Proceeding from this, it is an object of the present invention to Reactor unit for steam reforming a hydrocarbon-containing one To specify gas mixture flow, which is simple and an improved Heat transfer from the heating medium to the gas mixture stream to be reformed allowed. This object is achieved by a reactor unit according to the Features of claim 1. Advantageous further developments are the subject of dependent claims.

Die Reaktoreinheit zur Wasserdampfreformierung eines kohlenwasserstoffhaltigen Gasgemischstromes weist Blechlagen auf, welche zumindest teilweise eine für ein Fluid durchströmbare Wabenstruktur bilden. Die Blechlagen weisen Heizfluidkanäle parallel zu einer Heizfluidströmungsrichtung und Gasgemischkanäle parallel zu einer Gasgemischströmungsrichtung auf. Die erfindungsgemäße Reaktoreinheit zeichnet sich dadurch aus, daß die Heizfluidkanäle und die Gasgemischkanäle einen Winkel einschließen, der vorzugsweise zwischen 45° und 135°, insbesondere etwa 90° beträgt.The reactor unit for steam reforming a hydrocarbon-containing gas mixture stream has sheet metal layers, which at least partially form a honeycomb structure through which a fluid can flow. The Sheet metal layers have heating fluid channels parallel to a heating fluid flow direction  and gas mixture channels parallel to a gas mixture flow direction. The Reactor unit according to the invention is characterized in that the Heating fluid channels and the gas mixture channels enclose an angle that is preferably between 45 ° and 135 °, in particular about 90 °.

Die Wasserdampfreformierung läuft vorzugsweise bei Temperaturen von 400° bis 700°C ab. Dies hat zur Folge, daß das in die Reaktoreinheit hineinströmende Gasgemisch möglichst schnell auf diese Temperatur erwärmt wird, um anschließend auch eine effektive Wasserstoffausbeute in der Reaktoreinheit erzielen zu können. Da das Gasgemisch im Betrieb mit einer vorgebbaren Strömungsgeschwindigkeit die Reaktoreinheit durchströmt, hat eine langsamere Erwärmung des Gasgemischstromes im Hinblick auf eine vorgebbare Wasserstoffausbeute eine axial längere Ausbildung der Gasgemischkanäle zur Folge. Die erfindungsgemäße Reaktoreinheit gewährleistet eine Anströmung des Heizfluids unter einem Winkel 45° bis 135° quer zur Gasgemischströmungsrichtung auf, wobei bereits im Eintrittsbereich des Gasgemischstromes in die Reaktoreinheit eine sehr große Temperaturdifferenz des Heizfluids gegenüber dem Gasgemischstrom ausgeprägt ist. Während bei einem Wärmeaustausch im Gegenstromprinzip die höchsten Temperaturen des Gasgemischstromes auf der Austrittsseite festzustellen sind, wird bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung eine höhere Temperatur gerade im Eintrittsbereich erreicht. Die axiale Länge der Gasgemischkanäle kann dadurch reduziert werden, wodurch auch die Reaktoreinheit besonders kompakt ausgeführt werden kann. Zudem erleichtert eine gekreuzte Anordnung von Heizfluidkanälen und Gasgemischkanälen die Zuführung des Heizfluids beziehungsweise des Gasgemisches, da die entsprechenden Anschlüsse deutlich voneinander beabstandet angeordnet werden können.Steam reforming preferably runs at temperatures from 400 ° to 700 ° C. This has the consequence that that flowing into the reactor unit Gas mixture is heated to this temperature as quickly as possible then also an effective hydrogen yield in the reactor unit to be able to achieve. Since the gas mixture is in operation with a specifiable Flow rate flowing through the reactor unit has a slower rate Heating of the gas mixture stream with a view to a predefinable one Hydrogen yield an axially longer formation of the gas mixture channels Episode. The reactor unit according to the invention ensures that the Heating fluids at an angle of 45 ° to 135 ° across Gas mixture flow direction, with already in the inlet area of the Gas mixture flow into the reactor unit has a very large temperature difference of the heating fluid in relation to the gas mixture flow is pronounced. While at a heat exchange in the counterflow principle the highest temperatures of the Gas mixture flow on the outlet side is determined at the embodiment according to the invention a higher temperature just in Entry area reached. The axial length of the gas mixture channels can thereby can be reduced, which also makes the reactor unit particularly compact can be. In addition, a crossed arrangement of heating fluid channels facilitates and gas mixture channels the supply of the heating fluid and the Gas mixture, since the corresponding connections are clearly different can be arranged at a distance.

