DE10211354B4

DE10211354B4 - Brennstoffreformer

Info

Publication number: DE10211354B4
Application number: DE10211354A
Authority: DE
Inventors: Takashi Toyota Ishikawa
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2001-03-15
Filing date: 2002-03-14
Publication date: 2006-11-16
Anticipated expiration: 2022-03-15
Also published as: US6998096B2; US20020131921A1; JP2002276926A; DE10211354A1; JP4479117B2

Abstract

Brennstoffreformer für Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzellen mit:
einem Brenner (1), der eine Flamme erzeugt;
einem Reformierabschnitt (2) zum Erzeugen eines reformierten Gases aus einem mit Dampf gemischten Rohmaterialgas, wobei der Reformierabschnitt (2) den Brenner (1) zumindest teilweise umgibt und eine Auslassöffnung (22) zum Abgeben des reformierten Gases hat;
einer Leitung (31), die um den Reformierabschnitt (2) herum angeordnet ist und die dazu geeignet ist, Wasser vorzuheizen;
einem Verdampfer (3), der außerhalb des Reformierabschnitts (2) vorgesehen ist und der dazu geeignet ist, über einen Wärmeaustausch mit dem von dem Brenner (1) abgegebenen Abgas das über die Leitung (31) zugeführte, vorgeheizte Wasser zu erhitzen und Dampf zu erzeugen; und
einem Wärmetauscher (4), der mit seiner heißen Seite direkt mit der Auslassöffnung (22) des Reformierabschnitts (2) verbunden ist und der dazu geeignet ist, über einen Wärmeaustausch mit dem reformierten Gas das mit dem im Verdampfer (3) erzeugten Dampf gemischte Rohmaterialgas zu...

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Brennstoffreformer, der einen Brenner, der eine Flamme erzeugt, einen Reformierabschnitt, der den Brenner umgibt und ein reformiertes Gas abgibt, und einen Wärmetauscher enthält, der zwischen dem reformierten Gas und einem Rohmaterialgas einen Wärmeaustausch herstellt.

Aus der JP 60-054902 A ist ein Brennstoffreformer bekannt, der aus Erdgas mittels eines Brenners durch Dampf reformieren Wasserstoff gewinnt. Der Dampf wird innerhalb des Brennstoffreformers durch einen Wärmeaustausch mit dem Brennerabgas überhitzt und anschließend außerhalb des Brennstoffreformers mit dem Erdgas gemischt, um anschließend in den Reformierabschnitt eingeleitet zu werden.

In 15 ist ein herkömmlicher Brennstoffreformer gemäß Stand der Technik dargestellt, der in der JP 09-153372 A offenbart ist. Dieser Brennstoffreformer ist so ausgelegt, dass er aus Kohlenwasserstoff wie CH₄ oder C₃H₈ durch Dampf reformieren Wasserstoff gewinnt. Bei diesem Brennstoffreformer ist um einen Brenner B herum, der eine Flamme erzeugt, ein Reformierabschnitt K angeordnet. Der Reformierabschnitt K ist über eine Leitung P mit einem Wärmetauscher C verbunden, um einen Wärmeaustausch zwischen einem von dem Reformierabschnitt abgegebenen reformierten Gas und einem Rohmaterialgas herzustellen. Der Reformierabschnitt K ist so gestaltet, dass das dem Wärmeaustausch unterzogene Rohmaterialgas in einem inneren Bereich axial nach oben strömt und dann in einem äußeren Bereich axial nach unten strömt.

Darüber hinaus ist in 16 eine herkömmliche Vorrichtung zur Erzeugung wasserstoffhaltigen Gases gezeigt, wie sie in der JP 2000-15501 A offenbart ist und die unter Nutzung eines beim Erwärmen des Reformierabschnitts K entstehenden Abgases Dampf erzeugt.

Der oben angesprochene Brennstoffreformer kann bei Phosphorsäure-Brennstoffzellen (PAFC) Anwendung finden, bei denen sich aus einer Zelle leicht Dampf gewinnen lässt. Allerdings besteht das Problem, dass dieser Brennstoffreformer nicht bei Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzellen (PEFC) Anwendung finden kann, bei denen sich aufgrund geringerer Temperatur aus einer Zelle kein Dampf gewinnen lässt.

