DE10083881B3

DE10083881B3 - Kompakte Brennstoffgas-Reformeranordnung

Info

Publication number: DE10083881B3
Application number: DE10083881T
Authority: DE
Inventors: Roger R. Lesieur; Thomas J. Corrigan
Original assignee: UTC Fuel Cells LLC
Current assignee: UTC Power Corp
Priority date: 1999-01-19
Filing date: 2000-01-19
Publication date: 2012-02-16
Anticipated expiration: 2020-01-20
Also published as: AU2853600A; US6203587B1; JP2002534350A; DE10083881T1; WO2000041804A1

Abstract

Kohlenwasserstoff-Brennstoffgas-Dampf-Reformeranordnung, aufweisend: a) eine Einlass-Verteilereinrichtung zum Lenken einer Mischung aus Brennstoffgas und Dampf in die Anordnung; b) einen Reformerabschnitt, der mit der Einlass-Verteilereinrichtung verbunden ist, um eine Strömung der Brennstoffgas- und Dampfmischung aufzunehmen, wobei der Reformerabschnitt aus einer ersten und einer zweiten voneinander beabstandeten Platte mit einem offenzelligen monolithischen Schaummaterial-Element, welches sandwichartig zwischen der ersten und zweiten Platte angeordnet ist, gebildet ist, wobei das monolithische, offenzellige Element einen diffusen Gasströmungsweg in den Reformerabschnitt liefert; c) einen Regenerator-Wärmetauscher-Abschnitt, der dem Reformerabschnitt benachbart ist, wobei der Regenerator-Wärmetauscher-Abschnitt aus der ersten Platte und einer dritten Platte, welche von der ersten Platte an deren der zweiten Platte entgegengesetzten Seite beabstandet ist, gebildet ist, wobei der Regenerator-Wärmetauscher-Abschnitt ferner ein monolithisches, offenzelliges Schaummaterial-Element beinhaltet, welches sandwichartig zwischen der ersten und der dritten Platte angeordnet ist, wobei das monolithische, offenzellige Element einen diffusen Gasströmungsweg in dem Regenerator-Wärmetauscher-Abschnitt bildet, wobei die erste Platte einen...

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffgas-Dampf-Reformeranordnung, die aus einer Mehrzahl von sich wiederholenden Unteranordnungen gebildet ist. insbesondere betrifft die Erfindung eine Brennstoffgas-Dampf-Reformeranardnung, die kompakt und in ihrem Gewicht leichter ist als konventionelle Dampf-Reformeranordnungen, die in Brennstoffzellen-Kraftanlagen verwendet werden.
Stand der Technik
Brennstoffzellen-Kraftanlagen beinhalten Brennstoffgas-Dampf-Reformer, die arbeitsfähig sind, katalytisch ein Brennstoffgas, beispielsweise Erdgas, in Wasserstoff und Kohlendioxid umzuwandeln. Die Umwandlung beinhaltet das Hindurchleiten einer einer Mischung von Brennstoffgas und Dampf durch ein Katalysatorbett, welches auf eine Reformertemperatur von etwa 677°C (1250°F) bis etwa 871°C (1600°F) erwärmt ist. Nickelkatalysatoren, die auf Aluminiumpellets aufgebracht sind, sind Katalysatoren, die typischerweise verwendet werden. Ein typischer Reformer besteht aus einer Mehrzahl von Reaktionsrohren, die in einem Gehäuse enthalten sind, welches zur Wärmerückhaltung isoliert ist. Die Reaktionsrohre werden durch Verbrennen von überschüssigem Brennstoffgas in dem Gehäuse und durch Leiten der Brennergase aber die Reaktionsrohre erwärmt. Die einzelnen Reaktionsrohre werden typischerweise eine zentrale Ausströmpassage aufweisen, die von einer ringförmigen Eintrittspassage umgeben ist. Die Eintrittspassage ist mit den Katalysator-beschichteten Aluminiumpellets gefüllt, und eine Brennstoffgas-Dampf-Verteilereinrichtung ist arbeitsfähig, die Brennstoffgas-Dampfmischung an den Boden einer jeden Eintrittspassage zu leiten, von wo die Brennstoffgas-Dampfmischung durch die Katalysatorschüttungen strömt. Die sich ergebende erwärmte Wasserstoff- und Kohlendioxid-Gasmischung strömt dann durch die zentralen Ausströmpassagen in jedes Rohr, um so das Heizen der inneren Bereiche einer jeden der ringförmigen Katalysatorschüttungen zu unterstützen; und dann von dem Reformer weg zur weiteren Verarbeitung und Verwendung.