Dabei ist es besonders vorteilhaft, daß die Blechlagen geschichtet sind, wobei insbesondere die Blechlagen mit den Gasgemischkanälen zwischen zwei Blechlagen mit Heizfluidkanälen angeordnet sind. Dies bedeutet, daß die Blechlagen mit den Heizfluidkanälen jeweils zwischen zwei Blechlagen mit Heizfluidkanälen angeordnet ist, wobei diese im wesentlichen soweit voneinander beabstandet sind, wie die Strukturhöhe der Wabenstruktur der Blechlage mit den Gasgemischkanälen. Auf diese Weise wird gewährleistet, daß jeder Gasgemischkanal benachbart zu einer Blechlage mit Heizfluidkanälen angeordnet ist. Die Strukturhöhe der Wabenstruktur beträgt vorzugsweise kleiner 5 mm. Eine derartig aufgebaute Reaktoreinheit gewährleistet einen besonders guten Wärmeaustausch zwischen dem Heizfluid und dem Gasgemischstrom.It is particularly advantageous that the sheet metal layers are layered, wherein especially the sheet metal layers with the gas mixture channels between two Sheet metal layers with heating fluid channels are arranged. This means that the  Sheet layers with the heating fluid channels between two sheet layers Heating fluid channels is arranged, these essentially as far from each other are spaced like the structural height of the honeycomb structure of the sheet metal layer with the Gas mixture channels. This ensures that everyone Gas mixture channel arranged adjacent to a sheet metal layer with heating fluid channels is. The structure height of the honeycomb structure is preferably less than 5 mm. A such a reactor unit ensures a particularly good one Heat exchange between the heating fluid and the gas mixture flow.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist die Reaktoreinheit Blechlagen mit abwechselnd glatten und gewellten Blechen auf. Eine mit glatten und gewellten Blechen ausgeführte Reaktoreinheit ist besonders einfach herstellbar, sehr temperaturbeständig und erlaubt eine sehr flexible Formgebung der Reaktoreinheit.According to a further embodiment, the reactor unit has sheet metal layers alternately smooth and corrugated sheets. One with smooth and wavy Reactor unit designed in sheet metal is particularly easy to manufacture, very much temperature resistant and allows a very flexible shaping of the Reactor unit.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung haben zumindest die Blechlagen, welche die Gasgemischkanäle bilden, eine katalytisch aktive Beschichtung. Vorzugsweise weisen alle Blechlagen eine katalytisch aktive Beschichtung auf. Für eine effektive Wasserstoffgewinnung mittels der Wasserdampfreformierung bereits bei tieferen Temperaturen (ca. 400°C) werden insbesondere katalytisch aktive Beschichtungen verwendet, die Kupferoxide, Zinkoxide, Nickeloxide oder Edelmetalle beinhalten.According to a further embodiment, at least the sheet metal layers which have the Form gas mixture channels, a catalytically active coating. Preferably all sheet metal layers have a catalytically active coating. For one effective hydrogen generation by means of steam reforming lower temperatures (approx. 400 ° C) are particularly catalytically active Coatings used, the copper oxides, zinc oxides, or nickel oxides Include precious metals.

Gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung weisen zumindest die Blechlagen, welche die Gasgemischkanäle bilden, Erhebungen zur Verwirbelung des Gasgemischstromes auf, die sich zumindest teilweise in die Gasgemischkanäle hineinerstrecken. Die Erhebungen bilden im Inneren der Gasgemischkanäle eine Art Strömungskante, wodurch das vorbeiströmende Gasgemisch verwirbelt wird. Auf diese Weise wird zum Beispiel der Wärmeaustausch innerhalb des Gasgemischstromes verbessert und somit rascher die für eine Dampfreformierung erforderliche Temperatur erreicht. According to yet another embodiment, at least the sheet metal layers have which form the gas mixture channels, surveys for swirling the Gas mixture flow, which is at least partially in the gas mixture channels hineinerstrecken. The elevations form a inside the gas mixture channels Kind of flow edge, whereby the gas mixture flowing past is swirled. In this way, for example, the heat exchange within the Gas mixture flow improved and thus faster for steam reforming required temperature reached.  

Gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung sind die Blechlagen mit Blechen ausgeführt, wobei die Bleche Öffnungen aufweisen, die für den Gasgemischstrom zumindest teilweise durchströmbar sind. Die derart gebildeten kommunizierenden Gasgemischkanäle beziehungsweise Heizfluidkanäle gewährleisten eine Durchmischung des Gasstromes beziehungsweise Fluids. Während bei einer derartigen Ausgestaltung der Heizfluidkanäle eine effektivere Ausnutzung der zur Verfügung gestellten Wärmeenergie im Vordergrund steht, hat eine derartige Ausgestaltung der Bleche mit Öffnungen bei den Gasgemischkanälen auch eine positive Auswirkung hinsichtlich der Konzentrationsunterschiede von noch zu reformierenden Kohlenwasserstoffen im Gasgemischstrom. Dadurch wird eine höhere Wasserstoffausbeute sichergestellt.According to yet another embodiment, the sheet metal layers are with sheets executed, wherein the sheets have openings for the gas mixture flow are at least partially flowable. The communicating so formed Gas mixture channels or heating fluid channels ensure one Mixing of the gas stream or fluid. While at one such configuration of the heating fluid channels a more effective use of the Provided thermal energy is in the foreground, has such Design of the sheets with openings in the gas mixture channels also one positive impact in terms of concentration differences from yet to reforming hydrocarbons in the gas mixture stream. This will make one higher hydrogen yield ensured.

