DE10195284B4 - Reformeranlage mit Wärmeschild - Google Patents

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Abstract

Reformeranlage (1) zur Erzeugung eines wasserstoffreichen Produktgases aus einem kohlenwasserstoffhaltigen Fluid, umfassend ein Gehäuse (2) mit mehreren Reformerzonen (3, 4, 5), die in einem Innenraum (6) des Gehäuses (2) angeordnet sind, und mindestens eine Zuleitung (7), dadurch gekennzeichnet, daß die Reformeranlage (1) zur thermischen Isolierung ein Wärmeschild (8) aufweist, das derart ausgeführt ist, daß eine Reduzierung der Betriebstemperatur in den Reformerzonen (3, 4, 5) um 50% mindestens 8 Stunden dauert, vorzugsweise eine Reduzierung um 20% mindestens 8 Stunden dauert, wobei das Wärmeschild (8) der einzelnen Reformerzonen (3, 4, 5) verschiedene Wärmeleitfähigkeiten aufweisen.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Reformeranlage zur Erzeugung eines wasserstoffreichen Produktgases aus einem kohlenwasserstoffhaltigen Fluid gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Reformeranlage dient beispielsweise der Bereitstellung von Wasserstoff zum Zwecke des Betriebes einer Brennstoffzelle im Automobilbau.
  • Brennstoffzellen für die Energieversorgung elektrisch angetriebener Kraftfahrzeuge sind derzeit Gegenstand intensiver Forschungsarbeit. Der Kraftstoff für die Brennstoffzelle ist Wasserstoff. Speziell für den Einsatz in mobilen Anwendungen ergibt sich hierbei 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, Diesel, etc. gespeichert und dann erst im Fahrzeug selbst in Wasserstoff umgewandelt wird. Da für eine Betankung von Kraftfahrzeugen mit flüssigem Wasserstoff derzeit keine geeignete Infrastruktur besteht und weiterhin die Speicherung des Wasserstoffes problematisch ist, wird die Reformierung von Kohlenwasserstoffen zur Wasserstoffgewinnung an Bord des Kraftfahrzeugs bevorzugt.
  • 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 des Prozesses. Die wichtigsten katalytischen Prozesse werden nachfolgend kurz erläutert.
  • 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. Dampfreformierungsreaktionen sind stark endotherm und benötigen daher externe Wärmequellen.
  • Ein weiterer Prozeß ist die sogenannte partielle Oxidation. Bei der partiellen Oxidation wird Sauerstoff oder Luft dem verdampften Kohlenwasserstoff als Oxidationsmittel zugegeben. Dabei entsteht eine stark exotherme Oxidationsreaktion, die überschüssige Wärme produziert und somit im Gegensatz zur Dampfreformierung keiner externen Wärmequelle bedarf. Der dabei erzeugte Wasserstoffgehalt des entstandenen Produktgases ist jedoch geringer (ca. 50% Wasserstoff) und der Kohlenmonoxidgehalt ist höher (ca. 3 bis 4%).
  • Eine Kombination aus Dampfreformierung und partieller Oxidation wird autotherme Reformierung genannt. Bei diesem Verfahren wird die Zugabe von Wasserdampf und Sauerstoff beziehungsweise Luft so eingestellt, daß die durch die exotherme partielle Oxidationsreaktion entstehende Wärme gerade den Wärmebedarf der endothermen Reformierung deckt. Der Wasserstoffgehalt des entstehenden Produktgases ist geringer als bei der Dampfreformierung und höher als bei der partiellen Oxidation. Die Kombination der beiden Verfahren kann zu einem schnellen Start- und Lastwechselverhalten führen.
  • Betrachtet man den Einsatz derartiger Reformeranlagen in mobilen Anwendungen, wie beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, so steht insbesondere die Anlaufzeit der Reformeranlage im Vordergrund. Bekannte Reformeranlagen benötigen nach dem Start bis zum Erreichen der Betreibstemperatur (ca. 400° Celsius) eine Warmlaufphase, die sich über eine Zeitdauer von 1 Minute bis 3 Minuten hin erstreckt.
  • Aus der DE 42 30 583 A1 ist eine Hochtemperatur-Speicherbatterie bekannt, die durch eine Isolationsschicht und einen Latentwärmespeicher bspw. auf einem Temperaturniveau von 300°C gehalten wird. Der Latentwärmespeicher wird durch Überschusswärme der Batterie beladen und die Wärme bei Bedarf zur Beheizung der Batterie wieder aus dem Latentwärmespeicher abgezogen.
