DE102004063151A1 - Reformer für eine Brennstoffzelle - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Reformer (10) für eine Brennstoffzelle mit einer Kammer (26), die einen Kammereintritt (20) zum Einlass eines Reaktandengasgemisches und einen Kammeraustritt (24) zum Auslass eines reformierten Gases hat, wobei in der Kammer (26) ein katalytisch wirkendes Medium angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Reformer (10) ein Wärmerohr (12) mit einer äußeren zylindrischen Rohrwand (14) und einer inneren zylindrischen Begrenzungswand (16) aufweist, wobei die Kammer (26) zwischen der äußeren Rohrwand (14) und der inneren Begrenzungswand (16) angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Reformer für eine Brennstoffzelle mit einer Kammer, die einen Kammereintritt zum Einlass eines Reaktandengasgemisches und einen Kammeraustritt zum Auslass eines reformierten Gases hat, wobei in der Kammer ein katalytisch wirkendes Medium angeordnet ist.
  • Gattungsgemäße Reformer haben zahlreiche Anwendungsbereiche. Insbesondere dienen sie dazu, einer Brennstoffzelle ein wasserstoffreiches Gasgemisch zuzuführen, aus dem dann auf der Grundlage elektrochemischer Vorgänge elektrische Energie erzeugt werden kann. Derartige Brennstoffzellen kommen beispielsweise im Kraftfahrzeugbereich als Zusatzenergiequellen, so genannte APUs („auxiliary power unit"), zum Einsatz.
  • Die Auslegung der Reformer ist von zahlreichen Faktoren abhängig. Neben der Berücksichtigung der Eigenschaften des Reaktionssystems sind zum Beispiel wirtschaftliche Aspekte von Bedeutung, insbesondere auch die Einbindung des Reformers in seine Umgebung. Letzteres betrifft auch, wie die in den Reaktor ein- und austretenden Stoff- und Energieströme behandelt werden. In Abhängigkeit von der Applikation und der Umgebung des Reformers kommen somit unterschiedliche Reformierungsverfahren zum Einsatz, wodurch unterschiedliche Reformerkonstruktionen notwendig werden.
  • Ein Beispiel für einen Reformierungsprozess ist die so genannte katalytische Reformierung, bei dem ein Gemisch aus Luft und Kraftstoff mit Hilfe eines katalytisch wirkenden Mediums in einer exothermen Reaktion zu einem wasserstoffreichen Reformat umgesetzt wird, mit dem die Brennstoffzelle betrieben werden kann (CPOX = Catalytic Partial Oxidation). Bei dieser katalytischen Umsetzung des Kraftstoff-Luft-Gemisches kann die Reaktion in Strömungsrichtung in zwei unterschiedliche Zonen eingeteilt werden. Beim Eintritt in das katalytisch wirkenden Medium finden zunächst stark exotherme Oxidationsreaktionen statt. Anschließend werden die auftretenden Zwischenprodukte in einem nachfolgenden Bereich des katalytisch wirkenden Mediums reformiert. Der Reformationsprozess ist eine endotherme Reaktion, bei dem die Temperaturen stark abfallen, und damit Umsatzeinbußen entstehen.
  • Die Nettowärmeproduktion ist beim Reformierverfahren der katalytischen partiellen Oxidation im Eintrittsbereich des Reformers so groß, dass es dort zu einer Schädigung der beteiligten Werkstoffe kommen kann. So kann beispielsweise das katalytisch wirkende Medium deaktiviert oder die Trägermaterialien können zerstört werden. Da die frei werdende Reaktionswärme aus der Oxidationszone nicht in die Reformierungszone gebracht werden kann, ist die Steuerung des Reformierungsprozesses problematisch, so dass in der Regel eine polytrope Reaktionsführung nicht zu umgehen ist, die jedoch einen geringeren Umsatzgrad aufweist.
  • Um eine verbesserte Umsetzung des Reaktandengasgemisches in das reformierte Gas zu erreichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Reformer ein Wärmerohr mit einer äußeren zylindrischen Rohrwand und einer inneren zylindrischen Begrenzungswand aufweist, wobei die Kammer zwischen der äußeren Rohrwand und der inneren Begrenzungswand angeordnet ist.
  • Die Grundidee der Erfindung besteht darin, mit Hilfe eines Wärmerohrs, das sich durch einen schnellen Wärmetransport auszeichnet, sowohl eine radial als auch axial isotherme Temperaturverteilung im katalytisch wirkenden Medium zu erzielen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Kammereintritt nahe einem ersten axialen Ende eines Wärmerohrs und der Kammeraustritt nahe einem zweiten axi alen Ende des Wärmerohrs angeordnet, so dass über einen möglichst großen axialen Bereich des Wärmerohrs ein Temperaturausgleich stattfinden kann.