Dabei ist es besonders vorteilhaft, daß die Bleche eine Dicke kleiner 0,08 mm aufweisen, vorzugsweise kleiner 0,04 mm, insbesondere kleiner 0,02 mm. Auf diese Weise haben die Blechlagen der Reaktoreinheit nur eine sehr geringe oberflächenspezifische Wärmekapazität, wodurch auch direkt nach dem Kaltstart einer solchen Reaktoreinheit ein sehr guter Wärmeübergang vom Heizfluid auf den Gasgemischstrom gewährleistet ist.It is particularly advantageous that the sheets have a thickness of less than 0.08 mm have, preferably less than 0.04 mm, in particular less than 0.02 mm. On in this way, the sheet metal layers of the reactor unit are very small surface-specific heat capacity, which means that it can also be used immediately after a cold start Such a reactor unit has a very good heat transfer from the heating fluid the gas mixture flow is guaranteed.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung hat die Reaktoreinheit zusätzliche Heizmittel, insbesondere eine elektrische Heizung. Gerade in Verbindung mit mobilen Reformeranlagen ist es wichtig, daß die Wasserdampfreformierung sehr schnell nach dem Start elementaren Wasserstoff produziert. Da die Wasserdampfreaktionen jedoch endotherm ablaufen, der Beginn der Wasserstoffproduktion somit temperaturabhängig ist, muß die benötigte Wärme unmittelbar nach dem Start der Reformeranlage zur Verfügung stehen. Dabei ist es besonders vorteilhaft, zusätzliche Heizmittel wie beispielsweise eine elektrische Heizung vorzusehen. Die dazu notwendige Spannungsquelle (z. B. Batterie) kann beispielsweise auch bei mobilen Reformeranlagen mitgeführt werden. Somit ist gewährleistet, daß die Reformereinheit bereits erwärmt wird, bevor das Heizfluid eine entsprechende Temperatur aufweist und dann vorzugsweise ausschließlich die Einhaltung der erforderlichen Temperatur des Gasgemischstromes bewirkt.According to a further embodiment, the reactor unit has additional ones Heating means, especially an electric heater. Especially in connection with Mobile reformer plants, it is important that the steam reforming very elemental hydrogen produced quickly after the start. Since the Water vapor reactions, however, are endothermic, the beginning of Hydrogen production is therefore temperature-dependent, the heat required are available immediately after the start of the reformer system. It is it is particularly advantageous to use additional heating means such as a to provide electrical heating. The necessary voltage source (e.g. Battery) can also be carried in mobile reformer systems, for example become. This ensures that the reformer unit is already heated,  before the heating fluid has a corresponding temperature and then preferably only compliance with the required temperature of the Gas mixture flow causes.

Gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung weist die Reaktoreinheit eine Einheitsquerschnittsfläche auf, wobei zumindest die Anzahl der Gasgemischkanäle pro Einheitsquerschnittsfläche in Gasgemischströmungs­ richtung zunimmt. Dabei ist es besonders vorteilhaft, daß die Reaktoreinheit in Gasgemischströmungsrichtung mehrere Zonen aufweist, wobei zumindest die Kanaldichte der in Gasgemischströmungsrichtung zuletzt angeordneten Zone größer als 1000 cpsi ("cells per square inch") ist, vorzugsweise 1400 cpsi. Eine höhere Anzahl von Gasgemischkanälen in Gasgemischströmungsrichtung ist vorteilhaft, weil insbesondere in dem Bereich der Reaktoreinheit, in dem für die Wasserdampfreformierung geeignete Temperaturen vorliegen, durch die erhöhte Anzahl der Kanäle (bzw. Kanalwände) eine deutlich erhöhte Oberfläche bereitgestellt wird, die beispielsweise zu einer verbesserten katalytischen Umsetzung der Kohlenwasserstoffe führt.According to yet another embodiment, the reactor unit has one Unit cross-sectional area, at least the number of Gas mixture channels per unit cross-sectional area in gas mixture flow direction increases. It is particularly advantageous that the reactor unit in Gas mixture flow direction has several zones, at least the Channel density of the zone last arranged in the gas mixture flow direction is greater than 1000 cpsi ("cells per square inch"), preferably 1400 cpsi. A higher number of gas mixture channels in the gas mixture flow direction advantageous because, in particular, in the area of the reactor unit in which the Steam reforming suitable temperatures are present, due to the increased Number of channels (or channel walls) a significantly increased surface is provided, for example, to an improved catalytic Implementation of the hydrocarbons leads.

Gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung hat die Reaktoreinheit in Gasgemischströmungsrichtung mehrere Zonen, wobei die in Gasgemisch­ strömungsrichtung zuerst angeordneten Zone eine geringere oberflächen­ spezifische Wärmekapazität aufweist als in der stromabwärts angeordneten Zone beziehungsweise den stromabwärts angeordneten Zonen. Dies bedeutet, daß dem einströmenden Gasgemischstrom und/oder Heizfluidstrom aufgrund der geringen oberflächenspezifischen Wärmekapazität in der ersten Zone nur eine sehr geringe Wärmemenge entzogen wird. Dies führt ebenfalls zur einer schnelleren Aufheizung des Gasgemischstromes.According to yet another embodiment, the reactor unit in Gas mixture flow direction several zones, the one in gas mixture Flow direction of the first arranged zone has a smaller surface area has specific heat capacity than in the downstream zone or the zones located downstream. This means that the inflowing gas mixture flow and / or heating fluid flow due to the low surface specific heat capacity in the first zone only a very low one Amount of heat is withdrawn. This also leads to faster Heating of the gas mixture stream.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Reformeranlage zur Reformierung eines kohlenwasserstoffhaltigen Gasgemisches für eine Brennstoffzelle, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, vorgeschlagen, die eine Vorrichtung zur partiellen Oxidation eines kohlenwasserstoffhaltigen Gasgemischstromes und einer Abgasreinigungsanlage umfaßt. Die Reformeranlage zeichnet sich dadurch aus, daß diese eine erfindungsgemäße Reaktoreinheit aufweist. Dabei ist es besonders vorteilhaft, daß die Reaktoreinheit der Vorrichtung zur partiellen Oxidation des kohlenwasserstoffhaltigen Gasgemischstromes in Gasgemischströmungsrichtung direkt nachgeschaltet ist. Dies hat den Vorteil, daß der Gasgemischstrom bereits durch die partielle Oxidation erwärmt wird und somit der Gasgemischstrom bereits beim Eintritt in die Reformereinheit nahezu eine für die Wasserdampfreformierung geeignete Temperatur aufweist. Auf diese Weise ist eine Reformeranlage geschaffen, die auch den hohen Anforderungen hinsichtlich Kaltstart- und Lastwechselverhalten zum Betrieb einer Brennstoffzelle in einem Kraftfahrzeug erfüllt.According to a further aspect of the invention, a reformer system for Reforming a hydrocarbon gas mixture for a Fuel cell, in particular in a motor vehicle, proposed the one  Device for the partial oxidation of a hydrocarbon Gas mixture flow and an exhaust gas cleaning system includes. The Reformer system is characterized in that it is an inventive Has reactor unit. It is particularly advantageous that the reactor unit the device for the partial oxidation of the hydrocarbon-containing Gas mixture flow is connected directly downstream in the gas mixture flow direction. This has the advantage that the gas mixture flow already through the partial Oxidation is heated and thus the gas mixture stream as it enters the reformer unit is almost a suitable one for steam reforming Temperature. In this way, a reformer system is created that also the high requirements regarding cold start and load change behavior for operating a fuel cell in a motor vehicle.

Weitere Vorteile und besonders bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Reaktoreinheit werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert, wobei die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt ist. Es zeigen:Further advantages and particularly preferred configurations of the reactor unit according to the invention are described below with reference to the drawings explained in more detail, the invention not being shown Embodiments is limited. Show it:

Fig. 1 Schematisch und perspektivisch eine Ausführungsform der Wabenstruktur der erfindungsgemäßen Reaktoreinheit, Fig. 1 schematically and in perspective an embodiment of the honeycomb structure of the reactor unit of the invention,

Fig. 2 ein Blockschaubild einer Reformeranlage mit Brennstoffzelle, Fig. 2 is a block diagram of a reformer unit with the fuel cell,

Fig. 3 eine Detailansicht einer Ausführungsform einer Blechlage, Fig. 3 is a detail view of an embodiment of a sheet metal layer,

Fig. 4 eine Detailansicht einer weiteren Ausführungsform einer Blechlage, Fig. 4 is a detail view of another embodiment of a sheet metal layer,

Fig. 5 schematisch einer Reaktoreinheit mit einer elektrischen Heizung und Fig. 5 shows schematically a reactor unit with an electric heater and

Fig. 6 schematisch eine weitere Ausführungsform der Reaktoreinheit. Fig. 6 shows schematically a further embodiment of the reactor unit.

