DE10213891A1 - Vorrichtung zur Umformung eines kohlenwasserstoffhaltigen Stoffstroms - Google Patents

Vorrichtung zur Umformung eines kohlenwasserstoffhaltigen Stoffstroms

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung (1) zur Umformung eines kohlenwasserstoffhaltigen Stoffstroms (4) zu einem wasserstoffangereicherten Fluidstrom (10) mit einer Heizvorrichtung (5) zur Erzeugung eines Heizstromes (6), wobei der Stoffstrom (4) in einer ersten Umformeinheit (2) sowie einer in Strömungsrichtung dahinter angeordneten, zweiten Umformeinheit (3) zum wasserstoffangereicherten Fluidstrom (10) umgeformt wird und ein erstes vom Heizstrom (6) durchströmbares Heizelement (8) zum Erwärmen wenigstens einer der beiden Umformeinheiten (2, 3) vorgesehen ist, vorgeschlagen, die gegenüber dem Stand der Technik einen verbesserten Systemwirkungsgrad aufweist, wobei eine nachteilige Abkühlung der zweiten Umformeinheit (3) wirkungsvoll verhindert wird. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass wenigstens in einer Betriebsphase der Heizstrom (6) an der zweiten Umformeinheit (3) vollständig im Gegenstrom zum Stoffstrom (4) strömt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umformung eines kohlenwasserstoffhaltigen Stoffstroms zu einem wasserstoffangereicherten Fluidstrom mit einer Heizvorrichtung zur Erzeugung eines Heizstromes nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Stand der Technik
  • Brennstoffzellen sind elektrochemische Wandler von chemischer Energie in elektrische Energie. In vielen Fällen ist man dazu übergegangen, wasserstoffangereicherten Brennstoff für die Brennstoffzelleneinheit aus Kohlenwasserstoffen wie Erdgas, Benzin, Diesel, Methanol oder dergleichen zu gewinnen. Hierzu ist eine entsprechende Vorrichtung zur Umwandlung der Kohlenwasserstoffe zu einem wasserstoffangereicherten Stoff notwendig.
  • Beispielsweise erfolgt die Umformung mittels Reformierung bzw. Dampfreformierung. Die Dampfreformierung von Kohlenwasserstoffen verläuft im Allgemeinen endotherm. Die Zufuhr von Reaktionswärme erfolgt üblicherweise durch einen Brenner. Ein hierbei erzeugter Heizstrom bzw. das heiße Rauchgas kann zur Vorwärmung des Stoffstromes in einer ersten Stufe bzw. Umformeinheit verwendet werden, wobei gegebenenfalls bereits in dieser Stufe der Stoffstrom wenigstens teilweise umgeformt wird.
  • Darüber hinaus kann insbesondere der Heizstrom bzw. das Rauchgas des Brenners sowie die vom Brenner abgestrahlte Wärmestrahlung zur Beheizung einer zweiten, heißeren Stufe bzw. Reaktorstufe des Reformers verwendet werden.
  • Bei bisher bekannten zweistufigen Dampfreformern gemäß der Veröffentlichung von B. Vogel et al.: "Hydrogen Generation Technologies for PEM Fuel Cells", Tagungsband Fuel Cell- Seminar, Palm Springs, Nov. 1998 wird bereits das Rauchgas eines Brenners sowohl zur Eduktvorwärmung als auch zur Beheizung der Reaktorstufe verwendet. Hierbei ist dem Reformer zusätzlich ein Wärmetauscher zur Restwärmenutzung des Rauchgases vorgeschaltet.
  • Nachteilig bei entsprechenden Dampfreformern ist jedoch, dass das Rauchgas an der dem Brenner abgewandten Seite der Reaktionszone bzw. zweiten Stufe im Gleichstrom zum Eduktstrom strömt, so dass unter anderem aufgrund der Eduktvorwärmung abgekühltes Rauchgas in Wärmekontakt zur heißen Reaktorzone stehen kann. Hierdurch kann es zu einer ungewollten, nachteiligen Wärmeübertragung von der Reaktorstufe in das Rauchgas kommen, so dass die Reformierung des Stoffstromes in dieser Reaktionsstufe nachteilig beeinflusst wird.