  • Besonders bevorzugt ist, wenn die Kammer zwischen dem Kammereintritt und dem Kammeraustritt spiralförmig ausgebildet ist. Durch die kleine durchströmte Querschnittsfläche werden somit auch die Temperaturgradienten in radialer Richtung minimiert.
    •
  • Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei auf Zeichnungen Bezug genommen wird. Die Zeichnungen zeigen:
  • 1 einen Querschnitt durch einen Reformer in einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
  • 2 den axialen Temperaturverlauf im Reformer bei polytroper (Gestrichelte Kurve) bzw. isothermer Prozessführung (durchgezogene Kurve), und
  • 3 das Brennstoffzellensystem mit dem Reformer in einer schematischen Darstellung.
  • 1 zeigt einen Reformer 10 für ein im Folgenden dargestelltes Brennstoffzellensystem, wobei der Reformer 10 ein Wärmerohr 12 mit einer äußeren kreiszylindrischen Rohrwand 14 und einer inneren ebenfalls kreiszylindrischen Begrenzungswand 16 aufweist. An einem ersten axialen Ende 18 des Wärmerohrs 12 befindet sich ein Kammereintritt 20, durch den ein Reaktandengasgemisch, das zum Beispiel aus Luft und verdampftem Kraftstoff besteht, in den Reformer eintreten kann. An einem zweiten axialen Ende 22 des Wärmerohrs 12 ist ein Kammeraustritt 24 angeordnet, über den reformiertes Gas den Reformer 10 verlassen kann. Äußere Rohrwand 14 und innere Begrenzungswand 16 begrenzen eine Kammer 26, die sich zwischen dem Kammereintritt 20 und dem Kammeraustritt 24 erstreckt. Die Kammer 26 ist in der hier gezeigten Ausführungsform zwischen dem Kammereintritt 20 und dem Kammeraustritt 24 spiralförmig ausgebildet. Dies ist dadurch realisiert, dass in die innere zylindrische Begrenzungswand 16 ein Kanal 28 eingefräst ist. Das Maß A des Kanals in radialer Richtung des Wärmerohrs 12 ist klein gegenüber dem Radium R des Wärmerohrs 12. Damit ist der Temperaturgradient in radialer Richtung in der Kammer 26 sehr klein. In dem spiralförmigen Kanal 28 ist eine Schüttung 30 aus einem katalytisch wirkenden Medium angeordnet, wobei das katalytisch wirkende Medium in der hier dargestellten Ausführungsform in Form von Pellets vorliegt. Durch den in die innere Begrenzungswand 16 eingefrästen Kanal 28 erhöht sich die wirksame Wärmeübertragungsfläche zwischen der Schüttung 30 des katalytisch wirkenden Mediums und der als Wärmetransportvorrichtung dienenden inneren Begrenzungswand 16, da insgesamt drei Kontaktflächen für den Wärmetransport zur Verfügung stehen. Die innere Begrenzungswand 16 umschließt eine Innenkammer 32, die eine Füllung aus einem flüssigen Metall aufweist. Flüssigmetallfüllungen sind insbesondere für den Temperaturbereich bis 1100°C sehr gut geeignet. Vorzugsweise wird dabei Lithium oder Natrium verwendet. Bei der Verwendung von Natrium als Flüssigmetallfüllung ergibt sich der Vorteil, dass die innere Begrenzungswand 16 aus Edelstahl gefertigt werden kann.
  • Im Bereich des zweiten axialen Endes 22 des Wärmerohrs 12 ist ein Wärmetauscher 34 angeordnet. Mittels des Wärmetauschers 34 kann Wärmeenergie vom Wärmerohr 12 auf weitere Systemkomponenten der Brennstoffzelle übertragen werden. Insbesondere kann die Wärmeenergie auf ein in einer Rohrleitung 36 fließendes flüssiges oder gasförmiges Medium und von diesem auf die weiteren Systemkomponenten übertragen werden. Weitere Einzelheiten hierzu werden weiter unten beschrieben.
  • In 3 ist die Einbindung des Reformers 10 in ein Brennstoffzellensystem 38 gezeigt. Eine Kraftstoffzuleitung 39 ist mit einer Medienfördervorrichtung 40 verbunden, die an einen Verdampfer 42 angeschlossen ist. Kraftstoffzuleitung 39 und eine Luftzuleitung 46 sind an eine Gemischbildungseinrichtung 44 angeschlossen, die wiederum mit dem Kammereintritt 20 verbunden ist. An den Kammeraustritt 24 des Reformers 10 schließt sich ein Brennstoffzellenstapel 48 an, dem ein Nachbrenner 50 nachgeschaltet ist. Neben der Verbindung mit dem Kammeraustritt 24 des Reformers 10 ist der Brennstoffzellenstapel 48 noch mit einer Kathodenluftzuleitung 52 versehen.