Fig. 1 zeigt schematisch und perspektivisch eine erste Ausführungsform einer für ein Fluid durchströmbaren Wabenstruktur 3 einer erfindungsgemäßen Reaktoreinheit 1. Die Wabenstruktur 3 einer erfindungsgemäßen Reaktoreinheit 1 ist mit Blechlagen 2 gebildet, wobei die Blechlagen 2 Heizfluidkanäle 4 parallel zu einer Heizfluidströmungsrichtung 5 und Gasgemischkanäle 6 parallel zu einer Gasgemischströmungsrichtung 7 aufweisen. Die Heizfluidkanäle 4 und die Gasgemischkanäle 6 schließen einen Winkel 8 ein, der etwa 90° beträgt. Die Blechlagen 2 umfassen glatte Bleche 9 und gewellte Bleche 10. Die Bleche 9 und 10 begrenzen die Kanäle 6 und 4, wobei die Kanäle eine Länge 26 und eine Strukturhöhe 27 aufweisen. Die dargestellte Ausführungsform zeigt Blechlagen 2 mit Gasgemischkanälen 6, die jeweils zwischen zwei Blechlagen 2 mit Heizfluidkanälen 4 angeordnet sind. Dabei ist jeder einzelne Gasgemischkanal 6 benachbart zu einer Blechlage 2 mit Heizfluidkanälen 6 angeordnet. Fig. 1 shows a first embodiment of a honeycomb structure through which a fluid 3 shows schematically and in perspective, a reactor unit 1 of the invention. The honeycomb structure 3 of a reactor unit 1 according to the invention is formed with sheet-metal layers 2 , the sheet-metal layers 2 having heating fluid channels 4 parallel to a heating fluid flow direction 5 and gas mixture channels 6 parallel to a gas mixture flow direction 7 . The heating fluid channels 4 and the gas mixture channels 6 enclose an angle 8 which is approximately 90 °. The sheet metal layers 2 comprise smooth sheets 9 and corrugated sheets 10 . The sheets 9 and 10 delimit the channels 6 and 4 , the channels having a length 26 and a structural height 27 . The illustrated embodiment shows sheet metal layers 2 with gas mixture channels 6 , which are each arranged between two sheet metal layers 2 with heating fluid channels 4 . Each individual gas mixture passage 6 is disposed adjacent to a sheet-metal layer 2 with Heizfluidkanälen. 6

Fig. 2 zeigt ein Blockschaubild einer Reformeranlage 19 mit einer nachgeschalteten Brennstoffzelle 20. Dabei werden ein kohlenwasserstoffhaltiger Gasstrom (CmHn) und ein sauerstoffhaltiger Gasstrom (O2) zunächst einer Vorrichtung 21 zur partiellen Oxidation zugeführt. Bei einer Verbrennung dieser beiden Gasströme wird ein wasserstoffreicher Gasgemischstrom erzeugt, der weiter stromabwärts einer erfindungsgemäßen Reaktoreinheit 1 zugeführt wird. Der Reaktoreinheit 1 wird dazu ein Heizfluid zugeführt, welches hier als erhitztes Wasser ausgeführt ist. Der Reaktoreinheit 1 schließt sich stromabwärts 7 eine Abgasreinigungsanlage 22 an. In der Abgasreinigungsanlage 22 werden Restmengen von Kohlenmonoxid im Gasgemischstrom eliminiert. Das derart erzeugte, besonders reine, wasserstoffreiche Gasgemisch wird nun einer Brennstoffzelle 20 zugeführt, die mit Hilfe des zur Verfügung gestellten Wasserstoffs Energie erzeugt. Eine derartige Reformeranlage eignet sich insbesondere für den Einbau in Kraftfahrzeugen, da sie sich durch ein besonders gutes Anspring- und Lastwechselverhalten auszeichnet. FIG. 2 shows a block diagram of a reformer system 19 with a fuel cell 20 connected downstream. A hydrocarbon-containing gas stream (C m H n ) and an oxygen-containing gas stream (O 2 ) are first fed to a device 21 for partial oxidation. When these two gas streams are burned, a hydrogen-rich gas mixture stream is generated which is fed further downstream to a reactor unit 1 according to the invention. For this purpose, a heating fluid is supplied to the reactor unit 1 , which is designed here as heated water. The reactor unit 1 is connected downstream of an exhaust gas purification system 22 . Residual amounts of carbon monoxide in the gas mixture stream are eliminated in the exhaust gas purification system 22 . The particularly pure, hydrogen-rich gas mixture produced in this way is now fed to a fuel cell 20 which generates energy with the aid of the hydrogen made available. Such a reformer system is particularly suitable for installation in motor vehicles, since it is distinguished by a particularly good starting and load change behavior.