Trotz des effizienten Wärmeaustauschs in Bezug auf den Reformierabschnitt K tritt bei dem obigen Brennstoffreformer das Problem auf, dass aufgrund der Verbindung zwischen dem Wärmetauscher C und dem Reformierabschnitt K, die durch die dazwischen liegende Leitung P zustande kommt, ein Wärmeverlust entsteht.

Abgesehen davon ist bei der angesprochenen Vorrichtung zur Erzeugung wasserstoffhaltigen Gases die zu erhitzende Oberfläche des Reformierabschnitts flach ausgebildet, was dazu führt, das mit der Erwärmung des Reformierabschnitts durch das Abgas das Abgas gleichzeitig von der gegenüberliegenden, mit einem wärmeisolierenden Material bedeckten Seite freigegeben wird.

Es besteht daher der Bedarf nach einem Brennstoffreformer für Brennstoffzellen, der ohne die oben genannten Nachteile auskommt. Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, Wärmeverluste zu verringern und eine effiziente Reformierung zu ermöglichen.

Um den oben angesprochenen Bedarf zu decken und die angesprochene Aufgabe zu lösen, sieht die Erfindung einen Brennstoffreformer für Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzellen vor, wie er in Anspruch 1 definiert ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffreformer bilden der Reformierabschnitt und der Wärmetauscher durch die direkte Verbindung der Auslassöffnung des Reformierabschnitts mit der heißen Seite des Wärmetauschers im Wesentlichen eine Einheit, wodurch der Wärmeverlust auf dem Weg vom Reformierabschnitt zum Wärmetauscher verringert werden kann.

Der erfindungsgemäße Brennstoffreformer enthält außerdem den außerhalb des Reformierabschnitts gelegenen Verdampfer, der durch die Wärme des Abgases Dampf erzeugt. Dementsprechend lässt sich nach der effizienten Wärmeübertragung von dem Brenner an den Reformierabschnitt am Verdampfer Dampf erzeugen, was zu einer sehr effizienten Reformierung führt.

Darüber hinaus sieht Anspruch 2 einen Brennstoffreformer vor, bei dem der Aufbau gemäß Anspruch 1 insofern weitergebildet ist, als sich der Reformierabschnitt mit dem Brenner in einer zentrischen Anordnung befindet und als das dem Wärmeaustausch unterzogene Rohmaterialgas in Außen- und Innenumfangsbereichen des Reformierabschnitts in jeweils axial entgegengesetzten Richtungen strömt. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung kann die Brennwärme des Brenners effizient auf den Reformierabschnitt übertragen werden.

Bei der Ausgestaltung gemäß Anspruch 3 wird der Aufbau gemäß Anspruch 2 dadurch weitergebildet, dass der Wärme tauscher in Form einer Gegenstrombauart vorliegt und mit einer Lamellen-Metallplatte aus beispielsweise rostfreiem Stahl ausgebildet ist. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung lässt sich eine verhältnismäßig hohe Wärmeübertragung pro Einheitsfläche und eine effizientere Konvektion erreichen, wodurch ein effektiver Wärmeaustausch zwischen dem reformierten Gas und dem Dampf beziehungsweise dem Rohmaterialgas hergestellt werden kann. Außerdem werden der sich ergebende, dem Wärmeaustausch unterzogene Dampf und das Rohmaterialgas dem Reformierabschnitt zugeführt, wodurch das Reformieren effizienter wird.

Bei der Ausgestaltung gemäß Anspruch 4 wird der Aufbau des Brennstoffreformers gegenüber der Ausgestaltung gemäß Anspruch 3 dadurch weitergebildet, dass der Wärmetauscher eine Vielzahl von Röhren enthält, die in sich mit einer Vielzahl von Rippen versehen sind, und zwischen den Röhren eine Vielzahl von Rippen angeordnet ist. Das reformierte Gas strömt dabei durch die Röhren und der Dampf und das Rohmaterialgas durch einen zwischen den Röhren definierten Durchgang. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung kann das reformierte Gas zu einem effizienten Wärmeaustausch mit dem Dampf beziehungsweise Rohmaterialgas gezwungen werden.