Dampfreformer benötigen ein großes Maß an Oberfläche in dem Katalysatorbett, um ein hohes Maß an Katalysator-Brennstoffmischung-Wechselwirkung zu schaffen und eine große Wärmetransferoberfläche, um die Menge an Wasserstoff zu erzeugen, die erforderlich ist, um die Brennstoffzellen im Bereich des Wirkungsgradmaximums zu betreiben. Dieser Bedarf nach einer großen Katalysatorbett- und Wärmetransfer-Oberfläche führt, wenn er durch die Verwendung von mit Katalysator-beschichteten Pellets in rohrförmigen Reformern erfüllt wird, zu unerwünscht großen und schweren Reformeranordnungen. Beispielsweise hat eine kommerziell erhältliche 200 kW Säure-Brennstoffzellen-Kraftanlage ein Dampfreformer-Bauelement, welches ein Volumen von etwa 4,25 bis 5,0 m³ (150 bis 175 Kubikfuß) hat, und etwa 1588 kg (3500 lbs.) wiegt.
Das US Patent Nr. 5 733 347 A , das am 31. März 1998 erteilt wurde, beschreibt eine Dampfreformer-Anordnung, die keine Katalysatorpellets verwendet, sondern stattdessen einen gewellten Reformerkern nutzt, der Katalysator-beschichtete Wände hat. Der gewellte Reformerkern bildet parallele Passagen für den zu reformierenden Brennstoff und bildet auch benachbarte parallele Brenner-Gaspassagen, die in direkter Wärmetauscherbeziehung mit den Reformerpassagen angeordnet sind. Entsprechend sind die Reformerpassagen in direkter Wärmetauscherbeziehung mit den Regeneratorpassagen. Diese Anordnung ist in ihrem Gewicht leichter und kompakter als ein Dampfreformer, der Katalysatorpellets verwendet, und liefert einen sehr effizienten Wärmeübertrag zwischen den Katalysator-Reformerpassgen und den Brennergas- und Regeneratorpassagen wegen der sehr großen Oberfläche des gewellten Kerns. Die Anordnung ist aus einer Abfolge von im Wesentlichen flachen Platten gebildet, die um gewellte Passagen sandwichartig angeordnet sind, und die Anordnung hat ein sich wiederholendes Muster von Brennerpassage, Reformerpassage, Regeneratorpassage, Reformerpassage, Brennerpassage, etc. Gasströmungs-Umkehr-Verteilereinrichtungen verbinden die Reformerpassagen mit den Regeneratorpassagen. Die genannte Anordnung mit den flachen Platten erfüllt zwar die gewünschte Verringerung im Gewicht und der Größe, sie verhindert jedoch wegen der Einschließung der durch sie hindurch tretenden Gase zwischen den gewellten Gasströmungspassagen eine Diffusion der Gasströmungsmuster. Somit liefert auf der einen Seite die gewellte Konstruktion eine Reformeranordnung mit einer wünschenswerteren Größe und wünschenswerterem Gewicht. Auf der anderen Seite liefert die alternative Katalysator-Pelletkonstruktion ein in wünschenswerter Weise vermischtes Gasströmungsmuster. Es wäre höchst wünschenswert, einen zur Verwendung in einer Brenstoffzellen-Kraftanlage geeigneten Dampfreformer bereitzustellen, der sowohl das vermischte Gasströmungsmuster der Katalysatorpellets liefert als auch kompakt und in seinem Gewicht ebenso leicht wie der vorangehend beschriebene Reformer mit den Katalysator-beschichteten Wänden ist.
Die DE 196 04 263 A1 zeigt einen katalytischen Brenner mit Brennmittel- und Luftzuführeinrichtungen mit mindestens einem Katalysator und kühlmitteldurchflossenen Wandteilen, wobei die Wärmeübertragung des ersten Katalysators auf die Wandteile im Wesentlichen durch Strahlung erfolgt.