Fig. 3 zeigt eine Detailansicht einer Blechlage 2 mit Gasgemischkanälen 6, die von einem Gasgemisch in einer Gasgemischströmungsrichtung 7 durchströmbar sind. Die Blechlage 2 umfaßt ein gewelltes Blech 10 und ein glattes Blech 9. Das gewellte Blech 10 ist hierbei mit Erhebungen 12 ausgeführt, die sich in zumindest einen Teil der Gasgemischkanäle 6 hinein erstreckt. Die Erhebungen 12 wurden hier in das gewellte Blech 10 geprägt, wobei diese nur zu einer Seite des gewellten Blechs 10 hervorstehen. Bei einer anderen Ausgestaltung, wie beispielsweise einer zweiseitigen Prägung erstrecken sich die Erhebungen 12 in vorzugsweise alle Gasgemischkanäle 6. Die Erhebungen 12 verlaufen hierbei quer zur Gasgemischströmungsrichtung 7, um eine effektive Verwirbelung des Gasgemischstromes zu bewirken. Die Erhebungen 12 haben vorzugsweise eine Höhe, die kleiner als 30%, insbesondere kleiner 10%, der Strukturhöhe 27 der Wabenstruktur 3 beträgt. FIG. 3 shows a detailed view of a sheet metal layer 2 with gas mixture channels 6 through which a gas mixture can flow in a gas mixture flow direction 7 . The sheet metal layer 2 comprises a corrugated sheet 10 and a smooth sheet 9 . The corrugated sheet 10 is designed with elevations 12 which extend into at least part of the gas mixture channels 6 . The elevations 12 were embossed here in the corrugated sheet 10 , these protruding only on one side of the corrugated sheet 10 . In another embodiment, such as a two-sided embossing, the elevations 12 preferably extend into all gas mixture channels 6 . The elevations 12 run transversely to the gas mixture flow direction 7 in order to effect an effective swirling of the gas mixture flow. The elevations 12 preferably have a height that is less than 30%, in particular less than 10%, of the structure height 27 of the honeycomb structure 3 .

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Blechlage 2 aus glatten 9 und gewellten Blechen 10. Die Bleche 9 und 10 haben eine Dicke 14, die vorzugsweise kleiner 0,08 mm beträgt. Die dargestellte Blechlage 2 bildet Gasgemischkanäle 6, die in einer Gasgemischströmungsrichtung 7 von einem Gasgemisch durchströmt werden. Die Gasgemischkanäle 6 weisen eine katalytisch aktive Beschichtung 11 auf. Die gewellten Bleche 10 weisen Erhebungen 12 und Öffnungen 13 auf, um eine Durchmischung des durchströmenden Gasgemischstromes zu bewirken. Bei dieser Ausführungsform erstrecken sich die Erhebungen 12 in alle Gasgemischkanäle 6 der Blechlage 2. Die Erhebungen 12 sind bei dieser Ausführungsform höher als bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform ausgebildet. Fig. 4 shows another embodiment of a sheet-metal layer 2 of smooth and corrugated sheets 9 10th The sheets 9 and 10 have a thickness 14 , which is preferably less than 0.08 mm. The sheet metal layer 2 shown forms gas mixture channels 6 through which a gas mixture flows in a gas mixture flow direction 7 . The gas mixture channels 6 have a catalytically active coating 11 . The corrugated sheets 10 have elevations 12 and openings 13 in order to cause the gas mixture stream to flow through. In this embodiment, the elevations 12 extend into all gas mixture channels 6 of the sheet metal layer 2 . The elevations 12 in this embodiment are higher than in the embodiment shown in FIG. 3.

Die Blechlagen 2 mit den Heizfluidkanälen 4 können bei einer weiteren Ausführungsform auch wie die in Fig. 3 und Fig. 4 dargestellten Blechlagen 2 ausgeführt sein. The sheet layers 2 with the Heizfluidkanälen 4 can also be as the sheet metal layers 2 shown in Fig. 3 and Fig. 4 carried out at a further embodiment.

