DE10163475C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung oder Umwandlung von gasförmigen Brennstoffen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung oder Umwandlung von gasförmigen Brennstoffen

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Behandlung und/oder Umwandlung von gasförmigen Brennstoffen, insbesondere zur Erzeugung von Wasserstoff für dezentrale Anwendungen, werden nicht thermische Plasmen eingesetzt. Dabei werden erfindungsgemäß Elektronenstrahlen mit einer Beschleunigungsspannung bis zu 20 kV verwendet. Bei der zugehörigen Vorrichtung sind der Elektronenquelle (41) geeignete Mittel (42 bis 47) zur Erzeugung eines Elektronenstrahls (48) und Einkopplung in einen Reaktor zugeordnet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Behandlung und/oder Umwandlung von gasförmigen Brennstoffen, insbesonde­ re zur Erzeugung von Wasserstoff für die zentralen Anwendun­ gen. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf die zugehö­ rige Vorrichtung.
Wasserstoff als Energieträger verspricht eine effizientere Nutzung der vorhandenen fossilen Brennstoffe und eine Reduk­ tion der Emissionen von CO2 und anderen Schadstoffen: Die An­ reicherung von Brennstoffen mit Wasserstoff ermöglicht eine magerere Verbrennung in Verbrennungskraftanlagen, die in der Teillast zu einem erhöhten Wirkungsgrad führt. Gleichzeitig können dabei die Kohlenmonoxid- und die Stickoxidemissionen reduziert werden. In Brennstoffzellen verspricht Wasserstoff die effiziente Umwandlung chemischer in elektrische Energie nahezu ohne jede Schadstoffemission. Für mobile oder dezen­ trale Anwendungen wäre jedoch eine aufwendige Wasserstoff- Infrastruktur erforderlich, auf die verzichtet werden kann, wenn zuverlässige und effiziente Verfahren zur dezentralen Erzeugung von Wasserstoff aus handelsüblichen Kohlenwasser­ stoffen existieren.
Prinzipiell kann das durch die Reformierung von Kohlenwasser­ stoffen erreicht werden, die beispielhaft an der Reformierung von Methan beschrieben werden soll:
Das bedeutendste Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff ist die Dampfreformierung von Methan bzw. Erdgas, welche nach folgender Reaktion abläuft:
CH4 + H2O → 3 H2 + CO (1)
Die Reaktion ist stark endotherm und wird bei 800 bis 900C mit einem Nickel-Katalysator durchgeführt. Die hohen Tempera­ turen sind notwendig, um das Gleichgewicht der Reaktion mög­ lichst weit auf die Seite der Produkte zu verschieben.
Weitere Oxidationsmittel für Reformierungsreaktionen sind Sauerstoff und Kohlendioxid:
2 CH4 + O2 → 4 H2 + 2 CO (2)
CH4 + CO2 → 2 H2+ 2 CO (3)
Mit anderen Kohlenwasserstoffen können ähnliche Reformie­ rungsreaktionen durchgeführt werden.
Bisher bekannte Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff sind in erster Linie katalytische Verfahren. Dabei werden die Reaktanden unter geeigneten äußeren Bedingungen wie Tempera­ tur, Druck, Flussgeschwindigkeit mit einer katalytisch akti­ ven Oberfläche in Kontakt gebracht. Bei katalytischen Refor­ mierungsprozessen besteht prinzipiell die Gefahr, dass sich fester Kohlenstoff bildet und sich dieser auf dem Katalysator ablagert und so die aktive Oberfläche blockiert. Außerdem sind Katalysatoren empfindlich gegenüber Verunreinigungen im Gas, wie z. B. Schwefelverbindungen, und werden durch diese "vergiftet". Für dezentrale Anwendungen sind die erforderli­ chen hohen Prozesstemperaturen und die voluminösen Reaktoren wenig geeignet.