  • Aus der DE 43 07 217 C2 ist ein Latentwärmespeicher für ein Kraftfahrzeug bekannt, der durch ein zweites Latentwärmespeichermaterial umhüllt ist. Dadurch, dass der zweite Latentwärmespeicher den ersten Latentwärmespeicher umgibt und somit dessen Wärmedämmschicht darstellt, wird durch die durch den Arbeitsbereich des zweiten Latentwärmespeichermaterials vorgegebene Temperaturspanne über einen sehr langen Zeitraum eine praktisch gleiche Temperatur in dem ersten Latentwärmespeichermaterial aufrecht erhalten.
  • Die DE 196 39 150 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Bereitstellung von Wärmeenergie für ein Gaserzeugungssystem. Bei dieser Vorrichtung sind zwei Brennkammern vorgesehen, die jeweils zumindest zeitweise von einem Brennmittel/Gasgemisch durchströmt werden, wobei eine der Brennkammer als Kaltstartkomponente, in der eine elektrische Heizvorrichtung vorgesehen ist, und eine weitere Brennkammer als Komponente zur Restgasumsetzung ausgeführt ist.
  • Aus der DE 197 27 588 C1 ist ein Reformator bekannt, bei dem während einer Startphase Sauerstoff zum zugeführten Brennstoff beigemischt und die Strömungsrichtung derart umgelenkt wird, dass zuerst eine Gasreinigungsstufe und erst anschließend eine Gaserzeugungsvorrichtung durchströmt wird. Hierdurch kann auf einfache Art und Weise die Gasreinigungsstufe vorübergehend als katalytischer Brenner betrieben und so die Kaltstarteigenschaften verbessert werden.
  • Aus der DE 197 54 013 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Wasserdampfreformierung eines Kohlenwasserstoffs bekannt, bei denen ein Hauptreformer durch eine Brennreinheit beheizbar ist, wobei in der Brennreinheit ein brennbares Gemisch katalytisch flammenlos verbrannt wird.
  • Die DE 197 55 813 A1 offenbart ein Verfahren zum Betrieb einer Anlage zur Wasserdampfreformierung, wobei beim Kaltstart der Anlage ein Aufheizvorgang durchgeführt wird, bei dem der Reaktor zunächst im POX-Betrieb bei niedrigem Druck betrieben und anschließend auf einen Reformierungsbetrieb umgestellt und gleichzeitig der Druck auf einen Normalbetriebsdruck gesteigert wird. Der POX-Prozess erzeugt Wärme, die je nach Systemaufbau über direkte Festkörperwärmeleitung und/oder durch ein bei der partiellen Oxidation gebildetes Produktgas als Wärmeträgermedium in eine Wasserstoffabtrennstufe transportiert wird und dort eine Membran heizt.
  • Die DE 197 55 814 C1 offenbart ein Verfahren zum Betrieb einer Anlage zur Wasserdampfreformierung eines Kohlenwasserstoffs, bei dem beim Kaltstart der Anlage wenigstens ein Teil des Reformierungsreaktor als Mehrfunktions-Reaktoreinheit in einer ersten Betriebsphase als katalytische Brennreinheit unter Zufuhr eines Brennstoffs und eines sauerstoffhaltigen Gases und in einer anschließenden zweiten Betriebsphase als Einheit zur partiellen Oxidation des Kohlenwasserstoffs betrieben wird.
  • Die DE 197 55 815 A1 offenbart ein Verfahren zur Wasserdampfreformierung eines Kohlenwasserstoffs, bei dem beim Kaltstart der Anlage eine Aufheizvorgang durchgeführt wird, bei dem in einer ersten Betriebsphase wenigstens der Verdampfer und der Reformierungsreaktor durch die katalytische Brennereinrichtung aufgeheizt werden und in einer zweiten Betriebsphase im Verdampfer ein Kohlenwasserstoff/-wasserdampf-Gemisch mit gegenüber dem Normalbetrieb erhöhten Wasser/-Kohlenwasserstoff-Verhältnis dem Reaktor zugeführt wird.
  • Aus der DE 199 09 935 A1 ist eine Reaktoreinheit bekannt, die eine Wärmeisolierung aufweist, so dass die Temperaturen im Bereich der Reaktoraußenwand zur Vermeidung von Beeinträchtigungen benachbarter Bauteile bei nicht wesentlich mehr als 100°C liegen.
  • Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Reformeranlage anzugeben, die ein deutlich verbessertes Start- und Lastwechselverhalten aufweist.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Reformeranlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Die Reformeranlage zur Erzeugung eines wasserstoffreichen Produktgases aus einem kohlenwasserstoffhaltigen Fluid umfaßt ein Gehäuse mit mehreren Reformerzonen, die im Inneren des Gehäuses angeordnet sind, und mindestens eine Zuleitung. Die erfindungsgemäße Reformeranlage zeichnet sich dadurch aus, daß sie zur thermischen Isolierung ein Wärmeschild aufweist, das derart ausgeführt ist, daß eine Reduzierung der Betriebstemperatur in der mindestens einen Reformerzone um 50% mindestens acht Stunden dauert, vorzugsweise eine Reduzierung um 20% mindestens acht Stunden dauert, wobei das Wärmeschild der einzelnen Reformerzonen verschiedene Wärmeleitfähigkeiten aufweisen.
  • Eine derartige Reformeranlage eignet sich insbesondere zum Zwecke des Betriebes einer Brennstoffzelle in einem Kraftfahrzeug. Die Wärmeschilder haben dabei die Aufgabe, das Abkühlen der Reformeranlage nach dem Betrieb zu verlangsamen bzw. zu verhindern. Das hat zur Folge, daß bei einem erneuten Start der Reformeranlage eine Resttemperatur im Inneren der Reformeranlage herrscht, die beispielsweise deutlich höher als die Umgebungstemperatur ist. Da nun nach einem wiederholten Start der Reformeranlage ein geringerer Temperaturbereich bis zur Erreichung der Betriebstemperatur überwunden werden muß, kann die Startzeit deutlich reduziert werden. Betrachtet man weiterhin das Fahrverhalten von Berufspendlern, so ist hinsichtlich der Wärmekonservierung insbesondere eine Zeitspanne von acht Stunden vorteilhaft, da dies vielfach der Arbeitszeit entspricht.
  • Die Reformeranlage weist mehrere Reformerzonen auf, wobei das Wärmeschild der einzelnen Reformerzonen verschiedene Wärmeleitfähigkeiten aufweist. Auf diese Weise kann beispielsweise verhindert werden, daß es insbesondere in den Reformerzonen, in denen eine exotherme Reaktion abläuft, zu einer Überhitzung kommt. Das Wärmeschild kann folglich dem Aufbau der Reformeranlage angepaßt werden.
  • Bevorzugt ist dabei ein Wärmeschild, das so ausgeführt ist, daß eine Reduzierung der Betriebstemperatur in der mindestens einen Reformerzone um 50% mindestens 24 Stunden dauert, insbesondere eine Reduzierung um 20% mindestens 24 Stunden dauert. Ein derartiges Wärmeschild gewährleistet ausreichend Restwärme im Inneren der Reformeranlage auch nach längerem Stillstand beziehungsweise längerer Nichtinbetriebnahme, so daß sehr kurze Startzeiten realisierbar sind. Die Konservierung von Wärme im Reformer stellt dabei eine neue Methode zur Verkürzung der Startzeit dar. Während bekannte Reformer mit aktiven Heizmitteln versehen sind, die nach dem Start zumeist extern gewonnene Wärme zuführen, ist der erfindungsgemäße Reformer insbesondere zur Speicherung von Wärme geeignet, die im Rahmen der Reformierung gewonnen wird. Dies senkt deutlich den Energiebedarf und steigert somit den Wirkungsgrad der Reformeranlage.