Fig. 5 zeigt schematisch und perspektivisch eine Reaktoreinheit 1 mit einer elektrischen Heizung 15. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde hierbei auf eine maßstabsgetreue Darstellung der Kanäle in Relation zur Größe der Reaktoreinheit 1 verzichtet. Wie bereits erläutert, weist die Reaktoreinheit 1 vorzugsweise eine Kanaldichte von mehr als 1000 cpsi auf. Die elektrische Heizung 15 ist über Anschlüsse 16 mit den Blechlagen 2 so verbunden, daß im Inneren der Reformereinheit 1 ein Strompfad 24 gebildet ist. Der Strompfad 24 kann beispielsweise mit Hilfe einer isolierenden 23 Beschichtung der glatten Bleche 9 und stromdurchflossenen gewellten Blechen 10 oder beispielsweise durch einen in das Innere der Reformereinheit 1 angeordneten Heizdraht ausgeführt sein. Um einen Strompfad 24 gleichmäßig verteilt in der Reaktoreinheit anzuordnen, können beispielsweise Leitbleche 25 verwendet werden, die zur Stromweiterleitung zu vorgebbaren Stellen der Reaktoreinheit 1 dienen, die dargestellte Reaktoreinheit 1 ist zudem nach außen durch eine Isolierung 23 geschützt, so daß ein Fehlstrom vermieden wird. Fig. 5 shows schematically and in perspective, a reactor unit 1 with an electrical heater 15. For reasons of clarity, the channels are not drawn to scale in relation to the size of the reactor unit 1 . As already explained, the reactor unit 1 preferably has a channel density of more than 1000 cpsi. The electrical heater 15 is connected via connections 16 to the sheet metal layers 2 in such a way that a current path 24 is formed in the interior of the reformer unit 1 . The current path 24 can be implemented, for example, with the aid of an insulating 23 coating of the smooth sheets 9 and corrugated sheets 10 through which current flows, or, for example, with a heating wire arranged in the interior of the reformer unit 1 . In order to arrange a current path 24 evenly distributed in the reactor unit, for example baffles 25 can be used, which serve for the current transmission to predetermined locations of the reactor unit 1 , the reactor unit 1 shown is also protected from the outside by insulation 23 , so that a fault current is avoided.

Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung einer Reaktoreinheit 1, welche eine Einheitsquerschnittsfläche 17 und in Gasgemischströmungsrichtung hintereinander angeordnete Zonen 18 aufweist. Die in Gasgemischströmungsrichtung 7 zuletzt angeordnete Zone 18.3 weist dabei vorzugsweise eine Anzahl von Gasgemischkanälen 6 pro Einheitsquerschnittsfläche 17 von größer als 1000 cpsi auf. FIG. 6 shows a schematic illustration of a reactor unit 1 which has a unit cross-sectional area 17 and zones 18 arranged one behind the other in the gas mixture flow direction. The zone 18.3 arranged last in the gas mixture flow direction 7 preferably has a number of gas mixture channels 6 per unit cross-sectional area 17 of greater than 1000 cpsi.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11

Reaktoreinheit
reactor unit

22

Blechlage
sheet metal layer

33

Wabenstruktur
honeycomb structure

44

Heizfluidkanal
heating fluid passage

55

Heizfluidströmungsrichtung
Heizfluidströmungsrichtung

66

Gasgemischkanal
Gas mixing passage

77

Gasgemischströmungsrichtung
Gas mixture flow direction

88th

Winkel
angle

99

glattes Blech
smooth sheet metal

1010

gewelltes Blech
corrugated sheet

1111

Beschichtung
coating

1212

Erhebung
survey

1313

Öffnung
opening

1414

Dicke
thickness

1515

elektrische Heizung
electric heating

1616

Anschluß
Connection

1717

Einheitsquerschnittsfläche
Unit cross-sectional area

1818

Zone
Zone

1919

Reformeranlage
reforming plant

2020

Brennstoffzelle
fuel cell

2121

Vorrichtung
contraption

2222

Abgasreinigungsanlage
emission control system

2323

Isolierung
insulation

2424

Strompfad
current path

2525

Leitblech
baffle

2626

Länge
length

2727

Strukturhöhe
structure height

2828

Zuleitung
supply

Claims (10)