Eine Alternative zur katalytischen Umwandlung bieten Verfah­ ren, bei denen zur Aufheizung des Gases thermische Lichtbögen verwendet werden. Hierbei werden durch stromstarke Gasentla­ dungen Temperaturen oberhalb 2000°C erreicht. Diese hohen Gastemperaturen bewirken Umsatzraten und Reaktionszeiten, die den Einsatz von Katalysatoren verzichtbar machen. Lichtbogen- Reaktoren haben den Vorteil eines sehr kompakten Aufbaus, der Unempfindlichkeit gegenüber Verunreinigungen des Behandlungs­ gases und die Anwendbarkeit auf eine Vielzahl von Brennstof­ fen z. B. Erdgas, Benzin oder Biomasse. Nachteile sind der ho­ he Energiebedarf wie auch die starke Materialbeanspruchung, welche zu geringen Standzeiten der Elektroden führt.
Eine Alternative zu thermischen Verfahren stellen nichtther­ mische Plasmen dar. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass zwi­ schen Elektronen mit einer sehr hohen mittleren Elektronen­ energie von typisch 3-8 eV (1 eV entspräche im thermischen Gleichgewicht ca. 11 000 K), elektronischer Anregung und Ioni­ sation auf der einen Seite und den noch durch eine Gastempe­ ratur beschreibbaren Neutralteilchen auf der anderen Seite ein thermodynamisches Ungleichgewicht besteht. Hier ist eine selektive und effiziente Einkopplung von Energie über Elekt­ ronenstoßreaktionen, bei denen reaktive Radikale und Ionen gebildet werden, ohne wesentliche Erhöhung der Gastemperatur möglich. Nichtthermische Plasmen können sich bilden bei star­ ker zeitlicher oder räumlicher Begrenzung der Energie-Ein­ kopplung und durch Kombination mit Gasströmungen. Geläufige Techniken zur Erzeugung nichtthermischer Plasmen bei Atmo­ sphärendruck sind elektrische Gasentladungen wie dielektrisch behinderte Entladungen (DBD = dielectric barrier discharge), Corona-, Funken- und gepulste Mikrowellenentladungen. In die­ sen Gasentladungen wird ein thermodynamisches Nichtgleichge­ wicht dadurch erreicht, dass die Dauer der Energieeinkopplung zeitlich stark begrenzt wird:
Dielektrisch behinderte Entladungen und Corona-Entladungen wurden mehrfach für die Reformierung von Kohlenwasserstoffen zur Erzeugung von Wasserstoff vorgeschlagen (CH 378 296 A, DE 42 20 865 A, DE 197 57 936 A, FR 2 757 499 A). Beschrieben wird dort die Umsetzung eines Gemischs aus einem Brennstoff und einem Oxidationsmittel wie Wasserdampf, Kohlendioxid oder Sauerstoff zu einem wasserstoffhaltigen Produktgas, teilweise in Kombination mit einem Katalysator bzw. einer Membran zur selektiven Abtrennung von Wasserstoff. In einer Reihe weite­ rer Schriften wird die Erzeugung höherer Kohlenwasserstoffe in einem DBD-Reaktor oder in einem Corona-Entladungsreaktor beschrieben, der geeignete katalytische Füllungen enthält (WO 97 29 833 A, EP 1 038 942 A, EP 1 038 855 A, EP 1 038 856 A, EP 1 074 535 A, WO 98/32531 A). Ein Vergleich der in diesen Schriften angegebenen Werte für den Energiebe­ darf zur Plasma-Erzeugung mit den Brennwerten der Produkte zeigt jedoch, dass die zugrundeliegenden Prozesse einen nied­ rigen Wirkungsgrad haben.
Ein besserer Wirkungsgrad wird mit sogenannten Gleitlichtbö­ gen (Glide-Arcs) erzielt (WO 98/30524 A), deren Charakter be­ dingt durch Strömungseffekte zwischen thermischer und nicht­ thermischer Gasentladung liegt. Wegen der hohen Gastemperatu­ ren sind hier jedoch ähnliche Probleme wie bei den thermi­ schen Plasmen zu erwarten.
Untersuchungen zur Dampf-Reformierung von Methan mittels DBD- Reaktoren haben gezeigt, wird ohne Kombination mit Katalysa­ toren die Methankomponente des Eduktgases durch die Gasentla­ dung bevorzugt aktiviert. Hierdurch kommt es vornehmlich zur Bildung von Wasserstoff und höheren Kohlenwasserstoffen, wäh­ rend oxidierte Komponenten wie z. B. CO nur in sehr geringen Mengen gebildet werden. Auf diese Weise ist eine hohe Wasser­ stoffausbeute nicht zu erreichen. Mit Sauerstoff als Oxidati­ onsmittel konnte zwar eine höhere Selektivität für die Bil­ dung von Wasserstoff erzielt werden, der schlechte thermische Wirkungsgrad lässt dieses Verfahren aber wenig attraktiv er­ scheinen.