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung hat das Wärmeschild eine Wärmeleitfähigkeit kleiner als 35 W/mK [Watt/(Meter Kelvin)]. Die Wärmeleitfähigkeit beschreibt die Fähigkeit eines Materials, Wärme zu leiten. Um einen Abfluß von Wärme aus dem Inneren der Reformeranlage beispielsweise nach außen in die Umgebung zumindest deutlich zu reduzieren, ist es vorteilhaft, das Wärmeschild mit einer relativ kleinen Wärmeleitfähigkeit auszuführen. Entsprechend den Anforderungen hinsichtlich der thermischen Isolierung kann das Wärmeschild vorteilhafterweise eine Wärmeleitfähigkeit kleiner als 12 W/mK, insbesondere sogar kleiner als 5 W/mK aufweisen. Damit weist das Wärmeschild beispielsweise eine deutlich niedrigere Wärmeleitfähigkeit als unlegierter Stahl (55 W/mK) auf. Zur Erzielung einer solchen Wärmeleitfähigkeit können beispielsweise Beschichtungen oder Legierungen aus Aluminiumoxid (28 W/mK), Nickel-Chrom (14 W/mK), Zirkonoxid (2 W/mK) oder Porzellan (6 W/mK) eingesetzt werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Reformeranlage gehört zu dem Wärmeschild ein Wärmespeicher, der vorzugsweise mit einem Phasenwechselmaterial (PCM; ”phase change material”) ausgeführt und insbesondere innerhalb des Wärmeschildes angeordnet ist. Das Phasenwechselmaterial zeichnet sich dadurch aus, daß ein Phasenwechsel in einem Temperaturbereich zwischen 250° Celsius und 650° Celsius, vorzugsweise zwischen 300° Celsius und 500° Celsius erfolgt. Dieser Temperaturbereich liegt nahe der Betriebstemperatur der Reformeranlage. Dabei eignet sich insbesondere ein Phasenwechselmaterial, welches sich durch einen Phasenwechsel von fest nach flüssig beziehungsweise flüssig nach fest auszeichnet. Diese Phasewechselmaterialien sind besonders gut als Hochtemperaturwärmespeicher geeignet. Während des normalen Betriebes der Reformeranlage kann ein derart ausgeführter Wärmespeicher sehr viel thermische Energie aufnehmen, die er beim Abkühlen wieder an die Reformeranlage abgibt. Dabei ist es besonders vorteilhaft, das Phasenwechselmaterial so zu wählen, daß die Phasenwechseltemperatur in einem Temperaturbereich liegt, der Betriebstemperatur der Reformeranlage entspricht. In Hinblick auf einen erhöhten Sicherheitsstandard kann es zudem vorteilhaft sein, den Wärmespeicher mit einem Fest/Fest-Phasenwechselmaterial auszuführen. Der Phasenwechsel ist bei diesem Material als Umstrukturierung in der Gitterstruktur zu verstehen, wobei dieses Phasenwechselmaterial zu jedem Betriebszeitpunkt der Reformeranlage in einem festen Aggregatzustand vorliegt.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Reformeranlage ist das Wärmeschild mit einem Vakuum ausgeführt. Ein Vakuum zwischen der Reformeranlage und der kälteren Umgebung ist ein sehr guter thermischer Isolator.
  • Dient beispielsweise eine erste Reformerzone der Reformeranlage zur partiellen Oxidation und eine zweite Reformerzone zur Dampfreformierung eines kohlenwasserstoffhaltigen Fluids, so ist es besonders vorteilhaft, das Wärmeschild in der zweiten Reformerzone mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit gegenüber dem Wärmeschild der ersten Reformerzone auszubilden. Wie bereits oben dargestellt, laufen bei der partiellen Oxidation überwiegend exotherme Reaktionen ab, wobei mitunter sehr viel thermische Energie frei wird. Diese Reaktionen laufen zudem bereits nach Zugabe einer sehr geringen Aktivierungsenergie selbständig ab (wie zum Beispiel durch Entzünden des Kohlenwasserstoffgemisches mit einem Brenner). Da die stromabwärts angeordnete Dampfreformierung endotherm abläuft, liegt die Aufgabe des Wärmeschildes in der ersten Reformerzone darin, einerseits eine Überhitzung der ersten Reformerzone zu verhindern, andererseits jedoch ausreichend Wärmezufuhr zur zweiten Reformerzone durch die partielle Oxidation zu gewährleisten. Da in der zweiten Reformerzone sehr viel thermische Energie benötigt wird, ist es sehr vorteilhaft, in dieser Zone ein Wärmeschild mit sehr geringer Wärmeleitfähigkeit anzuordnen.