Bei der Ausgestaltung gemäß Anspruch 5 wird der Aufbau des Brennstoffreformers gegenüber der Ausgestaltung gemäß Anspruch 2 insofern weitergebildet, als die Leitung zum Einleiten von Wasser in den Verdampfer um den Reformierabschnitt herum spiralförmig angeordnet ist. Dadurch lässt sich die Wärmeabstrahlung von dem Reformierabschnitt leicht zurückgewinnen.

Die obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich insbesondere auch aus der folgenden Beschreibung, die in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen erfolgt. In den Zeichnungen zeigen:

1 schematisch ein erstes Beispiel eines Brennstoffreformers, auf dem ein Ausführungsbeispiel der Erfindung aufbaut, das aber außerhalb des Schutzumfangs liegt;

2 eine Perspektivansicht, in der dargestellt ist, wie Gase in einem Wärmetauscher des in 1 gezeigten Brennstoffreformers strömen;

3 schematisch den Querschnitt einer Außenrippe des Wärmetauschers des in 1 gezeigten Brennstoffreformers;

4 schematisch den Querschnitt einer Röhre des Wärmetauschers des in 1 gezeigten Brennstoffreformers;

5 eine Perspektivansicht des Innenaufbaus des Wärmetauschers des in 1 gezeigten Brennstoffreformers;

6 eine Perspektivansicht, in der dargestellt ist, wie in dem Brennstoffreformer ein Brenner, der Reformierabschnitt und der Wärmetauscher angeordnet sind;

7 eine Blockdarstellung, in der dargestellt ist, wie das reformierte Gas in dem in 1 gezeigten Brennstoffreformer strömt;

8 eine Querschnittansicht entlang der Linie A-A in 7;

9 eine Querschnittansicht entlang der Linie B-B in 7;

10 zwei Beispiele für eine Röhre, die bei dem in 1 gezeigten Brennstoffreformer zum Einsatz kommt;

11 schematisch ein zweites Beispiel, das ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Brennstoffreformers darstellt;

12 eine grafische Darstellung der Wärmeabsorptionsmenge an einem Reformierabschnitt und einem Verdampfer des in 11 gezeigten Brennstoffreformers in Abhängigkeit von der Brennmenge;

13 drei Beispiele für eine gerade Rippe, die bei der Erfindung verwendet werden können;

14 eine Teilperspektivansicht eines Beispiels einer versetzten Rippe, die bei der Erfindung verwendet werden kann;

15 eine Blockdarstellung eines herkömmlichen Brennstoffreformers; und

16 eine Querschnittansicht einer herkömmlichen Vorrichtung zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases.