In der deutschen Patentanmeldung mit gleicher Anmeldepriori­ tät wird ein Elektronenstrahlverfahren für die industrielle Anwendung vorgeschlagen, das vor allem auf Skalierbarkeit hin zu großen Massenströmen ausgerichtet ist. Das große Reaktor­ volumen und Abschirm- und Überwachungsmaßnahmen, die bei Elektronenenergien von typisch 150 keV nach Strahlenschutz­ verordnung erforderlich werden, spielen hier keine Rolle. Für eine dezentrale Wasserstofferzeugung hingegen sind das Ein­ schränkungen, die eine Anwendung des Elektronenstrahlverfah­ rens verhindern.
Weiterhin ist aus der EP 0 667 173 A1 ein Verfahren zur Ent­ fernung von Kontaminierungen in Fluiden bekannt, bei denen gepulste Elektronenstrahlen im Energiebereich von 90 keV bis 110 keV verwendet werden.
Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein spezifi­ sches Verfahren zur Behandlung bzw. Umwandlung von gasförmi­ gen Brennstoffen und eine zugehörige Vorrichtung anzugeben.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Maßnahmen des Patentanspruches 1 gelöst. Eine zugehörige Vor­ richtung ist Gegenstand des Patentanspruches 6. Weiterbildun­ gen des Verfahrens und der Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Mit der Erfindung wird ein Elektronenstrahlverfahren zur Re­ formierung von Kohlenwasserstoffen realisiert, das gegenüber dem Stand der Technik nichtthermischer Plasmaverfahren einen höheren thermischen Wirkungsgrad und eine höhere Selektivität für die Erzeugung von Wasserstoff aufweist und dabei gleich­ zeitig den Vorteil eines kompakten Aufbaus mitbringt, der ge­ mäß Strahlenschutz keiner besonderen Überwachung bedarf. Die­ se Vorteile werden dadurch erreicht, dass für die Erzeugung des nichtthermischen Plasmas ein bei niedriger Beschleuni­ gungsspannung unter 20 kV erzeugter Elektronenstrahl einge­ setzt wird. Überraschenderweise steigt bei konstantem Strahl­ strom die Leistungsdichte im Reaktorvolumen mit sinkender Be­ schleunigungsspannung stark an.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Umwandlung eines Gasgemisches bestehend aus einem oder mehre­ ren Brenngasen oder verdampften flüssigen Brennstoffen, z. B. Kohlenwasserstoffen, Alkoholen, Kohlenmonoxid, aus einem oder mehreren oxidierenden Gasen, z. B. Sauerstoff, Wasserdampf, Kohlendioxid, und ggf. Inertgasen wie Stickstoff, mit dem Ziel der Erzeugung von Wasserstoff, einer Erzeugung einer Mi­ schung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff bzw. der Anreiche­ rung eines Brenngases mit Wasserstoff. Dabei ist vorteilhaft, dass die Anwendungsverfahren dezentral durchführbar sind, was insbesondere bei der Bereitstellung von Wasserstoff für Brennstoffzellen von Bedeutung ist.
Die Reformierung wird erfindungsgemäß bei Temperaturen zwi­ schen Umgebungstemperatur 25°C und 600°C durchgeführt, bevor­ zugt jedoch zwischen 100°C und 400°C. Das niederenergetische Elektronenstrahlverfahren arbeitet prinzipiell in einem wei­ ten Druckbereich von einem Unterdruck von z. B. 0,1 bar bis hin zu einem Überdruck von über 10 bar. Der bevorzugte Ein­ satzbereich liegt zwischen Atmosphärendruck und 5 bar.