  • Im Folgenden soll die Funktionsweise sowohl des Reformers 10 des Brennstoffzellensystems 38 als auch die Einbindung des Reformers 10 in das gesamte System erläutert werden.
  • Über die Kraftstoffzuleitung 39 wird mittels der Medienfördervorrichtung 40 Kraftstoff dem Verdampfer 42 zugeführt und dort in eine gasförmige Phase überführt. Der verdampfte Kraftstoff fließt dann in die Gemischbildungseinrichtung 44, in die über die Luftzuleitung 46 Luft zugeführt und mit dem verdampften Kraftstoff vermischt wird. Das Kraftstoff-Luftgemisch wird nun über den Kammereintritt 20 in den Reformer 10 eingeleitet (1). Das Kraftstoff-Luftgemisch gelangt nun in die Schüttung 30 mit dem katalytisch wirkenden Medium. Mittels der Schüttung 30 mit dem katalytisch wirkenden Medium findet eine Umsetzung des Kraftstoff-Luftgemisches zu Zwischenprodukten statt, wobei die zu Beginn frei werdende Reaktionswärme aus den Oxidationsreaktionen mittels des Wärmerohrs 12 auf die Füllung der Innenkammer 32 übertragen wird. Die im Bereich des ersten axialen Endes 18 des Wärmerohrs 12 freiwerdende Reaktionswärme wird dann über die Füllung der Innenkammer 32 dem Bereich des zweiten axialen Endes 22 des Wärmerohrs 12 übertragen. Durch diese Maßnahme wird eine lokale Überhitzung am ersten axialen Ende 18 des Wärmerohrs 12 vermieden, wie sie bei polytroper Reaktionsführung üblich ist (siehe 2, gestrichelte Kurve) und ein praktisch konstanter Temperaturverlauf über die gesamte axiale Ausdehnung des Wärmerohrs 12 erreicht (siehe 2, durchgezogene Kurve). Die im Bereich des ersten axialen Endes 18 des Wärmerohrs 12 entstandenen Zwischenprodukte werden nun im Kanal 28 in dem Bereich des zweiten axialen Endes 22 des Wärmerohrs 12 transportiert, wo eine Reformierung der Zwischenprodukte stattfindet. Durch den Transport der Wärmeenergie in der Innenkammer 32 vom ersten axialen Ende 18 des Wärmerohrs 12 im Bereich des zweiten axialen Endes 22 des Wärmerohrs 12 durch die Verschiebung des thermodynamischen Gleichgewichts deutlich erhöht. Die erzeugten reformierten Gase werden dann am Kammeraustritt 24 abgezogen.
  • In 2 ist dargestellt, wie eine lokale Überhitzung am ersten axialen Ende 18 des Wärmerohrs 12 im Bereich des Kammereintritts 20, wie sie bei polytroper Reaktionsführung nach dem Stand der Technik auftritt (siehe 2, gestrichelte Kurve), vermieden wird, und durch die Benutzung des Wärmerohrs 12 ein praktisch konstanter Temperaturverlauf über die gesamte axiale Ausdehnung des Wärmerohrs 12 zwischen Kammereintritt 20 und Kammeraustritt 24 erreicht wird (siehe 2, durchgezogene Kurve). Die maximale Temperatur Tmax, die nicht überschritten werden soll, um die Lebensdauer des katalytisch wirkenden Mediums und der Trägermaterialien nicht zu reduzieren, wird in keinem Bereich des Wärmerohrs 12 überschritten. Lokale Überhitzungen sind damit ausgeschlossen.
  • Das am Kammeraustritt 24 austretende reformierte Gas wird nun dem Brennstoffzellenstapel 48 zugeführt (siehe 3), in dem in bekannter Weise die elektrische Energie freigesetzt wird. Die aus dem Brennstoffzellenstapel 48 ausströmenden Gase werden nun noch dem Nachbrenner 50 zugeführt, in dem sie noch thermisch weiterverwertet werden.
  • Da das Brennstoffzellensystem 38 insgesamt einen vom Massenstrom des Reaktandengasgemisches am Kammereintritt 20 abhängigen Überschuss an Wärmeenergie aufweist, kann dieser mittels des Wärmetauschers 34 für weitere Systemkomponenten des Brennstoffzellensystems 38 genutzt werden. Derartige Systemkomponenten können die Gemischbildungseinrichtung 44 oder die Kathodenluft der Kathodenluftzuleitung 52 des Brennstoffzellenstapels 48 sein. Die Rohrleitung 36 des Wärmetauschers 34 ist dann in entsprechender Weise mit der Luftzuleitung 46 oder der Kathodenluftzuleitung 52 zu verbinden. Die Wärmeenergie aus dem Wärmetauscher 34 kann jedoch bei einem kombinierten System zur Bereit stellung von elektrischer Energie und Wärme auch direkt einem Heizungssystem zugeführt werden.