  • Weist die Reformeranlage eine dritte Reformerzone auf, die zur Reinigung des bereits reformierten Fluids, insbesondere mittels eines Katalysators, dient, so ist das Wärmeschild der dritten Reformerzone mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit auszuführen, als das der zweiten Reformerzone. Vorzugsweise weist das Wärmeschild der dritten Reformerzone dabei eine geringere Wärmeleitfähigkeit gegenüber dem Wärmeschild der ersten Reformerzone auf. Bei der Reinigung des Produktgases steht insbesondere die Reduzierung des Kohlenmonoxid-Gehaltes des Produktgasstromes im Vordergrund. Hierzu wird vielfach die sogenannte Shift-Reaktion oder Kohlenmonoxid-Konvertierung eingesetzt. Diese Reaktionen laufen exotherm ab, wobei die maximal erreichbaren Umsetzungsraten beziehungsweise Umsetzungsgeschwindigkeiten stark temperaturabhängig sind. Bei diesen Reaktionen wird Wasserdampf dem kohlenmonoxidhaltigen Produktgas zugeführt, wobei das im Reformat enthaltene Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid und der Wasserdampf zu Wasserstoff umgewandelt wird. Geeignete Temperaturen liegen hierbei in einem Bereich von ca. 180° bis 280° Celsius.
  • Hinsichtlich einer exakten Einstellung des Temperaturniveaus innerhalb der Reformeranlage kann es erforderlich sein, die einzelnen Reformerzonen auch mit unterschiedlichen Wärmespeichern (zum Beispiel unterschiedliche Wärmekapazität) und/oder mit einer weiteren Unterteilung der einzelnen Reformerzonen hinsichtlich unterschiedlicher Wärmeschilder beziehungsweise Wärmespeicher vorzunehmen.
  • Gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung der Reformeranlage gehört zu dem Wärmeschild eine elektrische Heizung. Diese kann beispielsweise außerhalb des Wärmeschildes angeordnet sein, um den Temperaturunterschied dem Innenraum und der äußeren Umgebung des Wärmeschildes zu reduzieren und derart zusätzlich ein Auskühlen der Reformeranlage zu verlangsamen. Ist die elektrische Heizung innerhalb des Wärmeschildes angeordnet, so dient sie beispielsweise auch einem schnellen Aufheizen der Reformeranlage nach dem Start.
  • Gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung der Reformeranlage weist die mindestens eine Zuleitung ebenfalls ein Wärmeschild auf wobei dieses insbesondere mit einem Wärmespeicher ausgeführt ist, welcher vorzugsweise mit Phasenwechselmaterial gefüllt ist. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, daß der in der Reformeranlage benötigte Wasserdampf insbesondere in der Startphase nicht in den Zuleitungen wieder kondensiert. Dabei ist es besonders vorteilhaft, daß die mindestens eine Zuleitung eine elektrische Heizung aufweist, wobei auch hier ein schnelles Abkühlen verhindert werden kann.
  • Gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung weist die Reformeranlage im Innenraum des Gehäuses mindestens einen Wabenkörper auf, der gegenüber dem Gehäuse thermisch gekoppelt ist. Der Wabenkörper stellt dabei ebenfalls eine Art Wärmespeicher mit einer vorgebbaren Wärmekapazität dar. Mit der thermischen Entkopplung wird ein schnelles Auskühlen des Wabenkörpers gegenüber dem Gehäuse und/oder in Strömungsrichtung verhindert.
  • Bevorzugt ist dabei eine Anordnung des Wabenkörpers in der Reformeranlage, wobei der Wabenkörper wenigstens teilweise von einem Luftspalt umgeben ist, in den sich vorzugsweise mindestens eine Konvektionssperre hinein erstreckt. Der Luftspalt dient dabei gegenüber dem Gehäuse als thermische Isolation. Um ein schnelles Abkühlen besonders effektiv zu verhindern, sind in dem Luftspalt vorzugsweise Konvektionssperren angeordnet, die eine Verwirbelung von Gasströmen nach dem Abschalten der Reformeranlage minimieren.
  • Dabei ist es besonders vorteilhaft, daß der mindestens eine Wabenkörper mindestens eine Aufhängung hat, die zumindest teilweise aus keramischem Material besteht. Auf diese Weise wird der Wabenkörper axial in der Reformeranlage fixiert und aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit der Keramik ein Wärmefluß von dem Wabenkörper hin zu dem Gehäuse über die Aufhängung wesentlich beeinträchtigt.
