DE10120375A1 - Reformer for a fuel cell - Google Patents

Reformer for a fuel cell

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Abstract

The invention relates to a reformer for a fuel cell. The reformer (10) is divided into a premix chamber (12) having a fuel inlet (16) and an oxidizing agent inlet (17) and a reaction chamber (13) having a gas outlet (20), which is connected to the fuel cell. At least the premix chamber (12), also preferably the reaction chamber (13), is provided with a flame arrestor (18 or 19), wherein at least the flame arrestor (18) protruding at least in the premix chamber is also configured as a glow plug.

Description

Die Erfindung betrifft einen Reformer für eine Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a reformer for a fuel cell according to the preamble of claim 1.

Eine derartiger Reformer ist aus der DE 198 60 308 A1 bekannt. Bei diesem bekannten Reformer werden in einer exothermen Vorreaktion in Form einer kalten Flamme Brennstoff und Oxydationsmittel als homogenes Gemisch aufbereitet. Störungen in der Zufuhr des Brennstoffs und/oder des Oxydationsmittels können zu einem Abbruch der kalten Flamme führen.Such a reformer is known from DE 198 60 308 A1. In this well-known Reformers undergo an exothermic pre-reaction in the form of a cold flame Fuel and oxidant processed as a homogeneous mixture. Disorders in the Feeding the fuel and / or the oxidizing agent can terminate the lead cold flame.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Reformer zu schaffen, dessen Betriebssicherheit verbessert ist.The object of the present invention is to create a reformer whose operational security is improved.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.This object is achieved by the features of patent claim 1. advantageous Embodiments of the invention can be found in the subclaims.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass in die Vormischkammer ein Flammwächter hineinragt. Mittels eines derartigen Flammwächters kann der Betrieb der kalten Flamme überwacht werden.In a preferred embodiment it is provided that in the premixing chamber Flame guard protrudes. Using such a flame detector, the operation of the cold flame are monitored.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass in die Reaktionskammer ein weiterer Flammwächter hineinragt. Mittels dieses weiteren Flammwächters kann der Reaktionsvorgang in der Reaktionskammer überwacht werden. According to a further preferred embodiment it is provided that in the Reaction chamber another flame guard protrudes. By means of this further Flame detectors can monitor the reaction process in the reaction chamber become.  

Bevorzugt sind die Vormischkammer und die Reaktionskammer in einem gemeinsamen Gehäuse mit einer entsprechenden Isolierung nach außen untergebracht. Eine derartige Anordnung ist kompakt und kostengünstig herstellbar. Die Temperaturverluste beim Übergang von der Vormischkammer in die Reaktionskammer werden durch die kompakte Bauweise minimiert.The premixing chamber and the reaction chamber are preferably in a common one Housing housed with appropriate insulation to the outside. Such Arrangement is compact and inexpensive to manufacture. The temperature losses at The transition from the premixing chamber to the reaction chamber is controlled by the compact design minimized.

Die Vormischkammer und die Reaktionskammer sind bevorzugt durch eine am Innenrand des Gehäuses angeordnete Blende mit einer zentralen Durchlassöffnung voneinander getrennt. An Stelle der Blende kann auch eine Einschnürung in der Wand des Gehäuses ausgebildet sein.The premixing chamber and the reaction chamber are preferably by an am Cover arranged on the inside edge of the housing with a central passage opening separated from each other. In place of the cover there can also be a constriction in the wall of the housing.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind der Brennstoff-Einlass und der Oxydationsmittel-Einlass an der Eingangsseite der Vormischkammer koaxial angeordnet, wobei der Brennstoff-Einlass mit einer Düse vorzugsweise mittig und der Oxydationsmittel-Einlass nach Art eines Ringkanals um den Brennstoff-Einlass herum angeordnet ist. An Stelle der koaxialen Anordnung kann auch eine radiale oder tangentiale Einspritzung des Brennstoffs in das Oxydationsmittel vorgesehen sein.According to a preferred embodiment, the fuel inlet and the Oxidizer inlet coaxial on the inlet side of the premixing chamber arranged, the fuel inlet with a nozzle preferably in the middle and the Oxidant inlet in the manner of a ring channel around the fuel inlet is arranged. Instead of the coaxial arrangement, a radial or tangential injection of the fuel into the oxidant may be provided.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der in die Vormischkammer hineinragende Flammwächter gleichzeitig als Glühstift ausgebildet ist. Somit ist nicht nur eine Überwachung sondern auch eine Initiierung oder Förderung der Ausbildung der kalten Flamme durch den gleichzeitig als Glühstift verwendbaren Flammwächter in der Aufheizphase des Reformers möglich, so dass ein einziges Bauteil einen doppelten Nutzen bringt.According to a particularly advantageous embodiment, it is provided that the Pre-mixing chamber protruding flame monitor is simultaneously designed as a glow plug. This means not only monitoring but also initiation or promotion of Formation of the cold flame due to the fact that it can also be used as a glow plug Flame detector possible in the heating phase of the reformer, so that a single component brings a double benefit.