  • Aufgabe und Vorteile der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Vorrichtung zur Umformung eines kohlenwasserstoffhaltigen Stoffstroms zu einem wasserstoffangereicherten Fluidstrom mit einer Heizvorrichtung zur Erzeugung eines Heizstromes, wobei der Stoffstrom in einer ersten Umformeinheit sowie einer in Strömungsrichtung dahinter angeordneten, zweiten Umformeinheit zum wasserstoffangereicherten Fluidstrom umgeformt wird und ein erstes, vom Heizstrom durchströmbares Heizelement zum Erwärmen der beiden Umformeinheiten vorgesehen ist, vorzuschlagen, die gegenüber dem Stand der Technik einen verbesserten Systemwirkungsgrad aufweist, wobei eine nachteilige Abkühlung der zweiten Umformeinheit wirkungsvoll verhindert wird.
  • Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer Vorrichtung der einleitend genannten Art, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
  • Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.
  • Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch aus, dass wenigstens in einer Betriebsphase der Heizstrom an der zweiten Umformeinheit vollständig im Gegenstrom zum Stoffstrom strömt.
  • Mit Hilfe dieser Maßnahme wird die Wärmeübertragung vom relativ heißen Heizstrom auf bzw. in die zweite Umformeinheit deutlich verbessert. Gleichzeitig wird eine Abkühlung eines vergleichsweise heißen Bereichs der zweiten Umformeinheit wirkungsvoll verhindert, so dass sich insbesondere der Systemwirkungsgrad der Vorrichtung entscheidend verbessert.
  • In einer vorteilhaften Variante der Erfindung strömt wenigstens in einer Betriebsphase der Heizstrom an der ersten und zweiten Umformeinheit vollständig im Gegenstrom zum Stoffstrom. Hiermit wird die Wärmeübertragung vom relativ heißen Heizstrom zum gegebenenfalls etwas kälteren Stoffstrom bzw. Eduktstoffstrom zusätzlich verbessert. Hierdurch kann eine weitestgehende Ausnützung der Wärmeenergie des Heizstromes zur Erwärmung des Stoffstromes erfolgen.
  • In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist wenigstens ein zweites, vom Heizstrom durchströmbares Heizelement zum Erwärmen einer der beiden Umformeinheiten in einer Startphase vorgesehen. Mit Hilfe dieser Maßnahme wird eine vorteilhafte, besonders schnelle Erwärmung wenigstens einer der beiden Umformeinheiten, insbesondere der zweiten Umformeinheit bzw. der Reaktorstufe, in einer Start- bzw. Kaltstartphase ermöglicht. Beispielsweise ist das erste Heizelement auf einer Seite einer der beiden Umformeinheiten und das zweite Heizelement auf einer dieser Seite gegenüberliegenden Seite einer der beiden Umformeinheiten angeordnet. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise eine Vergrößerung der Wärme übertragenden Fläche und somit eine Verbesserung der Wärmeübertragung vom Heizstrom auf den Stoffstrom ermöglicht.
  • Grundsätzlich kann zur Verbesserung der Wärmeübertragung eine weitere Vergrößerung der Wärme übertragenden Fläche mittels entsprechender Profilierung oder dergleichen vorgesehen werden. Gegebenenfalls werden besonders vorteilhaft die Wärme übertragende Werkstoffe verwendet.
  • Vorzugsweise ist das zweite Heizelement zwischen den beiden Umformeinheiten angeordnet. Hiermit wird insbesondere in der Startphase eine besonders schnelle Erwärmung beider Umformeinheiten ohne großen Aufwand realisierbar.
  • Vorteilhafterweise weist eine Einström- und/oder Ausströmöffnung des ersten und/oder zweiten Heizelementes wenigstens ein Dosierelement zum Dosieren des Heizstromes auf. Mit Hilfe eines entsprechenden Dosierelementes kann insbesondere in Abhängigkeit des jeweiligen Betriebszustandes, d. h. beispielsweise in der "normalen" Betriebsphase und/oder in der Startphase, ein vorteilhaftes Dosieren des Heizstromes bzw. dessen Menge und somit ein Dosieren der Wärme übertragenden Heizenergie erfolgen.
  • Möglicherweise ist das Dosierelement als Klappe, Ventil oder dergleichen ausgebildet.