Aus der EP 0 260 826 B1 ist ein Katalysator oder Vorläufer dafür bekannt, mit einem Keramikkörper, der aus dem aktiven Katalysator oder einem in den aktiven Katalysator umwandelbaren Material besteht, wobei der Keramikkörper eine Schaumstruktur mit einem Netzwerk von unregelmäßigen Durchgängen aufweist, die sich durch den Keramikkörper hindurch erstrecken. Der Katalysator der EP 0 260 826 B1 ist des Weiteren dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgänge eine mittlere Mindestabmessung von 20 bis 300 μm haben und der Keramikkörper eine Gesamt-Porosität von 40–85% und eine Dichte von wenigstens 1 g/cm³ aufweist.
Ein keramischer Rekuperativ-Wärmetauscher mit einer großen Anzahl von durch Trennwände gebildeten, parallelen Kanälen ist aus der EP 0 037 236 A1 bekannt. In der EP 0 037 236 A1 werden ferner durch die jeweiligen Kanäle gelangende wärmeaustauschende Strömungsmittel verwendet. Der Wärmeaustauscher der EP 0 037 236 A1 umfasst eine Gruppe von Kanälen für ein heißes Strömungsmittel und eine andere Gruppe von Kanälen für ein kaltes Strömungsmittel, wobei die Querschnittsform der Kanäle und die Dicke der Trennwände im Wesentlichen gleichförmig sind. Der offene Frontbereich des Wärmeübertragungsabschnittes der EP 0 037 236 A1, in dem die Strömungsmittel einem Wärmeaustausch unterworfen sind, beträgt mehr als 60%, wobei die Porosität des die Trennwände bildenden keramischen Materials nicht mehr als 10% beträgt, und wobei die Kanäle zumindest einer der beiden Gruppen Einlässe und Auslässe haben, deren Richtungen nicht mit den Richtungen der Kanäle ausgerichtet sind.
Die WO 95/11752 A1 offenbart eine poröse, offene Schaumstruktur, die eine dreidimensionale Anordnung miteinander verbundener Mikro-Stäbe umfasst, welche die Kanten offener Zellen einer offenen Zellstruktur bilden. Die Mikro-Stäbe der WO 95/11752 A1 weisen einen inneren Kern auf, der integral mit einer porösen äußeren Schicht verbunden ist, wobei der innere Kern ein erstes Material aufweist und die poröse äußere Schicht ein zweites Material aufweist. Das zweite Material weist eine im Wesentlichen höhere Porosität auf als das erste Material.
In der US 3 940 301 A ist ein Verfahren zur Herstellung eines Zellbausteins beschrieben, der aus einer Mehrzahl von zueinander beabstandeten Wänden besteht. Die Wände bestehen aus relativ schwachem, verbindbarem Material, das eine Mehrzahl von länglichen Durchgängen durch diese definiert, die mit Füllmaterial gefüllt sind. Das Füllmaterial der US 3 940 301 A weist eine ausreichende Form und Stärke auf, um die Wände in ihrer vorbestimmten, beabstandeten Position und nach dem Zusammenfügen der Wände in einer integralen Einheit zu halten.
Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Dampf-Reformerstruktur, wie sie in Anspruch 1 und 5 beansprucht ist. Die Dampf-Reformerstruktur liefert die erforderlichen Katalysator- und Wärmeübertragsflächen, ist kompakt und im Gewicht leicht und liefert ein intern vermischtes Gasströmungsmuster. Die Dampf-Reformerstruktur dieser Erfindung ist ähnlich zu der o. g. patentierten Reformeranordnung dahingehend, dass sie aus einer Reihe von im Wesentlichen mit flachen Platten gebildeten Reformerbauteilen gebildet ist. Jedes der Reformerbauteile beinhaltet äußere Reformerpassagen, die um eine Mehrzahl von zentralen Regenerator-/Wärmetauscherpassagen sandwichartig angeordnet sind. An einem ersten Ende des Bauteils sind die Reformerpassagen mit einer Brennstoff-Dampf-Verteilereinrichtung verbunden, welche die Brennstoff-Dampf-Mischung in die Reformerpassagen führt. Das entgegengesetzte Ende eines jeden Bauteils ist mit einer Strömungs-Umkehr-Verteilereinrichtung versehen, die die Brennstoffgas-Dampfmischung, welche von den äußeren Passagen stammt, zurück in die zentralen Regenerator-Wärmetauscherpassagen lenkt. Eine Reformeraustritts-Verteilereinrichtung ist auch an dem ersten Ende eines jeden Bauteils angeordnet, um den reformierten Gasstrom zu der nächsten Brennstoff-Bearbeitungsstation in der Kraftanlage zu leiten. Benachbarte Reformerbanteile sind voneinander durch Brenner-Gaspassagen-Platten geteilt, durch die die Reformer-Brennergase strömen. Somit ist jade der Reformerpassagen-Platteneinheiten direkt einer Brennerpassagen-Platteneinheit benachbart angeordnet, und die benachbarten Reformer- und Brennerpassagen teilen sich eine gemeinsame Wand.