Der Flammwächter ist bevorzugt als Thermoelement ausgebildet, welches gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform mit seiner Meßstelle in den zentralen Bereich der kalten Flamme ragt. Der Flammwächter weist bevorzugt eine verjüngte Meßspitze auf.The flame detector is preferably designed as a thermocouple, which according to a particularly advantageous embodiment with its measuring point in the central area the cold flame rises. The flame monitor preferably has a tapered measuring tip on.

Das Thermoelement ist bevorzugt als ein NiCr-Ni-Thermoelement bzw. als ein Thermoelement vom Typ K ausgebildet. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist das Thermoelement als ein NiCrosil-Nisil-Thermoelement bzw. als ein Thermoelement vom Typ N ausgebildet. Beide Typen von Thermoelementen weisen eine hohe Messgenauigkeit, Temperaturfestigkeit und Standzeit auf.The thermocouple is preferably a NiCr-Ni thermocouple or a Type K thermocouple. According to an alternative embodiment, this is  Thermocouple as a NiCrosil-Nisil thermocouple or as a thermocouple from Type N trained. Both types of thermocouples have a high Measurement accuracy, temperature resistance and service life.

In weiterer vorteilhafter Ausbildung ist das Thermoelement als Mantel-Thermoelement ausgebildet, wobei der Mantel vorzugsweise aus einem Hochtemperaturstahl, wie Inconel 601 (Werkstoff Nr. 2.4851) gebildet ist.In a further advantageous embodiment, the thermocouple is a jacket thermocouple formed, the jacket preferably made of a high temperature steel, such as Inconel 601 (material No. 2.4851) is formed.

Alternativ dazu ist vorgesehen, dass das Thermoelement als Thermodrahtelement mit offener Meßspitze ausgeführt ist.Alternatively, it is provided that the thermocouple as a thermal wire element open measuring tip is executed.

Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt:Below is an embodiment of the invention with reference to the drawing described. It shows:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen Reformer. Fig. 1 shows a schematic longitudinal section through a reformer.

Der in Fig. 1 insgesamt mit 10 bezeichnete Reformer setzt sich zusammen aus einer Vormischkammer 12 und einer in Strömungsrichtung abwärts davon angeordneten Reaktionskammer 13. Die Vormischkammer 12 und die Reaktionskammer 13 sind in der dargestellten Ausführungsbeispiel von einem gemeinsamen Gehäuse 14 umgeben. An der Innenseite des Gehäuses 14 ist etwa im mittleren Bereich eine ringförmige Blende 15 vorgesehen, die die Vormischkammer 12 von der Reaktionskammer 13 trennt und beide durch eine zentrale Durchlassöffnung 11 verbindet.The reformer, designated overall by 10 in FIG. 1, is composed of a premixing chamber 12 and a reaction chamber 13 arranged downstream thereof in the flow direction. The premixing chamber 12 and the reaction chamber 13 are surrounded by a common housing 14 in the exemplary embodiment shown. On the inside of the housing 14 , an annular diaphragm 15 is provided approximately in the central region, which separates the premixing chamber 12 from the reaction chamber 13 and connects both through a central passage opening 11 .