Erstes Beispiel
In den 1 bis einschließlich 10 ist ein Brennstoffreformer gemäß einem ersten Beispiel dargestellt, das außerhalb des Schutzumfangs liegt. Der Brennstoffreformer enthält einen Reformierabschnitt 2, der einen Brenner 1 umgibt, der eine Flamme erzeugt, und einen Wärmetauscher 4, um einen Wärmeaustausch zwischen einem Rohmaterialgas und einem aus dem reformierten Abschnitt 2 herausgeführten oder abgegebenen reformierten Gas herzustellen. Der Brennstoffreformer zeichnet sich durch eine direkte Verbindung zwischen einer Auslassöffnung 22 des Reformierabschnitts 2 und einer Seite höherer Temperatur des Wärmetauschers 4 aus.
Wie 1 im Detail zeigt, enthält der Brennstoffreformer gemäß dem ersten Beispiel den die Flamme erzeugenden Brenner 1; den Reformierabschnitt 2, der von einem Rutheniumkatalysator gebildet wird und dessen Auslassöffnung 22 sich in direkter Verbindung mit der Seite höherer Temperatur des Wärmetauschers 4 befindet, um ihm das reformierte Gas zuzuführen; einen Verdampfer 3, um dem Wärmetauscher 4 Dampf zuzuführen, der erzeugt wird, indem Wasser mit Brennabgas verdampft wird; den Wärmetauscher 4 zum Wärmeaustausch zwischen dem reformierten Gas von dem Reformierabschnitt 2 und dem Rohmaterialgas beziehungsweise dem Dampf; und einem CO-Konvertierungsabschnitt 5, der aus Kupfer und einem Zinkgruppenkatalysator gebildet ist und dem das dem Wärmeaustausch unterzogene reformierte Gas zugeführt wird.
Bei diesem Beispiel ist um den Brenner 1 herum, durch den die Flamme zylinderförmig ausgebildet wird, zentrisch der zylinderförmig gestaltete Reformierabschnitt 2 angeordnet. Die Auslassöffnung 22 des Reformierabschnitts 2 befindet sich in direkter Verbindung mit der Seite höherer Temperatur des Wärmetauschers 4, sodass keine Leitung zur Einführung des reformierten Gases in den Wärmetauscher 4 erforderlich ist.
Außerhalb des Reformierabschnitts 2 befindet sich der Verdampfer 3, der unter Verwendung des aus der Erwärmung des Reformierabschnitts 2 entstehenden Brennabgases den Dampf erzeugt.
Als Wärmetauscher 4 kommt ein Lamellen-Gegenstromwärmetauscher zum Einsatz, da die Lamellen die Wärmeübertragung pro Einheitsfläche erhöhen und angesichts des Erfordernisses, die Temperatur des reformierten Gases von etwa 650°C auf 200°C senken zu müssen, eine hohe Temperatureffizienz haben.
Der Wärmetauscher 4 enthält eine Vielzahl von aus rostfreiem Stahl gefertigter Röhren 8. Die Röhren 8 weisen einen rechteckigen Querschnitt (vgl. 10(A)) oder einen ovalen Querschnitt (vgl. 10(B)) und eine Innenrippe 81 auf. Die so aufgebauten Röhren 8 lassen das reformierte Gas, das von dem Reformierabschnitt 2 kommt, hindurchgehen. Zwischen zwei benachbarten Röhren 8, zwischen denen sich eine Rippe 9 befindet, wird ein Weg definiert, der ein technisches Gas oder Stadtgas als das Rohmaterialgas und den Dampf hindurchgehen lässt.
Bei diesem Wärmetauscher 4 setzt sich das Innenteil des Lamellen-Gegenstromwärmetauschers aus den Röhren 8 und den Rippen 9 zusammen. Die Rippen 9 liegen in Form einer versetzten Rippe vor, für die in 14 ein Beispiel gezeigt ist. Der dargestellte Aufbau ist aus Gründen der Wärmeaustauscheffizienz gewählt.
Wie in den 10(A) und (B) gezeigt ist, sind für den Querschnitt des Wärmetauscherrohrs 8 zwei Bauarten verwendbar. Wenn der Querschnitt der Röhre 8 wie in 10(A) gezeigt rechteckig ist, lässt sich die Röhre 8 leicht fertigen, insbesondere biegen. Darüber hinaus erleichtern die vielen flachen Abschnitte es, wie an späterer Stelle erläutert wird, mit den Rippen einen guten thermischen Kontakt herzustellen. Im Fall des ovalen Abschnitts ist die Röhre 8 dagegen frei von Ecken, wodurch ein guter Kontakt mit den anderen Elementen des Wärmetauschers hergestellt werden kann. Dadurch, dass sich kein spannungserhöhender Abschnitt oder Spannungskonzentrationsabschnitt findet, hat diese Röhre 8 außerdem eine bessere Haltbarkeit als die im Querschnitt rechteckige Röhre 8. Bei dem vorliegenden Beispiel kommt trotz der hervorragenden Haltbarkeit des ovalen Querschnitts wegen des geringen Gasdrucks, den guten Verbindungseigenschaften mit den Rippen und der hervorragenden Verarbeitbarkeit die Röhre 8 mit dem rechteckigen Querschnitt zum Einsatz.