1. Reaktoreinheit (1) zur Wasserdampfreformierung eines kohlenwasser­ stoffhaltigen Gasgemischstromes, die Blechlagen (2) aufweist, welche zumindest teilweise eine für ein Fluid durchströmbare Wabenstruktur (3) bilden, wobei die Blechlagen (2) Heizfluidkanäle (4) parallel zu einer Heizfluidströmungsrichtung (5) und Gasgemischkanäle (6) parallel zu einer Gasgemischströmungsrichtung (7) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizfluidkanäle (4) und die Gasgemischkanäle (6) einen Winkel (8) einschließen, der vorzugsweise zwischen 45° und 135°, insbesondere etwa 90° beträgt.1. reactor unit ( 1 ) for steam reforming a hydrocarbon-containing gas mixture stream, which has sheet metal layers ( 2 ) which at least partially form a honeycomb structure ( 3 ) through which fluid can flow, the sheet metal layers ( 2 ) heating fluid channels ( 4 ) parallel to a heating fluid flow direction ( 5 ) and gas mixture channels ( 6 ) parallel to a gas mixture flow direction ( 7 ), characterized in that the heating fluid channels ( 4 ) and the gas mixture channels ( 6 ) enclose an angle ( 8 ) which is preferably between 45 ° and 135 °, in particular approximately 90 ° is. 2. Reaktoreinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechlagen (2) geschichtet sind, wobei insbesondere die Blechlagen (2) mit den Gasgemischkanälen (6) jeweils zwischen zwei Blechlagen (2) mit Heizfluidkanälen (4) angeordnet sind.2. Reactor unit ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the sheet layers ( 2 ) are layered, in particular the sheet layers ( 2 ) with the gas mixture channels ( 6 ) are each arranged between two sheet layers ( 2 ) with heating fluid channels ( 4 ). 3. Reaktoreinheit (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechlagen (2) mit abwechselnden glatten (9) und gewellten Blechen (10) ausgeführt sind.3. Reactor unit ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the sheet layers ( 2 ) with alternating smooth ( 9 ) and corrugated sheets ( 10 ) are executed. 4. Reaktoreinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Gasgemischkanäle (6) bildenden Blechlagen (2) eine katalytisch aktive Beschichtung (11) aufweisen, vorzugsweise weisen alle Blechlagen (2) eine katalytisch aktive Beschichtung (11) auf.4. Reactor unit ( 1 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that at least the gas mixture channels ( 6 ) forming sheet metal layers ( 2 ) have a catalytically active coating ( 11 ), preferably all sheet metal layers ( 2 ) have a catalytically active coating ( 11 ) on. 5. Reaktoreinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Gasgemischkanäle (6) bildenden Blechlagen (2) Erhebungen (12) zur Verwirbelung des Gasgemischstromes aufweisen, die sich zumindest teilweise in die Gasgemischkanäle (6) hinein erstrecken.5. Reactor unit ( 1 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that at least the gas mixture channels ( 6 ) forming sheet metal layers ( 2 ) have elevations ( 12 ) for swirling the gas mixture flow, which at least partially into the gas mixture channels ( 6 ) extend. 6. Reaktoreinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Blechlagen (2) mit Blechen (9, 10) ausgeführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleche (9, 10) Öffnungen (13) aufweisen, die für den Gasgemischstrom zumindest teilweise durchströmbar sind.6. Reactor unit ( 1 ) according to one of claims 1 to 5, wherein the sheet layers ( 2 ) with sheets ( 9 , 10 ) are carried out, characterized in that the sheets ( 9 , 10 ) have openings ( 13 ) for the Gas mixture flow can be at least partially flowed through. 7. Reaktoreinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Blechlagen (2) mit Blechen (9, 10) ausgeführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleche (9, 10) eine Dicke (14) kleiner 0,08 mm aufweisen, vorzugsweise kleiner 0,04 mm, insbesondere kleiner 0,02 mm.7. Reactor unit ( 1 ) according to one of claims 1 to 6, wherein the sheet layers ( 2 ) with sheets ( 9 , 10 ) are carried out, characterized in that the sheets ( 9 , 10 ) have a thickness ( 14 ) less than 0.08 mm, preferably less than 0.04 mm, in particular less than 0.02 mm. 8. Reaktoreinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktoreinheit (1) zusätzliche Heizmittel (15, 16, 23, 24, 25), insbesondere eine elektrische Heizung (16) aufweist.8. Reactor unit ( 1 ) according to one of claims 1 to 7, characterized in that the reactor unit ( 1 ) has additional heating means ( 15 , 16 , 23 , 24 , 25 ), in particular an electric heater ( 16 ). 9. Reaktoreinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Reaktoreinheit (1) eine Einheitsquerschnittsfläche (17) hat, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Anzahl der Gasgemischkanäle (6) pro Einheitsquerschnittsfläche (17) in Gasgemischströmungsrichtung (7) zunimmt.9. Reactor unit ( 1 ) according to one of claims 1 to 8, wherein the reactor unit ( 1 ) has a unit cross-sectional area ( 17 ), characterized in that at least the number of gas mixture channels ( 6 ) per unit cross-sectional area ( 17 ) increases in the gas mixture flow direction ( 7 ) , 10. Reaktoreinheit (1) nach Anspruch 9, wobei die Reaktoreinheit (1) in Gasgemischströmungsrichtung (7) mehrere Zonen (18, 18.1, 18.2, 18.3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Gasgemischkanaldichte der in Gasgemischströmungsrichtung (7) zuletzt angeordneten Zone (18) größer als 1000 cpsi ist, vorzugsweise größer 1400 cpsi.10. Reactor unit ( 1 ) according to claim 9, wherein the reactor unit ( 1 ) in the gas mixture flow direction ( 7 ) has several zones ( 18 , 18.1 , 18.2 , 18.3 ), characterized in that at least the gas mixture channel density in the gas mixture flow direction ( 7 ) last arranged zone ( 18 ) is greater than 1000 cpsi, preferably greater than 1400 cpsi.
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