Auf der Einlassseite der Vormischkammer 12 sind koaxial zueinander ein Brennstoff- Einlass 16 und ein diesen irr Form eines Ringkanals umgebender Oxydationsmittel- Einlass 17 vorgesehen. Der Brennstoff-Einlass 16 weist eine nicht dargestellte Düse auf, durch die Brennstoff unter Vermischung mit dem Oxydationsmittel in die Vormischkammer 12 eingespritzt wird. Als Brennstoff kommt bevorzugt Diesel, aber auch Benzin oder ein brennbares Gas in Betracht. Das Oxydationsmittel besteht im einfachsten Falle aus Luft, kann aber auch aus Wasserdampf bzw. aus einem Gemisch von Wasserdampf und Luft bestehen. Alternativ dazu oder ergänzend sind auch andere Stoffe denkbar, die Sauerstoff enthalten.On the inlet side of the premixing chamber 12 , a fuel inlet 16 and an oxidant inlet 17 surrounding it in the form of an annular channel are provided coaxially with one another. The fuel inlet 16 has a nozzle, not shown, through which fuel is injected into the premixing chamber 12 when mixed with the oxidizing agent. The preferred fuel is diesel, but also gasoline or a combustible gas. In the simplest case, the oxidizing agent consists of air, but can also consist of water vapor or a mixture of water vapor and air. Alternatively or in addition, other substances are also conceivable that contain oxygen.

In der Vormischkammer 12 werden der Brennstoff und das Oxydationsmittel gegebenenfalls unter Verwendung nicht dargestellter strömungslenkender Einbauten zu einem homogenen Gemisch vermischt. Die Eintrittstemperatur des Gemisches beträgt dabei etwa 300°C. In der Vormischkammer 12 erfolgt nun in einer exothermen Reaktion in Form einer kalten (blauen) Flamme ein Verkräcken des Brennstoffs zu kleineren Molekülen. So werden beispielsweise bei Verwendung von Diesel als Brennstoff mit der Summenformel C13,66 H26,03 kleinere Kohlenwasserstoffmoleküle im Bereich von etwa C3 bis C7 erzeugt. Die Temperatur des Gemisches steigt dabei auf etwa 480°C an. Bei Bedarf kann die entstehende Wärme über einen ander Außenseite des Gehäuses 14 angeordneten Wärmetauscher nutzbar gemacht werden. Die kalte Flamme kann auch als unterstöchiometrische Verbrennung bezeichnet werden mit einem Wert λ = 0,3 bis 0,6, während dieser Wert λ bei einer konventionellen Verbrennung etwa 1,5 beträgt.In the premixing chamber 12 , the fuel and the oxidizing agent are mixed to form a homogeneous mixture, optionally using flow-directing internals (not shown). The inlet temperature of the mixture is about 300 ° C. In the pre-mixing chamber 12 a Verkräcken now be made in an exothermic reaction in the form of a cold (blue) flame of the fuel into smaller molecules. For example, when diesel is used as fuel with the molecular formula C 13.66 H 26.03, smaller hydrocarbon molecules in the range of approximately C 3 to C 7 are generated. The temperature of the mixture rises to about 480 ° C. If necessary, the heat generated can be used via a heat exchanger arranged on the outside of the housing 14 . The cold flame can also be referred to as substoichiometric combustion with a value λ = 0.3 to 0.6, while this value λ is about 1.5 in a conventional combustion.

Die Reaktionskammer 13 ist mit einer Füllung aus keramischem und/oder metallischem Materialversehen. Diese Füllung kann in Form von Gittern, Platten-Stapeln, Waben, Röhren, Schüttkörpern oder Monolithen ausgebildet sein. Je nachdem, ob eine katalytische Beschichtung verwendet wird oder nicht, steigt die Temperatur in der Reaktionskammer 13 auf etwa 1200°C (ohne Katalysator) oder auf etwa 750 bis 900° C (mit katalytischer Reaktion) an.The reaction chamber 13 is provided with a filling made of ceramic and / or metallic material. This filling can take the form of lattices, plate stacks, honeycombs, tubes, bulk solids or monoliths. Depending on whether a catalytic coating is used or not, the temperature in the reaction chamber 13 rises to approximately 1200 ° C. (without a catalyst) or to approximately 750 to 900 ° C. (with a catalytic reaction).

Durch Vorheizen der Vormischkammer 12 mittels des auch als Glühstift verwendbaren Flammwächters 18 kann eine schnellere Ausbildung der kalten Flamme beim Start des Reformers 10 erreicht werden. Während des laufenden Betriebes wird die kalte Flamme permanent oder zyklisch vom Flammwächter 18 überwacht. Veränderungen der Temperatur oder der Farbe der Flamme werden an ein nicht dargestelltes Steuergerät übermittelt und zur Korrektur der Brennstoff-Förderung und/oder Oxydationsmittel- Förderung sowie ggfs. zur Zuschaltung des Flammwächters 18 als Glühstift verwendet. By preheating the premixing chamber 12 by means of the flame monitor 18, which can also be used as a glow plug, a faster formation of the cold flame when the reformer 10 starts can be achieved. During operation, the cold flame is monitored permanently or cyclically by the flame monitor 18 . Changes in the temperature or color of the flame are transmitted to a control unit (not shown) and used to correct the fuel delivery and / or oxidant delivery and, if necessary, to connect the flame monitor 18 as a glow plug.