  • Die erfindungsgemäße Reformeranlage wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert, wobei die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt ist. Es zeigen:
  • 1 Schematisch und perspektivisch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Reformeranlage und
  • 2 schematisch und perspektivisch eine Detailansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Reformeranlage mit einem Wabenkörper
  • 1 zeigt schematisch und perspektivisch eine Reformeranlage 1 zur Erzeugung eines wasserstoffreichen Produktgases aus einem kohlenwasserstoffhaltigen Fluid. Die Reformeranlage 1 umfaßt ein Gehäuse 2 mit drei Reformerzonen 3, 4, 5, die im Innenraum 6 des Gehäuses 2 angeordnet sind. Die Reformeranlage 1 weist zur thermischen Isolierung ein Wärmeschild 8 auf, das derart ausgeführt ist, daß eine Reduzierung der Betriebstemperatur in den Reformerzonen 3, 4, 5 um 50% mindestens acht Stunden dauert, vorzugsweise eine Reduzierung um 20% mindestens acht Stunden dauert. Das Wärmeschild 8 ist dabei zusätzlich mit einem Wärmespeicher 15 ausgeführt, der vorzugsweise aus einem Phasenwechselmaterial ist. Die erste Reformerzone 3 dient dabei zur partiellen Oxidation, die zweite Reformerzone 4 zur Wasserdampfreformierung des kohlenwasserstoffhaltigen Fluids und die dritte Reformerzone 5 zur katalytischen Reinigung des Produktgases. Jede Reformerzone 3, 4, 5 weist einen Wabenkörper 10 auf, so daß das zu reformierende Fluid in Strömungsrichtung 19 durch diese Wabenkörper 10 strömt.
  • Das Gehäuse 2 weist in axialer 17 Verlängerung eine Zuleitung 7 auf, durch welche das kohlenwasserstoffhaltige Fluid in die Reformeranlage 1 einleitbar ist. Die Zuleitung 7 weist eine elektrische Heizung 9 auf, die beispielsweise ein rasches Abkühlen verhindern soll. Zwei weitere Zuleitungen 7 sind, in Strömungsrichtung 19 gesehen, anfangs der zweiten 4 und dritten 5 Reformerzone angeordnet. Sie dienen beispielsweise der Zufuhr von Wasserdampf beziehungsweise einem sauerstoffhaltigen Gas zur Reformierung beziehungsweise Oxidation des kohlenwasserstoffhaltigen Fluids.
  • Stromabwärts 19 der Reformeranlage 1 ist eine Brennstoffzelle 14 angeordnet, der das wasserstoffreiche Produktgas zugeführt wird. Diese dient insbesondere dem Antrieb eines elektrischen Kraftfahrzeuges. Das dabei produzierte Abgas wird, gegebenenfalls nach einer weiteren Reinigungsstufe, in die Umgebung abgegeben.
  • 2 zeigt schematisch eine Schnittansicht durch das Gehäuse 2. In dem Gehäuse 2 ist ein Wabenkörper 10 angeordnet, der von einem Mantelrohr 18 umgeben ist. Der Wabenkörper 10 ist hier mit Blechen 20 ausgeführt, die Kanäle 21 bilden, welche parallel zur Achse 17 laufen. Es ist ebenfalls möglich, den Wabenkörper 10 mit einer keramischen Trägerstruktur auszuführen. Der Wabenkörper 10 ist im Innenraum 6 des Gehäuses 2 angeordnet und gegenüber diesem thermisch entkoppelt. So ist der Wabenkörper 10 von einem Luftspalt 11 umgeben, in dem sich eine umlaufende Konvektionssperre 12 hinein erstreckt. Der Wabenkörper 10 weist eine Aufhängung 13 auf, die zumindest teilweise aus keramischem Material besteht. Der Wabenkörper 10 ist hier an einem Wärmespeicher 15 befestigt, wobei dieser vorzugsweise aus einem Fest/Fest-Phasenwechselmaterial ist. Zur thermischen Isolierung ist das Wärmeschild 8 hier mit einem Vakuum 16 ausgefürt, welches zwischen dem Gehäuse 2 und dem Wärmespeicher 15 angeordnet ist.