Die Flachplatten-Bauteile der Dampf-Reformeranordnung können aus ebenen Metallblechen gebildet sein, die voneinander durch monolithische Gasströmungspassagen-Bauteile getrennt sind. Die monolithischen Gasströmungsbauteile sind mit einem Netzwerk aus miteinander verbundenen offenen Zellen versehen, deren Oberflächen mit einem Nickelkatalysator katalytisch gemacht sind, oder mit Edelmetall-Katalysatoren, z. B. Platin, Palladium, Rhodium, Nobium o. ä. Das offenzellige Schaumnetzwerk liefert auch die große Oberfläche, die benötigt wird, um genügend Katalysator zum korrekten Reformieren des Brennstoffgas es bereitzustellen. Tatsächlich ist die Katalysatoroberfläche des offenzelligen Schaums bis zu zweimal so groß wie die Katalysatorfläche der gewellten Tafeln. Das offenzellige Schaumnetzwerk liefert auch ein diffuses oder vermischtes Gasströmungsmuster für Gase, welche durch den Monolithen treten, da die Gase sowohl in Lateralrichtung als auch in Longitudinalrichtung durch den Monolithen strömen. Die Metallbleche, welche die Flachplattenreformer- und Brenner-Bauelemente der Anordnung bilden, haben beide Oberflächen mit einer Katalysator-Aluminiumbeschichtung belegt. Die Wände der Regeneratorabschnitte der Anordnung sind nicht mit Katalysator versehen.
Die Oberflächen, die mit Katalysator versehen werden, werden mittels eines konventionellen Nass-Beschichtungsverfahrens, beispielsweise dem von W. R. Grace and Co. or Englehard Corp. bereitgestellten Verfahren, grundiert. Das Nassbeschichtungsverfahren erzeugt eine poröse Aluminiumschicht, welche die Grundlage für die Katalysatorbeschichtung bildet. Derartige Nassbeschichtungen werden momentan verwendet, um Kraftfahrzeug-Katalysatoren, katalysatorische Emissionseinheiten für Holzöfen u. ä. herzustellen. Die zur Herstellung der Flachplatten-Bauelemente verwendeten Metallplatten sind Stahllegierungsplatten, welche Aluminium enthalten, die zusammen mit dem Schaummaterial hartgelötet oder punktgeschweißt, oberflächenbehandelt, nassbeschichtet und dann selektiv mit dem Katalysatormaterial beschichtet werden können. Indem die Reformer- und Brennerpassagen-Wärmeaustauschwände in der Anordnung mit Katalysator versehen sind, können die Betriebstemperaturen der Reformeranordnung auf einem Minimum gehalten werden. Die Verwendung der Konstruktion mit flachen Platten und dem offenzelligen Monolithen, mit ihrer maximierten Oberfläche, erlaubt ein Minimieren der Reformergröße und dessen Gewichts.
Die Wände der Regenerator-Wärmetauscherpassagen sind nicht mit Katalysator versehen, sie können jedoch mit der Nassbeschichtungs-Grundierungsschicht versehen sein. Der Kern des offenzelligen Monolithen kann aus Nickel, rostfreiem Stahl, einer Legierung aus Aluminium und rostfreiem Stahl oder einem Keramikmaterial gebildet sein. Man wird erkennen, dass die Innenräume und die Außenoberflächen des offenzelligen Monolithen nassbeschichtet sind und, wo das erwünscht ist, auch mit Katalysator versehen sind.