Während das reformierte Gas, der Dampf und das Rohmaterialgas in dem in den 2 bis einschließlich 9 gezeigten Kreislauf strömen, kommt es zu einem Wärmeaustausch untereinander. Und zwar geht das aus dem Reformer kommende reformierte Gas durch jede der Röhren 8 hindurch, während das Stadtgas 13A als das Rohmaterial zum Reformieren und der Dampf durch jede der Rippen 9 hindurchgelassen wird, die sich jeweils zwischen zwei benachbarten Röhren 8 befinden.
Zwischen der Innenfläche des Wärmetauschers 4 und der Außenfläche jeder Röhre 8 befindet sich ein Material 11 aus rostfreiem Stahl, das dem reformierten Gas erlaubt, um den Satz Röhren 8 herumzuströmen, und das für eine Wärmeisolation des reformierten Gas gegenüber der Außenseite des Wärmetauschers 4 sorgt.
Die den obigen Aufbau aufweisende Brennstoffreformiervorrichtung gemäß dem ersten Beispiel arbeitet wie folgt:
Das Rohrmaterial zum Reformieren, d.h. das Stadtgas 13A, dessen Hauptkomponente Methan ist, wird mit dem an dem Verdampfer 3 erzeugten Dampf gemischt und in den Reformierabschnitt 2 eingeleitet, nachdem es in dem Wärmetauscher 4 auf etwa 500°C vorgeheizt wurde. Während das sich ergebende Gemisch durch den Brenner 1 erwärmt wird, kommt es zu einer chemischen Hauptreaktion und einer chemischen Nebenreaktion.
Chemische Hauptreaktion: CH₄ + H₂O ⇔ CO + 3H₂
Chemische Nebenreaktion: CO + H₂O ⇔ CO₂ + H₂
Die Brennmenge des Brenners 1 wird dabei so eingestellt, dass die Abgabetemperatur des reformierten Gases etwa 650°C beträgt. Das sich ergebende, von dem Reformierabschnitt 4 kommende Gas geht mit dem Rohmaterialgas einen Wärmeaustausch ein, um auf eine Temperatur von 200 bis etwa 250°C abgekühlt zu werden, und führt an dem Konvertierungsabschnitt zu einer chemischen Konvertierungsreaktion, die der oben angesprochenen chemischen Nebenreaktion ähnelt. Nach Abschluss dieser CO-Konvertierung lässt sich feststellen, dass sich der CO-Gehalt auf 1% oder weniger verringert hat.
Der Brennstoffreformer gemäß dem ersten Beispiel setzt sich zusammen aus: dem die Flamme erzeugenden Brenner 1; dem Reformierabschnitt 2, der den Brenner 1 umgibt, eine Auslassöffnung aufweist und aus der Auslassöffnung das reformierte Gas abgibt; und dem Wärmetauscher 4 mit einer Seite höherer Temperatur, die direkt mit der Auslassöffnung des Reformierabschnitts 2 verbunden ist, wobei der Wärmetauscher 4 zwischen dem reformierten Gas und dem Rohmaterialgas einen Wärmeaustausch herstellt. Es wird daher eine direkte Verbindung der Auslassöffnung des Reformierabschnitts mit der Seite höherer Temperatur des Wärmetauschers 4 hergestellt, sodass der Reformierabschnitt 2 und der Wärmetauscher 4 im Wesentlichen eine Einheit bilden und der Wärmeverlust auf dem Weg von dem Reformierabschnitt 2 zu dem Wärmetauscher 4 verringert werden kann.
Bei der Reformiervorrichtung gemäß dem ersten Beispiel befindet sich der Reformierabschnitt 2 in einer zentrischen Anordnung mit dem Brenner 1, sodass das dem Wärmeaustausch unterzogene Rohmaterialgas im Außenbeziehungsweise Innenumfangsbereich des Reformierabschnitts 2 in jeweils axial entgegengesetzten Richtungen strömt. Die Brennwärme am Brenner 1 kann daher effizient auf den Reformierabschnitt übertragen werden.
Darüber hinaus befindet sich bei dem Brennstoffreformer gemäß dem ersten Beispiel der Verdampfer 3 außerhalb des Reformierabschnitts und erzeugt durch die Abgaswärme Dampf. Die Dampferzeugung an dem Verdampfer 3 erfolgt daher nach der effizienten Wärmeübertragung von dem Brenner 1 an den Reformierabschnitt 2, was das Reformieren sehr effizient macht.
Bei dem Brennstoffreformer gemäß dem ersten Beispiel liegt der Wärmetauscher 4 in Form einer Gegenstrombauart vor und ist mit einer Lamellen-Metallplatte aus etwa rostfreiem Stahl versehen, wobei der Dampf zusammen mit dem Rohmaterialgas einem Wärmeaustausch mit dem reformierten Gas eingeht und der sich ergebende Dampf und das Rohmaterialgas in den Reformierabschnitt eingespeist werden. Dadurch lassen sich eine verhältnismäßige hohe Wärmeübertragung pro Einheitsfläche und eine effizientere Konvektion realisieren, sodass ein effektiver Wärmeaustausch zwischen dem reformierten Gas und dem Dampf beziehungsweise Rohmaterialgas hergestellt wird. Außerdem wird der sich ergebende oder dem Wärmeaustausch unterzogene Dampf und das Rohmaterialgas in den Reformierabschnitt eingespeist, was eine wesentlich höhere Reformiereffizienz ergibt.