In einer Vakuumröhre werden Elektronen aus einer geeigneten Quelle freigesetzt, in einem elektrischen Feld beschleunigt und durch eine dünne Folie in den Gasraum eingestrahlt, wo durch Stoßprozesse der Elektronen mit den Gasmolekülen reak­ tive Radikale und Ionen erzeugt und so die Reformierungsreak­ tionen induziert werden. Hierzu wird im Einzelnen auf Fig. 1 weiter unten verwiesen. Aufgrund der niedrigen Elektronen­ energie werden die Primärelektronen auf einer sehr kurzen Strecke in ionisierenden Stoßprozessen abgebremst. Deshalb kann durch Elektronenstrahlen geringer Leistung eine hohe Leistungsdichte im Reaktionsvolumen erzielt werden, die hohe Dichten chemisch aktiver Radikale zur Folge hat. Pro mA Strahlstrom können mit Punktförmigen Elektronenstrahlquellen bei Atmosphärendruck Leistungsdichten von typisch 50 kW/m3 bis 500 kW/m3 erzielt werden. Die Leistungsdichte steigt mit sinkender Beschleunigungsspannung und mit steigender Gasdich­ te, weil die Eindringtiefe mit der Beschleunigungsspannung steigt, mit zunehmender Gasdichte jedoch sinkt. Hierzu wird auf die Gleichung (4) weiter unten verwiesen.
Gegenüber Gasentladungsverfahren weist das Elektronenstrahl­ verfahren zur Reformierung folgende Besonderheiten und Vor­ teile auf: Die Erzeugung schneller Elektronen erfolgt außer­ halb des Reaktorvolumens und ist damit von den Bedingungen innerhalb des Reaktorvolumens unabhängig. Die Elektronen tre­ ten mit einer hohen Energie von typisch 10 bis 20 keV in das Reaktorvolumen ein und geben ihre Energie nach und nach in Ionisations-, Dissoziations- und elektronischen Anregungsstö­ ßen ab. Dabei erzeugen sie Sekundärelektronen mit Energien von bis mehreren 100 eV.
Es tragen also nicht nur die hochenergetischen Primärelektro­ nen sondern auch die Sekundärelektronen durch Ionisations- und Dissoziationsstöße wesentlich zur Bildung chemisch akti­ ver Radikale bei: Die Wahrscheinlichkeit für das Stattfinden dieser Stoßprozesse, die bei einer bestimmten Elektronenener­ gie proportional zu dem Stoßquerschnitt für diesen Prozess ist, ist gegenüber der Anregung durch elektrische Gasentla­ dungen um mehrere Größenordnungen erhöht. Die Vibrationsanre­ gung von Methan, Wasser und Kohlendioxid, die bei Elektronen­ energien unter 5 eV stattfindet und in nichtthermischen elek­ trischen Gasentladungen zur Reformierung einen Verlustprozess darstellt, ist demgegenüber um einen Faktor 2 reduziert.
Insgesamt wird also der Wirkungsgrad für Reformierungsreakti­ onen beachtlich verbessert. Eine weitere Verbesserung besteht darin, dass die Wahrscheinlichkeit für die Dissoziation von Wasser und Kohlendioxid relativ zur Dissoziation von Methan erhöht wird, was weiter unten anhand der Beschreibung von Fig. 2 noch im Einzelnen erläutert wird. Während bei 20 eV Me­ than mit 10mal größerer Wahrscheinlichkeit als Wasser und mit 400mal größerer Wahrscheinlichkeit als Kohlendioxid dis­ soziiert wird, unterscheiden sich die Wahrscheinlichkeiten bei 100 eV nur noch um einen Faktor 1,7 bzw. 9. Ähnliche Ef­ fekte können für andere Kohlenwasserstoffe erwartet werden.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Elektronenstrahl­ verfahrens besteht schließlich in der einfachen Spannungsver­ sorgung der Elektronenstrahlquelle. Im Unterschied zu nicht­ thermischen Gasentladungen kann die Leistungseinkopplung im Dauerstrich erfolgen. Die erforderlichen elektrischen Netz­ teile für die Elektronenstrahlquelle sind kostengünstig ver­ fügbar.