Es ist deshalb ein Ziel dieser Erfindung, eine verbesserte Dampfreformeranordnung bereitzustellen, welche kompakt und in ihrem Gewicht leicht. ist.
Es ist ein weiteres Ziel dieser Erfindung, eine Reformeranordnung des beschriebenen Typs bereitzustellen, welche mit verbesserten Wärmeübertragungseigenschaften arbeitet.
Es ist ein weiteres Ziel dieser Erfindung, eine Reformeranordnung der beschriebenen Art bereitzustellen, welche diffuse Strömungswege für Brenner- und Brennstoffgase liefert, die durch die Anordnung strömen.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung eine Reformeranordnung der beschriebenen Art bereitzustellen, die große mit Katalysator versehene Oberflächen hat, die den Prozess-Brennstoffgasen exponiert sind, welche durch die Anordnung strömen.
Diese und andere Ziele und Vorteile dieser Erfindung werden für den Fachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung deutlicher, wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen genommen wird, für die gilt:
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Ansicht einer Brennstoff-Verarbeitungsanordnung, welche einen Teil der Brennstoffzellen-Kraftanlage bildet;
2 ist eine schematische, perspektivische Teilansicht eines einzelnen Reformereinheit-Bauelements einer Reformeranordnung, die gemäß der Erfindung gebildet ist; und
3 ist eine schematische Schnittansicht eines kompakten Dampfreformers, der gemäß der Erfindung gebildet ist.
Spezielle Ausführungsform zum Ausführen der Erfindung
Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen, wo in 1 eine schematische Ansicht einer Brennstoff-Verarbeitungsanordnung gezeigt ist, welche einen Teil einer typischen Brennstoffzellen-Kraftanlage bildet. Die Brennstoff-Verarbeitungsanordnung weist eine Brennstoff-Dampf-Reformer-Regeneratorstation 2, eine Shiftkonverter-Station 4 und eine selektive Oxidationsstation 6 auf, die für bestimmte Brennstoffzellen erforderlich sein kann, die gegenüber hohen Niveaus an Kohlenmonoxid intolerant sind. Der Reformer-Regenerator 2 ist mit einem Shiftkonverter 4 mittels einer Leitung 8 verbunden. Die Reformer-Regeneratorstation 2 weist eine Brennstoff- und Dampf-Einlassleitung 10 auf, welche die Brennstoff- und Dampfmischung in die Katalysator-Reformerzone 12 führt. Eine Mischung aus z. T. verbrauchtem Brennstoff aus dem Brennstoffzellenstapel und Luft wird in ein Bremerbauelement 14 durch Leitungen 16 und 18 geführt. Die genannte Mischung wird darin verbrannt, um die Brennstoff- und Dampfmischung auf Reaktionstemperaturen zu erwärmen. Das Abgas des Brenners 14 wird aus dem Reformer-Regenerator 2 über die Leitung 20 abgegeben.
2 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Reformer-Regenerator-Bauelements 2, welches gemäß der Erfindung gebildet ist. Das Reformer-Regenerator-Bauelement 2 weist ein Paar von äußeren voneinander beabstandeten planaren Wandelementen 22 und ein Paar von inneren voneinander beabstandeten planaren Wandelementen 24 auf. Das Reformer-Regenerator-Bauelement 2 weist auch eine Brennstoff- und Dampf-Mischungseinlassleitung 10 auf, die zu einer Verteilereinrichtung 26 führt, die sich in die Reformerabschnitte 28 des Bauelements 2 öffnet. Die Reformerabschnitte 28 sind zwischen den ebenen Wandelementen 22 und 24 angeordnet, und jeder der Reformerabschnitte 28 weist ein monolithisches Gasströmungs-Bauelement 30 auf, welches mit einem Netzwerk von miteinander verbundenen offenen Zellen 31 versehen ist. Die offenzelligen monolithischen Bauelemente 30 sind auch in dem Regeneratorabschnitt 38 und in dem Brennerabschnitt 14 enthalten.