Darüber hinaus enthält der Wärmetauscher 4 bei dem Brennstoffreformer gemäß dem ersten Beispiel eine Vielzahl von Röhren 8, die in sich eine Vielzahl von Rippen 9 aufweisen und durch die das reformierte Gas strömt, während sowohl der Dampf als auch das Rohmaterialgas durch einen zwischen den Röhren 8 definierten Durchgang strömen. Das reformierte Gas kann daher einen effizienten Wärmeaustausch mit dem Dampf beziehungsweise Rohmaterialgas eingehen.
Darüber hinaus ist bei dem Brennstoffreformer gemäß dem ersten Beispiel in dem Wärmetauscher 4 das Material aus rostfreiem Stahl vorgesehen, durch das sichergestellt wird, dass das reformierte Gas entlang der Röhre 8 strömt und das für jede der Röhren 8 eine Wärmeisolation gegenüber der Außenseite des Wärmetauschers 4 herstellt.
Zweites Beispiel
Der in 11 dargestellte Brennstoffzellenreformer gemäß dem zweiten Beispiel entspricht einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Brennstoffzellenreformer gemäß dem zweiten Beispiel ist abgesehen davon, dass das in dem Verdampfer 3 eingeleitete Wasser durch eine Leitung 31 geht, die spiralförmig auf dem Reformierabschnitt 2 angeordnet beziehungsweise um diesen herumgewickelt ist, weitgehend mit dem Brennstoffzellenreformer gemäß dem ersten Beispiel identisch. Im Folgenden werden nur dieser Hauptunterschied und weitere damit im Zusammenhang stehende kleinere Unterschiede beschrieben.
Bei einer reformiertes Erdgas verwendenden PEFC-Brennstoffzelle 7 sollte der CO-Gehalt in dem in die Brennstoffzelle 7 einzuleitenden Gas höchstens 10 ppm betragen, um eine mögliche CO-Vergiftung zu vermeiden. Daher ist nach dem Konvertieren ein aus einem Rutheniumkatalysator gebildeter selektiv oxidierender Abschnitt 6 vorgesehen, um durch die folgende chemische Reaktion den CO-Gehalt auf 10 ppm oder weniger zu senken. CO + (1/2)O₂ → CO₂
Der tatsächliche Verbrauch an Wasserstoffgas ist zwar mit 90-95% der in die Brennstoffzelle 7 eingeleiteten Wasserstoffmenge sehr hoch, doch ist in dem Abgas noch ein Anteil Wasserstoffgas enthalten. Dieses Restgas, d.h. das von der Anodenelektrode der Brennstoffzelle 7 abgehende Gas, wird als Teil des Brennstoffs verwendet, der von dem in dem Reformierabschnitt 2 gelegenen Brenner 1 zu verbrennen ist.
Abgesehen davon wird das Wasser über die spiralförmig an der Außenwand 21 des Zylinderabschnitts 20 angeordnete Leitung 31 in den Verdampfer 3 eingespeist, sodass sich das Wasser, während es sich in der Leitung 31 bewegt, erwärmt oder erhitzt. Die Außenwand 21 definiert dabei einen Strömungsweg, der dem von dem Brenner 1 kommenden Abgas erlaubt, sich an seinem Innenabschnitt und Außenabschnitt nach oben beziehungsweise unten zu bewegen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die von dem Reformierabschnitt 2 abgestrahlte Wärme durch die um den Reformierabschnitt 2 spiralförmig angeordnete Leitung 31 aufgenommen, was die Wärmeeffizienz weiter verbessert.
12 zeigt eine grafische Darstellung der Wärmeabsorptionsmenge an dem Reformierabschnitt 2 beziehungsweise an dem Verdampfer 3 in Abhängigkeit von der Brennmenge. Dieser Darstellung ist zu entnehmen, dass, wenn für die Brennmenge ein (Auslegungs-) Wert von 1 angenommen wird, auf den Reformierabschnitt 2 und den Verdampfer 3 etwa 50% beziehungsweise etwa 25% der Wärmemenge entfallen. Die Brennwärme wird daher gut ausgenutzt. Es lässt sich also feststellen, dass die Wärmeaustauschrate des Wärmetauschers 4 ganze 75 bis 80% beträgt.
Sonstiges
Die im ersten Beispiel beschriebenen Rippen 81 können so abgewandelt werden, dass sie einen Hochtemperatur-Konvertierungskatalysator tragen. Diese Abwandlung ermöglicht es, dass die Konvertierungsreaktion problemlos und rasch abläuft, wodurch sich die Belastung des Niedrigtemperatur-Konvertierungsabschnitts 5 an der stromabwärtigen Seite des Wärmeaustauschabschnitts verringert.
Bezüglich der Form der in dem Wärmetauscher 4 vorgesehenen Rippen können verschiedene Bauarten wie etwa ein rechteckiger Querschnitt (13(A)), ein sägezahnförmiger Querschnitt (13(B)), ein gewellter Querschnitt (13(C)) oder eine versetzte Rippe (14) verwendet werden. Die versetzte Rippe ist angesichts dessen, dass die Gasvermischung in der Röhre unterstützt wird und dass infolge der turbulenten Strömung die Wärmeübertragung unterstützt wird, und aufgrund ihrer Konkurrenzfähigkeit gegenüber einer Röhre mit rechteckigem Querschnitt vorzuziehen.