  • Neben der bereits erwähnten isothermen Temperaturverteilung im Wärmerohr 12 wird bei dem erfindungsgemäßen Reformer die Steuerung der Umsetzungsprozesse deutlich vereinfacht und die Modulierbarkeit hinsichtlich der Medienflüsse erhöht. Die Ausbeute an reformiertem Gas steigt deutlich an. Weiter kann durch den Einsatz verschiedener katalytisch wirkender Medien im Kanal 28 die Reaktionsführung weiter optimiert werden. Werden zwei Reformer 10 in geeigneter Weise über Rohrleitungen und Ventile miteinander verschaltet, so kann ein abwechselnder Nutzungs- und Regenerationsbetrieb der beiden Reformer realisiert werden: während einer der beiden Reformer regeneriert wird, kann der zweite Reformer reformierte Gase zum Betrieb des Brennstoffzellensystems 38 bereitstellen. Nach Regeneration des ersten Reformers und nach Erschöpfung des zweiten Reformers wird umgeschalten und der erste Reformer kann wieder reformierte Gase für das Brennstoffzellensystem 38 erzeugen. Für höhere Gasdurchsätze können auch mehrere Reformer 10 parallel zueinander betrieben werden. Dies erlaubt auch den Einsatz verschiedener Kraftstoffe, die sowohl in flüssiger als auch in gasförmiger Form vorliegen können.
    • 10
    Reformer
    12
    Wärmerohr
    14
    äußere Rohrwand
    16
    innere Begrenzungswand
    18
    erstes axiales Ende des Wärmerohrs
    20
    Kammereintritt
    22
    zweites axiales Ende des Wärmerohrs
    24
    Kammeraustritt
    26
    Kammer
    28
    Kanal
    30
    Schüttung
    32
    Innenkammer
    34
    Wärmetauscher
    36
    Rohrleitung
    38
    Brennstoffzellensystem
    39
    Kraftstoffzuleitung
    40
    Medienfördervorrichtung
    42
    Verdampfer
    44
    Gemischbildungseinrichtung
    46
    Luftzuleitung
    48
    Brennstoffzellenstapel
    50
    Nachbrenner
    52
    Kathodenluftzuleitung

Claims (9)

  1. Reformer (10) für eine Brennstoffzelle mit einer Kammer (26), die einen Kammereintritt (20) zum Einlass eines Reaktandengasgemisches und einen Kammeraustritt (24) zum Auslass eines reformierten Gases hat, wobei in der Kammer (26) ein katalytisch wirkendes Medium angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformer (10) ein Wärmerohr (12) mit einer äußeren zylindrischen Rohrwand (14) und einer inneren zylindrischen Begrenzungswand (16) aufweist, wobei die Kammer (26) zwischen der äußeren Rohrwand (14) und der inneren Begrenzungswand (16) angeordnet ist.
  2. Reformer (10) für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kammereintritt (20) nahe einem ersten axialen Ende (18) des Wärmerohrs (12) und der Kammeraustritt (24) nahe einem zweiten axialen Ende (22) des Wärmerohrs (12) angeordnet ist.
  3. Reformer (10) für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (26) zwischen dem Kammereintritt (20) und dem Kammeraustritt (24) spiralförmig ausgebildet ist.
  4. Reformer (10) für eine Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (26) aus einem in die innere zylindrische Begrenzungswand (16) eingefrästen Kanal (28) gebildet ist.
  5. Reformer (10) für eine Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Begrenzungswand (16) eine Innenkammer (32) umschließt, wobei die Innenkammer (32) eine Füllung aus einem flüssigem Metall aufweist.
  6. Reformer (10) für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Metall Natrium oder Lithium ist.
  7. Reformer (10) für eine Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nahe dem zweiten axialen Ende (22) des Wärmerohrs (12) ein Wärmetauscher (34) angeordnet ist, wobei mittels des Wärmetauschers (34) Wärmeenergie vom Wärmerohr (12) auf weitere Systemkomponenten (44) der Brennstoffzelle übertragen wird.
  8. Reformer (10) für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle eine Gemischbildungseinrichtung (44) aufweist, und mittels des Wärmetauschers (34) Wärmeenergie vom Wärmerohr (12) auf die Gemischbildungseinrichtung (44) der Brennstoffzelle übertragen wird.
  9. Reformer (10) für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzelle Kathodenluft zugeführt wird, und mittels des Wärmetauschers (34) Wärmeenergie vom Wärmerohr (12) auf die Kathodenluft übertragen wird.
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