Die Brennstoff- und Dampfmischung strömt von der Verteilereinrichtung 26 durch den Monolithen 30 zu einer Strömungs-Umlenk-Verteilereinrichtung 36, wie durch Pfeile A in der 2 angezeigt. Die Mischung dreht dann ihre Strömungsrichtung um, wie durch die Pfeile B angezeigt, und strömt in den zentralen Regenerator-Wärmetauscher-Abschnitt 38 des Bauelements 2. Der Regenerator-Wärmetauscher-Abschnitt 38 beinhaltet Monolithen 30, wie oben angegeben. Der Gasstrom strömt durch den Regenerator-Wärmetauscher-Abschnitt 38 des Bauelements 2, wie durch den Pfeil C angezeigt, und in die Reformer-Auslassieitung 8. Das Bauelement 2 ist von Brennergasabschnitten 14 flankiert, die Monolitheinsätze 20 beinhalten. Die heißen Brennergase strömen durch die Brennerpassagen-Monolithe 30, wie durch die Pfeile D angezeigt.
Die Reformeranordnung ist aus einer passenden Anzahl der vorangehend beschriebenen Bauelemente 22 zusammengesetzt, die Seite an Seite miteinander angeordnet sind und voneinander durch Brennergasabschnitte 14 getrennt sind. Die äußeren Wände 22 der Reformerabschnitte 28 werden von den Brennergasabschnitten 14 erwärmt, und die inneren Wände 24 der Reformerabschnitte 28 werden von dem heißen vom Reformer abfließenden Gasstrom erwärmt, der durch die Regenerator-Wärmetauscherabschnitte 38 strömt.
Wie vorangehend ausgeführt, sind die Metallbauteile des Reformerabschnitts, des Regenerator-Wärmetauscherabschnitts und des Brennerabschnitts vorzugsweise aus einer Legierung auf Stahlbasis, die Aluminium enthält, gebildet. Die ebenen Wände und die Gasströmungsmonolithen werden zusammengebaut, indem die Anordndung hartgelötet oder geschweißt wird. Die Anordnung wird dann behandelt, um ein Anhaften der Nassbeschichtung während der thermischen Zyklen zu erlauben, beispielsweise durch Wärmebehandeln, um eine Oberflächenbeschichtung aus Aluminiumoxid an all den exponierten Oberflächen in dem Reformabschnitt, dem Regeneratorabschnitt und dem Brennerabschnitt zu bilden. Eine Nassbeschichtungs-Grundierung wird dann auf mindestens die Oberflächen aufgebracht, die mit Katalysator versehen werden. Die Tauchbeschichtung kann auf alle exponierten Oberflächen der Anordnung aufgebracht werden, falls das gewünscht ist. Die mit Katalysator versehene Beschichtung wird dann auf die beschichteten Oberflächen der Brennerpassagen und Reformerpassagen aufgebracht.
Es wird nun auf die 3 Bezug genommen. Dort ist schematisch eine Dampfreformeranordnung zur Verwendung in einer 200 kW Brennstoffzellen-Kraftanlage gezeigt. Die Reformeranlage 2 ist in einem isolierten Gehäuse 46 eingeschlossen. Die Brenner-Brennstoffleitung und die Brenner-Luftleitung 16 und 18 treten im oberen Bereich des Gehäuses 46 ein, und die Brennerabgase werden durch eine Abgasleitung 20 im Bereich des Bodens des Gehäuses 46 entfernt. Die Reformerbauelemente 2 sind in dem Gehäuse 46 untergebracht. Die Brennstoff-Dampf-Gasmischung wird in die Reformerbauelemente 2 über die Leitung 10 im Bereich des Bodens des Gehäuses 46 zugeführt, und das reformierte Gas wird von dem Gehäuse 46 über die Leitung 8 abgeführt.