Claims

Brennstoffreformer für Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzellen mit: einem Brenner (1), der eine Flamme erzeugt; einem Reformierabschnitt (2) zum Erzeugen eines reformierten Gases aus einem mit Dampf gemischten Rohmaterialgas, wobei der Reformierabschnitt (2) den Brenner (1) zumindest teilweise umgibt und eine Auslassöffnung (22) zum Abgeben des reformierten Gases hat; einer Leitung (31), die um den Reformierabschnitt (2) herum angeordnet ist und die dazu geeignet ist, Wasser vorzuheizen; einem Verdampfer (3), der außerhalb des Reformierabschnitts (2) vorgesehen ist und der dazu geeignet ist, über einen Wärmeaustausch mit dem von dem Brenner (1) abgegebenen Abgas das über die Leitung (31) zugeführte, vorgeheizte Wasser zu erhitzen und Dampf zu erzeugen; und einem Wärmetauscher (4), der mit seiner heißen Seite direkt mit der Auslassöffnung (22) des Reformierabschnitts (2) verbunden ist und der dazu geeignet ist, über einen Wärmeaustausch mit dem reformierten Gas das mit dem im Verdampfer (3) erzeugten Dampf gemischte Rohmaterialgas zu erhitzen und es dann dem Reformierabschnitt (2) zuzuleiten.
Brennstoffreformer nach Anspruch 1, bei dem sich der Reformierabschnitt (2) in zentrischer Anordnung mit dem Brenner (1) befindet und der so ausgestaltet ist, dass das dem Wärmeaustausch unterzogene, mit dem Dampf gemischte Rohmaterialgas in Außen- und Innenumfangsbereichen des Reformierabschnitts (2) in jeweils axial entgegengesetzten Richtungen strömt.
Brennstoffreformer nach Anspruch 2, bei dem der Wärmetauscher (4) in Form einer Gegenstrombauart vorliegt und mit einer Lamellen-Metallplatte aus beispielsweise rostfreiem Stahl ausgebildet ist.
Brennstoffreformer nach Anspruch 3, bei dem der Wärmetauscher (4) eine Vielzahl von Röhren (8) enthält, die in sich jeweils mit einer Vielzahl von Rippen (81) versehen sind, und bei dem zwischen den Röhren (8) eine Vielzahl von Rippen (9) angeordnet ist, wobei die Röhren (8) dazu ausgelegt sind, vom reformierten Gas durchströmt zu werden, und ein zwischen den Röhren (8) definierter Durchgang dazu ausgelegt ist, von dem mit dem Dampf gemischten Rohmaterialgas durchströmt zu werden.
Brennstoffreformer nach Anspruch 2, bei dem die Leitung (31) um den Reformierabschnitt (2) herum spiralförmig angeordnet ist.