Im Rahmen der Erfindung werden besondere Vorkehrungen für das Austrittsfenster der Elektronenstrahlapparatur getroffen: Die Elektronen verlieren beim Durchtreten des Fensters einen Teil ihrer Energie, der in Wärme umgesetzt wird. Dies stellt einen Verlustprozess dar, der den Wirkungsgrad des Verfahrens redu­ ziert. Weiterhin kann eine Kühlung des Fensters nur über das Arbeitsgas des Reformierungsreaktors selbst oder über Vor­ richtungen erfolgen, die am Rand des Fensters angebracht sind. Deshalb muss zum Schutz des Fensters der Wärmeeintrag so klein gehalten werden, dass die Grenzen der thermischen und mechanischen Belastbarkeit aufgrund von Aufheizung und thermischer Ausdehnung nicht überschritten werden. Da die Eindringtiefe von Elektronenstrahlen gemäß
ρ.d ∝ En (4)
umgekehrt proportional zur Massendichte ρ des Materials und proportional zu einer Potenz von n ≈ 1,75 der Elektronenenergie E ist, wird vorteilhafterweise ein Fenstermaterial niedriger Dichte mit einer Dicke von unter 2 µm eingesetzt, um einer­ seits eine ausreichende Elektronentransmission zu gewährleis­ ten. Die Dicke sollte jedoch andererseits auch eine ausrei­ chende Stabilität und Gasdichtheit sicherstellen. Die untere Grenze wird deshalb bei niedrigem Druck in der Reaktionszelle 100 nm betragen. Bevorzugt wird die Dicke zwischen 300 nm und 1 µm liegen:
300 nm < d < 1 µm
Als Fenstermaterial kommt z. B. SiN-Keramik in Frage, die aus Silicium-Wafern mit Verfahren der Halbleiterprozesstechnik in Form dünner Fenster produziert werden kann. Zur Erhöhung der chemischen Resistenz kann vorteilhafterweise eine Bedampfung des Fenstermaterials mit einem widerstandsfähigen bzw. hoch­ schmelzenden Material, z. B. mit Palladium (Pd), Molybdän (Mo), oder mit bekannten Ätzstop-Materialien wie Chrom (Cr) oder Aluminiumnitrid (AlN) erfolgen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es zei­ gen jeweils in schematischer Darstellung
Fig. 1 das Prinzip der Elektronenstrahlreformierung,
Fig. 2 eine Darstellung der Abhängigkeit von Elektronenstoß­ querschnitten bzw. zweier Elektronenenergievertei­ lungsfunktionen für die Dissoziation unterschiedli­ cher Substanzen in Abhängigkeit von der Elektronen­ energie,
Fig. 3 die Apertur eines Austrittsfensters,
Fig. 4 eine Elektronenstrahlquelle mit thermischem Emitter,
Fig. 5 eine Elektronenstrahlquelle mit Feldemitter und
Fig. 6 eine Elektronenstrahlquelle mit mehreren Feldemittern entsprechend Fig. 5.
In Fig. 1 ist das Prinzip der Elektronenstrahlreformierung dargestellt. Mit 1, 1', . . . sind hochenergetische Primär­ elektronen vor und nach einer Reihe von Stößen bezeichnet. Bezugszeichen 2 kennzeichnet ein Molekül der allgemeinen Struktur AB, aus dem durch Elektronenstoß Teilchen 3, 3' und 4, 4' als ionisierte Molekülbruchstücke A+ einerseits und als neutrale Molekülbruchstücke B andererseits gebildet werden. Mit 5 sind schließlich die bei den Wechselwirkungen entste­ henden Sekundärelektronen bezeichnet.