  • Vorzugsweise ist wenigstens eine Steuereinheit zum Steuern des Dosierelementes vorgesehen. Gegebenenfalls kann beispielsweise durch Schalten des Dosierelementes, insbesondere durch ein vollständiges Öffnen bzw. Schließen der Einström- und/oder Ausströmöffnung, das Durchströmen wenigstens eines oder gegebenenfalls beider Heizelemente wirkungsvoll verringert bzw. verhindert werden.
  • Möglicherweise kann die Wärmeübertragung mittels dem entsprechenden Heizelement weitgehend unterbleiben.
  • Vorzugsweise ist das Heizelement wenigstens in der Betriebsphase als Isolationselement ausgebildet. Beispielsweise kann durch Schließen der Einström- und/oder Ausströmöffnung des zweiten Heizelementes, das sich vorzugsweise zwischen den beiden Umformeinheiten befindet, eine vorteilhafte thermische Trennung der beiden Umformeinheiten realisiert werden. Hierdurch wird vor allem während der Betriebsphase eine relevante Wärmeübertragung von der zweiten Umformeinheit bzw. besonders heißen Reaktorzone zur etwas kälteren ersten Umformeinheit bzw. Vorwärmstufe und/oder in den gegebenenfalls etwas abgekühlten Heizstrom weitestgehend verhindert.
  • Generell kann eine oder beide Umformeinheiten ein katalytisch aktives Material zur vorteilhaften Umformung des Stoffstromes aufweisen. Möglicherweise weisen die beiden Umformeinheiten verschiedene katalytisch aktive Materialien auf.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die beiden Umformeinheiten und/oder die beiden Heizelemente nahezu koaxial zueinander angeordnet. Hierdurch wird eine vergleichsweise kompakte Baueinheit realisierbar.
  • Vorzugsweise ist die Heizvorrichtung nahezu koaxial zu den Umformeinheiten und/oder Heizelementen angeordnet. Mit Hilfe dieser Maßnahme ist eine vorteilhafte Nutzung der Wärmeenergie der Heizvorrichtung umsetzbar.
  • Vorteilhafterweise ist die Heizvorrichtung im Bereich der relativ heißen, zweiten Umformeinheit angeordnet. Hierdurch nimmt die zweite Umformeinheit sowohl mittels Wärmeleitung als auch mittels Wärmestrahlung die Wärmeenergie von der Heizvorrichtung auf.
  • In einer vorteilhaften Variante der Erfindung ist die Heizvorrichtung nahezu zentral zu den Umformeinheiten und/oder Heizelementen angeordnet. Hiermit sind eine besonders kompakte Bauweise und somit relativ geringe Wärmeverluste gemäß der Erfindung realisierbar. Darüber hinaus ist eine besonders gleichmäßige Temperaturverteilung über den Querschnitt der Vorrichtung gemäß der Erfindung realisierbar.
  • Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Vorrichtung einen zylindrischen Aufbau mit außen angeordneter Heizvorrichtung oder mit innen angeordneter Heizvorrichtung auf.
  • In vorteilhafter Weise ist eine Vorrichtung gemäß der Erfindung, insbesondere Dampfreformer, in einer Brennstoffzellenanlage zur energetischen Verwertung des wasserstoffangereicherten Fluidstroms vorgesehen.
  • Gegebenenfalls können zwischen der Vorrichtung gemäß der Erfindung und der Brennstoffzellenanlage eine oder mehrere Aufbereitungseinheiten zur Aufbereitung des Fluidstroms vorgesehen werden. Entsprechende Brennstoffzellenanlagen werden beispielsweise in Kraftfahrzeugen, Kraft-Wärme- Kopplungsanlagen oder dergleichen verwendet.
    • Ausführungsbeispiel
  • Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der einzigen Figur nachfolgend näher erläutert.
  • In Fig. 1 ist schematisch ein Querschnitt durch einen zylinderförmigen Reformer gemäß der Erfindung dargestellt.