Ein in die Reaktionskammer 13 hineinragender weiterer Flammwächter 19 überwacht den Reaktionszustand in der Reaktionskammer bevorzugt durch Erfassung der Temperatur. Die Abwärme der Reaktionskammer 13 kann ebenfalls durch einen nicht dargestellten Wärmetauscher nutzbar gemacht werden, wobei ein Teil der Wärme zur Aufheizung des Oxidationsmittels vor Eintreten in den Oxidationsmittel-Einlass 17 verwendet werden kann. Die Abwärme kann bei Verwendung des Reformers 10 in einem Fahrzeug zumindest teilweise auch zur Beheizung von dessen Innenraum verwendet werden.A further flame monitor 19 protruding into the reaction chamber 13 monitors the reaction state in the reaction chamber, preferably by detecting the temperature. The waste heat from the reaction chamber 13 can also be used by a heat exchanger (not shown), and part of the heat can be used to heat the oxidizing agent before it enters the oxidizing agent inlet 17 . When using the reformer 10 in a vehicle, the waste heat can also be used, at least in part, to heat the interior of the vehicle.

Der Flammwächter 18 bzw. 19 ist bevorzugt als Thermoelement ausgebildet, welches gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform mit seiner Meßstelle in den zentralen Bereich der kalten Flamme ragt. Der Flammwächter 18 bzw. 19 weist bevorzugt eine verjüngte Meßspitze auf.The flame monitor 18 or 19 is preferably designed as a thermocouple which, according to a particularly advantageous embodiment, projects with its measuring point into the central region of the cold flame. The flame monitor 18 or 19 preferably has a tapered measuring tip.

Das Thermoelement des Flammwächters 18 bzw. 19 ist bevorzugt als ein NiCr-Ni- Thermoelement bzw. als ein Thermoelement vom Typ K ausgebildet. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist das Thermoelement als in NiCrosil-Nisil-Thermoelement bzw. als ein Thermoelement vom Typ N ausgebildet. Beide Typen von Thermoelementen weisen eine hohe Messgenauigkeit, Temperaturfestigkeit und Standzeit auf.The thermocouple of the flame monitor 18 or 19 is preferably designed as a NiCr-Ni thermocouple or as a type K thermocouple. According to an alternative embodiment, the thermocouple is designed as an NiCrosil-Nisil thermocouple or as a type N thermocouple. Both types of thermocouples have high measuring accuracy, temperature resistance and service life.

Aus einem am Ende der Reaktionskammer 13 angeordneten Gas-Auslass 20 tritt dann das in der nachgeordneten Brennstoffzelle verwendbare Synthesegas als Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO), gegebenenfalls als Gemisch mit N2 und Nebenprodukten, wie Methan aus.The synthesis gas that can be used in the downstream fuel cell then emerges from a gas outlet 20 arranged at the end of the reaction chamber 13 as hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO), optionally as a mixture with N 2 and by-products such as methane.

In der nicht dargestellten Brennstoffzelle erfolgt dann die Umsetzung des Synthesegases in elektrischen Strom, wobei als Abfallprodukte Wasser (H2O) und Kohlendioxid (CO2) abgegeben werden.The synthesis gas is then converted into electric current in the fuel cell (not shown), water (H 2 O) and carbon dioxide (CO 2 ) being released as waste products.

Als Brennstoffzelle wird bevorzugt eine SOFC-Brennstoffzelle verwendet. An SOFC fuel cell is preferably used as the fuel cell.  