Die Verwendung der Plattenkonstruktion mit ihren ebenen Teilen und den monolithischen Gasströmungspassagen-Bauelementen führt zu einer leichten, stabilen Dampfreformeranordnung, die eine große Oberfläche pro Volumeneinheit des Reformers liefert und einen sehr effizienten Wärmeübertrag liefert. Die monolithischen Gasströmungs-Bauelemente führen auch zu einer diffusen Gasströmung durch die Reformeranordnung. Die genannte Plattenkonstruktion kann in Dampfreformern in einer Brennstoffzellen-Kraftanlage oder bei allein stehenden Dampfreformern des Typs, wie er u. a. in dem US Patent Nr. 4,098,587 , welches am 4. Juli 1978 O. L. Olesen et al erteilt wurde, gezeigt ist, verwendet werden, oder in Dampfreformem, die ein Teil einer Brennstoffzellenanordnung in einem Fahrzeug bildet. Alle Oberflächen des Reformerabschnitts und des Brennerabschnitts der Reformeranordnung können nach dem Nassbeschichten des zusammengebauten Reformers mit Katalysator versehen werden. Alternativ können der Nassbeschichtungsprozess und der Katalysierprozess zu einem einzigen Schritt kombiniert sein. Die Tatsache, dass die geheizten Abschnitte der Anordnung gemeinsame Wände mit den Reformerabschnitten teilen, und dass beide Seiten der Wände in engem Kontakt mit einem offenzelligen monolithischen Schaummaterial-Bauelement sind, erlaubt es, die Reformerwände bei niedrigeren Temperaturen zu betreiben als bei den augenblicklich erhältlichen Reformern des Katalysatorpellet-Typs. Die Gewichts- und Größeneinsparung, die durch das Verwenden der vorangehend beschriebenen Konstruktion erzielt wird, wird bei größeren Brennstoffzellen-Kraftanlagen mit höherer Ausgangsleistung oder allein stehenden Reformern vergrößert. Monolithische Kerne des vorangehend beschriebenen Typs aus rostfreiem Stahl, Aluminium-Stahl-Legierungen, Nickel und Keramik kann man von ERG Energy Research and Generation, Inc., Oakland, CA erhalten, die unter der eingetragenen Marke ”DUOCEL” verkauft werden.
Da viele Änderungen und Abweichungen der beschriebenen Ausführungsform der Erfindung vorgenommen werden können, ohne von dem erfinderischen Konzept abzuweichen, ist es nicht beabsichtigt, die Erfindung anders zu beschränken als durch die angefügten Ansprüche erforderlich.

Claims

Kohlenwasserstoff-Brennstoffgas-Dampf-Reformeranordnung, aufweisend: a) eine Einlass-Verteilereinrichtung zum Lenken einer Mischung aus Brennstoffgas und Dampf in die Anordnung; b) einen Reformerabschnitt, der mit der Einlass-Verteilereinrichtung verbunden ist, um eine Strömung der Brennstoffgas- und Dampfmischung aufzunehmen, wobei der Reformerabschnitt aus einer ersten und einer zweiten voneinander beabstandeten Platte mit einem offenzelligen monolithischen Schaummaterial-Element, welches sandwichartig zwischen der ersten und zweiten Platte angeordnet ist, gebildet ist, wobei das monolithische, offenzellige Element einen diffusen Gasströmungsweg in den Reformerabschnitt liefert; c) einen Regenerator-Wärmetauscher-Abschnitt, der dem Reformerabschnitt benachbart ist, wobei der Regenerator-Wärmetauscher-Abschnitt aus der ersten Platte und einer dritten Platte, welche von der ersten Platte an deren der zweiten Platte entgegengesetzten Seite beabstandet ist, gebildet ist, wobei der Regenerator-Wärmetauscher-Abschnitt ferner ein monolithisches, offenzelliges Schaummaterial-Element beinhaltet, welches sandwichartig zwischen der ersten und der dritten Platte angeordnet ist, wobei das monolithische, offenzellige Element einen diffusen Gasströmungsweg in dem Regenerator-Wärmetauscher-Abschnitt bildet, wobei die erste Platte einen Wärmeübertrag von dem Gas, welches durch den diffusen Gasströmungsweg des Regenerator-Wärmetauscherabschnitts strömt, auf das Gas, welches durch den diffusen Gasströmungsweg des Reformerabschnitts strömt, leistet; d) einen Brennergasabschnitt, der dem Reformerabschnitt benachbart an einer Seite des Reformerabschnitts, die entgegengesetzt zu dem Regenerator-Wärmetauscherabschnitt ist, angeordnet ist, wobei der Brennergasabschnitt aus der zweiten Platte und einer vierten Platte gebildet ist, wobei die vierte Platte von der zweiten Platte beabstandet angeordnet ist, wobei der Brennergasabschnitt ferner ein monolithisches, offenzelliges Schaummaterial-Element aufweist, welches sandwichartig zwischen der zweiten und der vierten Platte angeordnet ist, wobei das monolithische, offenzellige Schaummaterial-Element einen diffusen Gasströmungsweg in den Brennergasabschnitt liefert, wobei die zweite Platte einen Wärmeübertrag von den Brennergasen, welche durch die diffusen Strömungswege des Brennergasabschnitts strömen, auf Gase, welche durch die diffusen Gasströmungswege des Reformerabschnitts strömen, liefert; e) eine Gasströmungs-Umkehr-Verteilereinrichtung, welche den diffusen Gasströmungsweg des Reformerabschnitts mit dem diffusen Gasströmungsweg des Regenerator-Wärmetauscher-Abschnitts verbindet, wobei die Gasströmungs-Umkehr-Verteilereinrichtung arbeitsfähig ist, einen Gasstrom, der von dem Reformerabschnitt in den Regenerator-Wärmetauscherabschnitt austritt, zu lenken; und f) eine Auslass-Sammeleinrichtung, welche mit dem Regenerator-Wärmetauscher-Abschnitt verbunden ist, um reformiertes Brennstoffgas von der Anordnung zu entfernen.