  • Die erfindungsgemäße Reformeranlage zur Erzeugung eines wasserstoffreichen Produktgases aus einem kohlenwasserstoffhaltigen Fluid verbessert gegenüber bekannten Reformeranlagen deutlich das Kaltstartverhalten, wobei die Konservierung von erzeugter Wärme, die während einer vorangegangenen Reformierung erzeugt wurde, eine Methode darstellt, die im Gegensatz zu herkömmlich betriebenen Reformeranlagen in eine neue Richtung weist. Dies ist insbesondere beim Einsatz einer solchen Reformeranlage im Automobilbau vorteilhaft, da derartige Reformeranlagen in bestimmten Zeitabständen immer wieder aktiviert werden und mit Hilfe des vorgeschlagenen Wärmeschildes ein unerwünschtes Abkühlen über diesen Zeitabständen verhindert wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Reformeranlage
    2
    Gehäuse
    3
    erste Reformerzone
    4
    zweite Reformerzone
    5
    dritte Reformerzone
    6
    Innenraum
    7
    Zuleitung
    8
    Wärmeschild
    9
    elektrische Heizung
    10
    Wabenkörper
    11
    Luftspalt
    12
    Konvektionssperre
    13
    Aufhängung
    14
    Brennstoffzelle
    15
    Wärmespeicher
    16
    Vakuum
    17
    Achse
    18
    Mantelrohr
    19
    Strömungsrichtung
    20
    Blech
    21
    Kanal

Claims (12)

  1. Reformeranlage (1) zur Erzeugung eines wasserstoffreichen Produktgases aus einem kohlenwasserstoffhaltigen Fluid, umfassend ein Gehäuse (2) mit mehreren Reformerzonen (3, 4, 5), die in einem Innenraum (6) des Gehäuses (2) angeordnet sind, und mindestens eine Zuleitung (7), dadurch gekennzeichnet, daß die Reformeranlage (1) zur thermischen Isolierung ein Wärmeschild (8) aufweist, das derart ausgeführt ist, daß eine Reduzierung der Betriebstemperatur in den Reformerzonen (3, 4, 5) um 50% mindestens 8 Stunden dauert, vorzugsweise eine Reduzierung um 20% mindestens 8 Stunden dauert, wobei das Wärmeschild (8) der einzelnen Reformerzonen (3, 4, 5) verschiedene Wärmeleitfähigkeiten aufweisen.
  2. Reformeranlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeschild (8) eine Wärmeleitfähigkeiten kleiner als 35 W/mK hat, vorzugsweise kleiner als 12 W/mK, insbesondere kleiner als 5 W/mk.
  3. Reformeranlage (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem Wärmeschild (8) ein Wärmespeicher (15) gehört, der vorzugsweise mit einem Phasenwechselmaterial (PCM; ”phase change material”) ausgeführt und insbesondere innerhalb des Wärmeschildes (8) angeordnet ist.
  4. Reformeranlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeschild (8) mit einem Vakuum ausgeführt ist.
  5. Reformeranlage (1) nach Anspruch 1, wobei die Reformeranlage (1) eine erste Reformerzone (3) zur partiellen Oxidation und eine zweite Reformerzone (4) zur Wasserdampfreformierung eines kohlenwasserstoffhaltigen Fluids aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeschild (3) in der zweiten Reformerzone (4) eine geringere Wärmeleitfähigkeit gegenüber dem Wärmeschild (8) der ersten Reformerzone (3) hat.
  6. Reformeranlage (1) nach Anspruch 5, wobei die Reformeranlage (1) eine dritte Reformerzone (5) zur, insbesondere katalytischen, Reinigung des Produktgases aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeschild (8) der dritten Reformerzone (5) eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das der zweiten Reformerzone (4) und vorzugsweise eine geringere Wärmeleitfähigkeit gegenüber dem Wärmeschild (8) der ersten Reformerzone (3) hat.
  7. Reformeranlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem Wärmeschild (8) eine elektrischen Heizung (9) gehört.
  8. Reformeranlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Zuleitung (7) ein Wärmeschild (8) aufweist, wobei dieses insbesondere mit einem Wärmespeicher ausgeführt ist, welcher vorzugsweise mit Phasenwechselmaterial gefüllt ist.
  9. Reformeranlage (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Zuleitung (7) eine elektrische Heizung (12) aufweisen.
  10. Reformeranlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Innenraum (6) des Gehäuses (2) mindestens ein Wabenkörper (10) angeordnet ist, der gegenüber dem Gehäuse (2) thermisch entkoppelt ist.
  11. Reformeranlage (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Wabenkörper (10) wenigstens teilweise von einem Luftspalt (11) umgeben ist, in den sich vorzugsweise mindestens eine Konvektionssperre (12) hinein erstreckt.
  12. Reformeranlage (1) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Wabenkörper (10) mindestens eine Aufhängung (13) hat, die zumindest teilweise aus keramischen Material besteht.
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