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010

Reformer
reformer

1111

Durchlassöffnung
Port

1212

Vormischkammer
premix

1313

Reaktionskammer
reaction chamber

1414

Gehäuse
casing

1515

Blende
cover

1616

Brennstoff-Einlass
Fuel inlet

1717

Oxydationsmittel-Einlass
Oxidant inlet

1818

Flammwächter
flame Sensor

1919

Flammwächter
flame Sensor

2020

Gas-Auslass
Gas outlet

Claims (14)

1. Reformer für eine Brennstoffzelle mit, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformer (10) in eine Vormischkammer (12) mit einem. Brennstoff-Einlass (16) und einem Oxydationsmittel-Einlass (17) und in eine Reaktionskammer (13) mit einem Gas-Auslass (20) unterteilt ist.1. Reformer for a fuel cell, characterized in that the reformer ( 10 ) in a premixing chamber ( 12 ) with a. Fuel inlet ( 16 ) and an oxidant inlet ( 17 ) and divided into a reaction chamber ( 13 ) with a gas outlet ( 20 ). 2. Reformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die Vormischkammer (12) ein Flammwächter (18) hineinragt.2. Reformer according to claim 1, characterized in that a flame detector ( 18 ) projects into the premixing chamber ( 12 ). 3. Reformer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Reaktionskammer (13) ein weiterer Flammwächter (19) hineinragt.3. Reformer according to one of the preceding claims, characterized in that a further flame detector ( 19 ) projects into the reaction chamber ( 13 ). 4. Reformer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vormischkammer (12) und die Reaktionskammer (13) von einem gemeinsamen Gehäuse (14) umgeben sind.4. Reformer according to one of the preceding claims, characterized in that the premixing chamber ( 12 ) and the reaction chamber ( 13 ) are surrounded by a common housing ( 14 ). 5. Reformer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vormischkammer (12) und die Reaktionskammer (13) von einer am Innenrand des Gehäuses (14) angeordneten Blende (15) getrennt werden.5. Reformer according to claim 4, characterized in that the premixing chamber ( 12 ) and the reaction chamber ( 13 ) are separated from an aperture ( 15 ) arranged on the inner edge of the housing ( 14 ). 6. Reformer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff-Einlass (16) koaxial zum Qxydationsmittel-Einlass (17) angeordnet ist.6. Reformer according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel inlet ( 16 ) is arranged coaxially to the oxidant inlet ( 17 ). 7. Reformer nach Anspruch 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass der in die Vormischkammer hineinragende Flammwächter (18) gleichzeitig als Glühstift ausgebildet ist.7. Reformer according to claim 2 and 6, characterized in that the flame guard ( 18 ) projecting into the premixing chamber is simultaneously designed as a glow plug. 8. Reformer nach Anspruch 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Flammwächter (18, 19) als Thermoelement ausgebildet ist.8. Reformer according to claim 2 to 7, characterized in that the flame monitor ( 18 , 19 ) is designed as a thermocouple. 9. Reformer nach Anspruch 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Flammwächter (18) mit seiner Meßstelle in den zentralen Bereich der kalten Flamme ragt.9. Reformer according to claim 2 to 8, characterized in that the flame monitor ( 18 ) protrudes with its measuring point in the central region of the cold flame. 10. Reformer nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Flammwächter (18, 19) eine verjüngte Meßspitze aufweist.10. Reformer according to one of claims 8 to 9, characterized in that the flame monitor ( 18 , 19 ) has a tapered measuring tip. 11. Reformer nach Anspruch 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Flammwächter (18, 19) ein NiCr-Ni Thermoelement bzw. ein Thermoelement vom Typ K ist.11. Reformer according to claim 8 to 10, characterized in that the flame detector ( 18 , 19 ) is a NiCr-Ni thermocouple or a thermocouple of type K. 12. Reformer nach Anspruch 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Flammwächter (18, 19) ein NiCrosil-Nisil-Thermoelement bzw. ein Thermoelement vom Typ N ist.12. Reformer according to claim 8 to 10, characterized in that the flame detector ( 18 , 19 ) is a NiCrosil-Nisil thermocouple or a type N thermocouple. 13. Reformer nach Anspruch 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Flammwächter (18, 19) als Mantel-Thermoelement ausgebildet ist.13. Reformer according to claim 8 to 12, characterized in that the flame detector ( 18 , 19 ) is designed as a jacket thermocouple. 14. Reformer nach Anspruch 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Flammwächter (18, 19) als Thermodrahtelement mit offener Meßspitze ausgeführt ist.14. Reformer according to claim 8 to 12, characterized in that the flame detector ( 18 , 19 ) is designed as a thermal wire element with an open measuring tip.
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