Brennstoffgas-Dampf-Reformeranordnung nach Anspruch 1, wobei die monolithischen offenzelligen Schaummaterial-Elemente aus einem Hochtemperatur-Trägermaterial gebildet sind, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus rostfreiem Stahl, einer Legierung aus Aluminium und rostfreiem Stahl, Nickel und Keramikmaterial und/oder Mischungen daraus besteht.
Brennstoffgas-Dampf-Reformeranordnung nach Anspruch 1, wobei die Innenräume der Reformerabschnitt-Schaummaterial-Elemente mit einer Katalysator-Aluminiumbeschichtung bedeckt sind.
Brennstoffgas-Dampf-Reformeranordnung nach Anspruch 2, wobei Zwischenräume der Brennergasabschnitt-Schaummaterial-Elemente mit einer Katalysator-Aluminiumbeschichtung bedeckt sind.
Kohlenwasserstoff-Brennstoffgas-Dampf-Reformeranordnung, aufweisend: einen zentralen Regenerator-Wärmetauscher-Gasabschnitt, einen ersten Reformer-Gasabschnitt, der an einer Seite des Regenerator-Wärmetauscher-Gasabschnitts angeordnet ist, und einen zweiten Reformergasabschnitt, der an einer entgegengesetzten Seite des Regenerator-Wärmetauscher-Gasabschnitts angeordnet ist, einen ersten Brenner-Gasabschnitt, der an einer Außenseite des ersten Reformergasabschnitts angeordnet ist, und einen zweiten Brenner-Gasabschnitt, der an einer Außenseite des zweiten Reformergasabschnitts angeordnet ist, wobei die Reformergasabschnitte gemeinsame Wärmeübertragwände mit dem Regenerator-Wärmetauscher-Gasabschnitt teilen und auch gemeinsame Wärmeübertragwände mit den Brennergasabschnitten teilen, wobei jeder der Gasabschnitte jeweils diffuse Gasströmungswege beinhaltet, die von monolithischen Schaummaterial-Elementen gebildet sind, die an den Wärmeübertragwänden befestigt sind, wobei die Gasströmungswege in dem Brennerabschnitt und dem Reformerabschnitt mit einer Katalysator-Aluminiumbeschichtung beschichtet sind, eine Einlass-Verteilereinrichtung, die arbeitsfähig mit den Reformergasabschnitten zum Einbringen einer Brennstoffgas-Dampfmischung in die Reformergas-Strömungswege verbunden ist, eine Strömungs-Umkehr-Verteilereinrichtung, die arbeitsfähig die Reformerabschnitte mit dem Regenerator-Wärmetauscher-Abschnitt zum Übertragen von reformiertem Gas von den Reformergas-Strömungswegen auf die Regenerator-Wärmetauscher-Gasströmungswege verbindet, und eine arbeitsfähig an den Regenerator-Wärmetauscher-Abschnitt angeschlossene Auslass-Sammeleinrichtung zum Abziehen von reformiertem Gas von der Anordnung.