  • Ein zweistufiger Dampfreformer 1 weist eine erste Reformerstufe 2 und eine zweite Reformerstufe 3 bzw. Reaktor 3 auf. Zur Erwärmung des Dampfreformers 1 ist ein Brenner 5 vorgesehen, der nahezu zentral im zylindrisch aufgebauten Dampfreformer 1 angeordnet ist. Beispielsweise wird im Brenner 5 Erdgas 7 oder dergleichen gegebenenfalls katalytisch verbrannt. Rauchgas bzw. Brennerabgas 6 wird zur Erwärmung der beiden Reformerstufen 2 bzw. 3 verwendet.
  • Gemäß der Erfindung strömt das Rauchgas 6 im "normalen" Betriebsfall durch eine Rauchgaskammer 8. Die Rauchgaskammer 8 umfasst im Bereich des Brenners 5 die Rauchgaskammer 8a und in einem dem Brenner 5 bzw. der zweiten Reaktorstufe 3 abgewandten Bereich die Rauchgaskammer 8b.
  • In der ersten Stufe 2 wird ein Eduktstrom 4 vorgewärmt. Dieser kann gegebenenfalls katalytisch aktives Material enthalten, so dass gegebenenfalls erste Vorreaktionen zur Umformung der Edukte 4 stattfinden können.
  • Im Bereich der Rauchgaskammer 8b erfolgt die Wärmeübertragung vom Rauchgas 6 auf den Eduktstoffstrom 4 weitestgehend mittels Wärmeleitung. Gemäß der Erfindung ist hierbei eine vollständige Gegenstromführung des Rauchgasstromes 6 zum Eduktstoffstrom 4 realisiert.
  • Die Wärmeenergie des Brenners 5 wird auf die zweite, heißere Reformerstufe 3 im Bereich der Rauchgaskammer 8a sowohl mittels Wärmestrahlung als auch mittels Wärmeleitung auf den Eduktstoffstrom 4 übertragen, so dass hierdurch insbesondere die endotherme Dampfreformierung des kohlenwasserstoffhaltigen Eduktstoffstromes 4 einschließlich eventuell in der ersten Stufe 2 erzeugter Zwischenprodukte erfolgt. Im Allgemeinen umfasst die zweite Reformerstufe 3 in nicht näher dargestellter Weise katalytisch aktives Material.
  • In einer Startphase bzw. Kaltstartphase kann der Rauchgasstrom 6 in einen Spalt 9 geleitet werden. Der Rauchgasstrom 6 kann hierbei beispielsweise in einen Rauchgasteilstrom 6a und einen Rauchgasteilstrom 6b aufgeteilt werden. Während diesem besonderen Betriebszustand wird mindestens die zweite Umformeinheit 3 bzw. die zweite Reaktorstufe 3 wenigstens teilweise im Gleichstrom betrieben, d. h. der Rauchgasteilstrom 6a und der Eduktstrom 4 strömen in die gleiche Richtung.
  • Gleichzeitig wird die erste Reaktorstufe 2 sowohl mittels dem Rauchgasteilstrom 6a als auch dem Rauchgasteilstrom 6b im Gegenstrom in Bezug zum Eduktstrom 4 betrieben. Gemäß der Erfindung wird durch den Spalt 9 die Wärme übertragende Fläche entscheidend vergrößert, so dass hierdurch eine besonders schnelle Aufheizung des Reformers 1 in der Kaltstartphase erfolgen kann. Dementsprechend wird in vorteilhafter Weise die Aufheizzeit des Reformers 1 deutlich verkürzt.
  • In der "normalen" Betriebsphase wird der Reformer 1 derart betrieben, dass im Bereich einer Ausströmöffnung 11, durch die Rauchgasteilstrom 6a aus dem Reformer 1 ausströmt, eine nicht näher dargestellte Klappe zum Verschließen der Ausströmöffnung 11 vorgesehen ist. Die entsprechende Klappe wird beispielsweise mittels einer Steuereinheit gesteuert. Diese kann insbesondere mittels Temperatursensoren eine Betriebstemperatur des Reformers 1 detektieren. Alternativ hierzu kann auch die nicht näher dargestellte Klappe im Bereich der Ausströmöffnung 11 nach einer von der Steuereinheit vorgegebenen Zeitdauer verschlossen werden.
  • In der "normalen" Betriebsphase bildet das sich im Spalt 9 vorhandene, gestaute Rauchgas 6a eine thermische Isolationsschicht zwischen den Reaktorstufen 2 und 3 aus. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise eine thermische Trennung der relativ heißen Kammer 3 zur etwas kälteren Kammer 2 des Reformers 1 verwirklicht.