In Fig. 2 ist auf der Abszisse die Elektronen-Energie EE in Elektronenvolt (eV) und auf der Ordinate bezüglich der primä­ ren y-Achse der Wirkungsquerschnitt CS (Cross Section) für Elektronenstoßdissoziation in 10-20 m2 aufgetragen. Darge­ stellt sind einzelne Wirkungsquerschnitt 101 bis 103, wobei die Kurve 101 für Methan, die Kurve 102 für Wasser, die Kurve 103 für Kohlendioxid steht. Mit der Kurve 104 ist bezüglich der sekundären y-Achse die Elektronenenergieverteilungsfunk­ tion EEDF(Electron Energy Distribution Function) für eine mittlere Elektronenenergie von 6 eV und mit der Kurve 105 ist bezüglich der sekundären y-Achse die EEDF der Sekundärelek­ tronen eines 20 keV-Elektronenstrahls in Wasserdampf darge­ stellt.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt im Durchfluss durchgeführt. Das zu behandelnde Gas wird dabei am Austritts­ fenster der Elektronenstrahlapparatur vorbeigeführt. Die Re­ aktorgeometrie kann je nach Anwendung z. B. planar, koaxial mit radialer Einstrahlung der Elektronen oder koaxial mit axialer Einstrahlung der Elektronen sein. Aufgrund der Emp­ findlichkeit des dünnen Austrittsfensters und der hohen che­ misch aktiven Radikalendichten wird eine Geometrie bevorzugt, bei der das Arbeitsgas mit dem Austrittsfenster nur kurz Kon­ takt hat. Das wird erfindungsgemäß durch die Verwendung einer linienförmigen Elektronenstrahlquelle erreicht, bei der gemäß Fig. 3 auch das Austrittsfenster linienförmig gehalten wer­ den kann, d. h. die Breite längs der Strömungsrichtung des Ar­ beitsgases klein ist gegen die Länge des Fensters. Damit wird gleichzeitig eine ausreichende mechanische Stabilität des Fensters gewährleistet, das zum einen dünn genug für eine Verlustarme Transmission der Elektronen sein muss, auf der anderen Seite der Druckdifferenz zwischen der evakuierten Elektronenstrahlquelle und dem typisch bei Atmosphärendruck arbeitenden Reaktor standhalten muss. Die Fensterbreite b ist daher b < 5 mm, bevorzugt wird mit einer Breite des Fensters b < 1 mm gearbeitet. Die Länge a des Fensters unterliegt the­ oretisch keiner Begrenzung, praktisch wird sie jedoch für kompakte, dezentral einsetzbare Reaktoren zwischen der Fens­ terbreite und 200 mm liegen, so dass gilt:
b << a < 200 mm
In Fig. 3 bedeutet 31 ein Austrittsfenster einer Elektronen­ strahlanordnung und 32 eine zugehörige Gasströmung. Mit a ist die Länge des Austrittsfensters, mit b die Breite des Aus­ trittsfensters längs der Gasströmung und mit d die Dicke des Austrittsfensters angegeben.
In Fig. 4 ist eine Elektronenstrahlquelle 40 zur Erzeugung eines Elektronenstrahls und zu dessen Auskopplung über das anhand aus Fig. 3 beschriebene Fenster 31 verdeutlicht. Für die Elektronenquelle 40 kommen unterschiedliche Emitter in Frage: Zum einen können gemäß Fig. 4 thermische Emitter ein­ gesetzt werden, die im niedrigen Leistungsbereich in Bild­ schirmröhren in großer Stückzahl eingesetzt werden und bei hohen Strahlströmen z. B. bei Elektronenstrahlverdampfungs­ anlagen Verwendung finden. In diesem Fall erfolgt die Anpas­ sung der Strahlform an die Geometrie des Austrittsfensters 31 zum einen über elektrostatische Mittel 41, 43, 45 und gegebe­ nenfalls weitere Elektroden zur Strahlaufweitung in der einen und zur Fokussierung in der dazu senkrechten Richtung, zum anderen über ein aus Elektro- und Permanentmagneten bestehen­ des System zur Strahlablenkung und Formung. Der prinzipielle Aufbau und die Auslegung solcher Systeme sind dem Fachmann aus der Fernsehtechnik bekannt. Anders als dort wird jedoch nicht auf eine möglichst gute Fokussierung sondern auf eine möglichst homogene Ausleuchtung des Austrittsfensters mit Elektronen Wert gelegt.
Im Einzelnen bedeuten in Fig. 4 Bezugszeichen 41 eine auf Hochspannung liegende Kathode und 42 die zugehörige Heizung. Mit 43 ist ein Steuergitter bezeichnet. Diese Anordnung be­ findet sich in einem elektrisch isolierenden Kathodenrohr 44 mit einer Ringanode 45. Es sind Mittel 46 zur magnetischen Strahlformung und Ablenkung vorhanden. An das isolierende Ka­ thodenrohr 44 schließt sich nach unten ein metallisches Ano­ denrohr 47 an. Der Elektronenstrahl ist mit 48 bezeichnet, und ein Austrittsfenster mit 49, dessen Geometrie im Wesent­ lichen anhand Fig. 3 beschrieben wurde.