  • Alternativ oder in Kombination hierzu kann eine Klappe, ein Ventil oder dergleichen im Bereich einer Einströmöffnung 12 des Spaltes 9 angeordnet werden. Hierbei wird insbesondere während der "normalen" Betriebsphase ebenfalls eine Ausbildung einer thermischen Isolationsschicht 9 bei geschlossener Klappe im Bereich der Eintrittsöffnung 12 realisierbar.
  • Das aus dem Reformer 1 ausströmende Reformat 10 kann beispielsweise in nicht näher dargestellter Weise einer Brennstoffzellenanlage zur Erzeugung elektrischer Energie zugeführt werden.
  • Vorzugsweise erfolgt die Dampfreformierung bei Temperaturen von ca. 800°C, wobei der Brenner 5 Temperaturen zwischen ca. 1000° und 1200°C erzeugt, so dass eine nachteilige NOX- Bildung weitgehend verhindert wird.

Claims (11)

1. Vorrichtung (1) zur Umformung eines kohlenwasserstoffhaltigen Stoffstroms (4) zu einem wasserstoffangereicherten Fluidstrom (10) mit einer Heizvorrichtung (5) zur Erzeugung eines Heizstromes (6), wobei der Stoffstrom (4) in einer ersten Umformeinheit (2) sowie einer in Strömungsrichtung dahinter angeordneten, zweiten Umformeinheit (3) zum wasserstoffangereicherten Fluidstrom (10) umgeformt wird und ein erstes, vom Heizstrom (6) durchströmbares Heizelement (8) zum Erwärmen wenigstens einer der beiden Umformeinheiten (2, 3) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens in einer Betriebsphase der Heizstrom (6) an der zweiten Umformeinheit (3) vollständig im Gegenstrom zum Stoffstrom (4) strömt.
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens in einer Betriebsphase der Heizstrom (6) an der ersten und zweiten Umformeinheit (2, 3) vollständig im Gegenstrom zum Stoffstrom (4) strömt.
3. Vorrichtung (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein zweites, vom Heizstrom (6) durchströmbares Heizelement (9) zum Erwärmen einer der beiden Umformeinheiten (2, 3) in einer Startphase vorgesehen ist.
4. Vorrichtung (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Heizelement (9) zwischen den beiden Umformeinheiten (2, 3) angeordnet ist.
5. Vorrichtung (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einström- (12) und/oder Ausströmöffnung (11) des ersten und/oder zweiten Heizelementes (6, 8) wenigstens ein Dosierelement zum Dosieren des Heizstromes (6) aufweist.
6. Vorrichtung (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Steuereinheit zum Steuern des Dosierelementes vorgesehen ist.
7. Vorrichtung (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Umformeinheiten (2, 3) und/oder die beiden Heizelemente (8, 9) nahezu koaxial zueinander angeordnet sind.
8. Vorrichtung (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (5) nahezu koaxial zu den Umformeinheiten (2, 3) und/oder Heizelementen (8, 9) angeordnet ist.
9. Vorrichtung (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (5) nahezu zentral zu den Umformeinheiten (2, 3) und/oder Heizelementen (8, 9) angeordnet ist.
10. Brennstoffzellenanlage mit einer Brennstoffzelleneinheit und einer Vorrichtung (1) zur Umformung eines kohlenwasserstoffhaltigen Stoffstroms (4) zu einem wasserstoffangereicherten Fluidstrom (10), wobei der Stoffstrom (4) in einer ersten Umformeinheit (2) sowie einer in Strömungsrichtung dahinter angeordneten, zweiten Umformeinheit (3) zum wasserstoffangereicherten Fluidstrom (10) umgeformt wird und eine Heizvorrichtung (5) zur Erzeugung eines Heizstromes (6) sowie ein erstes, vom Heizstrom (6) durchströmbares Heizelement (8) zum Erwärmen wenigstens einer der beiden Umformeinheiten (2, 3) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche ausgebildet ist.
11. Fahrzeug mit einer Brennstoffzellenanlage, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 10 ausgebildet ist.
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