Als Alternative zur thermischen Emission kann in besonders vorteilhafter Weise die Feldemission von Elektronen aus spit­ zen Strukturen für den Aufbau eines kompakten Systems zur Elektronenstrahlreformierung ausgenutzt werden, was anhand Fig. 5 verdeutlicht wird. Das System besteht aus einem Feld­ emitter 51, einem Steuergitter 52 mit einer dem Emitter ge­ genüber negativen elektrischen Spannung und dem als Anode dienenden Austrittsfenster 53, durch das der Elektronenstrahl 54 ausgekoppelt wird. Solche Strukturen lassen sich heute kostengünstig mit Verfahren der Mikrostrukturtechnik herstel­ len.
Insbesondere mit dem anhand Fig. 5 beschriebenen Feldemissi­ ons-Verfahren lassen entsprechend Fig. 6 sich auch große Felder solcher Strukturen 61, 61', 61''. . ., 62, 62', 62'', . . . und 63, 63', 63'', . . . anfertigen, mit denen dann entwe­ der linienförmige oder flächige Elektronenstrahlquellen 64, 64', 64'', . . . realisiert werden können. Damit ist gleichzei­ tig die Möglichkeit der Skalierung des Systems gegeben, da bei vorgegebener Spannung an der Kathode der extrahierbare Elektronenstrom durch elektrische Raumladungsfelder begrenzt ist.

Claims (12)

1. Verfahren zur Behandlung und/oder Reformierung von gas­ förmigen Brennstoffen, insbesondere zur Erzeugung von Wasser­ stoff für dezentrale Anwendungen, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der gasförmige Brennstoff oder ein den gasförmigen Brennstoff enthaltendes Gasgemisch in ein Reaktorgefäß gebracht wird, in dem ein nichtthermi­ sches Plasma durch Einstrahlung eines außerhalb des Reaktor­ gefäßes mit einer Beschleunigungsspannung von < 20 kV gene­ rierten Elektronenstrahls erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Behandlung und/oder Reformierung des Brennstoffes bei Temperaturen zwischen 25°C (Umgebungs­ temperatur) und 600°C durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass bei Temperaturen zwischen 100°C und 400°C gearbeitet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Behandlung und/oder Reformierung der Brennstoffe in einem Druckbereich von Unterdruck bis zu Überdruck, vorzugsweise 0,1 bar bis 10 bar, durchgeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, dass bei einem Druck zwischen Atmosphä­ rendruck und 5 bar gearbeitet wird.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 5, mit einer Elektronen­ quelle und einem für einen Reformierungsprozess geeigneten Reaktorgefäß, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronenquelle (40) Mittel (41 bis 47) zur Erzeu­ gung eines Elektronenstrahls (48) und Einkopplung des Elekt­ ronenstrahls (48) in das Reaktorgefäß zugeordnet sind, wobei zur Einkopplung der Elektronen aus der Elektronenquelle (40) in das Reaktorgefäß ein elektronendurchlässiges Austrittsfenster (31) vorhanden ist, das aus Keramik mit ei­ ner Dicke (d) im Bereich 300 nm < d < 1 µm besteht.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Elektronenquelle einen thermischen Emitter (41, 42) aufweist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Elektronenquelle Feld­ emitter (51) aufweist.
9. Vorrichtung nach Anspruchs 6, dadurch ge­ kennzeichnet, dass für einen linienförmigen Elektronenstrahl (48) die Elektronenstrahlquelle (40) ein li­ nienförmiges Austrittsfenster (31) aufweist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Keramik aus Siliziumnit­ rid (SiN) besteht, das aus einem Silizium-Wafer mittels Halb­ leiterprozesstechnik herstellbar ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das Austrittsfenster (31) eine Länge (a) hat, für die in Abhängigkeit von seiner Breite (b) die Beziehung b << a < 200 mm gilt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, da­ durch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der chemischen Resistenz das Austrittsfenster (31) mit wider­ standsfähigen Materialien, beispielsweise mit Palladium (Pd), Chrom (Cr), Molybdän (Mo) oder Aluminiumnitrid (AlN) be­ schichtet, insbesondere bedampft ist.
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