DE19836289A1 - Reformer - Google Patents

Reformer

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Abstract

Es wird ein Reformer zur Erzeugung eines Brenngases für eine Brennstoffzelle beschrieben. In einer Hülse (1), bestehend aus einem katalytischen Material, ist ein katalytisches Bett (2) zur Reformierung eines Reaktanden angeordnet. Die Hülse (1) bildet einen katalytischen Brenner. Sie ist daher der Umgebungsluft ausgesetzt, so daß über die äußere Mantelfläche (4) Luftsauerstoff in die poröse Hülse (1) eindiffundieren kann. Über die innere Mantelfläche (6) dringt der Raktand und das im Reformer gebildete Reformatgas ein und wird oxidiert. Die dabei freigesetzte Wärmeenergie wird für die endotherm ablaufende Reformierungsreaktion im katalytischen Bett (2) benötigt. Der Wärmeübertrag erfolgt über die innere Mantelfläche (6).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Reformer mit einem katalytischen Bett zur chemischen endothermen Umsetzung eines Reaktanden zu einem Reformatgas und mit einem kata­ lytischen Brenner, der die für die endotherme Umsetzung notwendige Wärmeenergie zur Verfügung stellt.
Derartige Reformer werden z. B. in Systemen mit einer Brennstoffzelle eingesetzt, die als Brenngas Wasserstoff benötigt. Der Reformer hat die Aufgabe, aus Methanol, Methan oder einem anderen Alkohol bzw. Kohlenwasserstoff das Brenngas herzustellen. Im Brenner wird durch eine chemische Umsetzung mit (Luft-)Sauerstoff die dazu not­ wendige Temperatur erzeugt. Dazu wird in der Regel aus dem dem Reformierungsprozeß zuzuführenden Stoffstrom ein Teil abgezweigt und in den Brenner eingeleitet.
Ein solcher Reformer ist zum Beispiel in der EP 0 691 701 A1 beschrieben. Dieser Reformer besteht aus mehreren zu einem Stapel zusammengefaßten Zellen. Jede Zelle besteht aus einer Schicht, in der die Reformierung stattfindet, und aus zwei weiteren Schichten zu beiden Seiten der Re­ formierungsschicht, in denen die katalytische Verbrennung abläuft. Zwischen zwei Zellen befindet sich jeweils eine flache Kammer, über die den angrenzenden Brennerschichten ein brennbarer Stoff zugeführt wird. Die Luftzufuhr er­ folgt jeweils über die Schmalseite der Brennerschicht. Im Gegenstrom wird der Reformierungsschicht über eine Schmalseite der Reaktand, im Ausführungsbeispiel Methan, zugeführt. Auf der gegenüberliegenden Seite erfolgt der Ausstoß des Brenngases, im Ausführungsbeispiel Wasser­ stoff. Zwischen den Schichten erfolgt lediglich ein Wär­ meaustausch, d. h.: die in der Brennerschicht erzeugte Energie führt zu einer Temperaturerhöhung in der Refor­ mierungsschicht. Jede Schicht weist ihr eigenes System für die Zuführung bzw. für die Entnahme der flüssigen bzw. gasförmigen Stoffe auf. Wie ohne weiteres zu erken­ nen ist, ist der damit verbundene Aufbau sehr aufwendig.
Das Problem, auf dem die Erfindung basiert, besteht darin, einen effektiv arbeitenden Reformer darzustellen, bei dem insbesondere die Stoffzuführung bzw. -abführung vereinfacht ist.
Es wird daher vorgeschlagen, daß der Brenner von einer katalytisch wirksamen Schicht gebildet wird mit einer er­ sten Grenzfläche, die an die Umgebungsluft angrenzt, und einer zweiten Grenzfläche, die an das katalytische Bett anschließt, so daß der Reaktand und/oder das Reformatgas über diese Grenzfläche unmittelbar in die Schicht eintre­ ten können, wobei über diese zweite Grenzfläche gleich­ zeitig der Wärmeübertrag erfolgt.
Der Reformierungsschicht wird in üblicher Weise auf der einen Seite ein Reaktand zugeführt, der auf der anderen Seite als Reformatgas austritt.
Die katalytische Brennerschicht ist mit ihrer einen Seite der Umgebungsluft ausgesetzt, so daß der für die Oxida­ tion notwendige Sauerstoff großflächig in diese Schicht eintreten kann. Als Brennstoff wird einerseits der Re­ aktand und andererseits das Reformatgas verwendet, die ebenfalls großflächig über die Grenzfläche zwischen der Reformierungsschicht und der Brennerschicht übertragen werden. An dieser Grenzfläche findet gleichzeitig der Wärmeübertrag statt.
Dieses System benötigt lediglich eine Gaszuführung und eine Gasabführung für die Reformierungsschicht. Der Luftsauerstoff für den Brenner wird nicht über ein geson­ dertes Kanalsystem zugeführt, sondern wird unmittelbar der Umgebungsluft entnommen. Der Brennstoff für den Bren­ ner wird über die Reformierungsschicht zugeleitet, so daß auch hier ein gesondertes Kanalsystem entfallen kann.
Der Brenner wird aus einem porösen Material hergestellt, wobei das Material selbst die katalytische Wirkung ent­ faltet. Vorzugsweise kann es sich hier um Nickelsinterme­ talle aber auch um Platinsintermetalle handeln. Die durchschnittliche Porengröße liegt bei ca. 10 Mikrometer. Alternativ hierzu kann der Brenner auch aus einem porösen Material bestehen, wobei der die Oxidation bewirkende Ka­ talysator in den Poren des Materials eingeschlossen ist.
Einen sehr einfachen Aufbau erhält man, indem das poröse Material des Brenners eine Tragstruktur für das kataly­ tische Bett des Reformers bildet. Die Brennerschicht kann weiterhin so ausgebildet werden, daß sie ein geschlosse­ nes Gehäuse für das katalytische Material des Reformers bildet. In vorteilhafter Weise wird eine Zylinderstruktur gewählt, bei der die Brennerschicht eine Hülse bildet, deren Enden einen Zugang für den Reaktand bzw. einen Aus­ laß für das Reformatgas bilden.
Um zu verhindern, daß Stickstoffanteile der Luft in die Reformierungsschicht gelangen, kann der Reaktand mit ei­ nem leichten Überdruck in den Reformer eingebracht wer­ den.
Weiterhin bietet es sich an, einige solcher Hülsen neben­ einander anzuordnen, wobei die Stirnflächen der Hülsen an jeweils eine Gaszuführungsplatte anschließen. Die Kammer, die zwischen den Platten entsteht, erhält einen Zugang zur Umgebungsluft.
Im folgenden soll anhand eines Ausführungsbeispiels die Erfindung näher erläutert werden. Die gewählte, sehr schematische Schnittdarstellung zeigt mehrere jeweils ein katalytisches Bett aufnehmende Hülsen, die parallel zu­ einander in einem Gehäuse angeordnet sind.
Jede Hülse 1 besteht aus einem katalytischen Material, in dem eine flammlose Verbrennung stattfinden kann. Sie bil­ den daher jeweils eine Brennerschicht, in der die für eine Reformierung notwendige Wärmeenergie erzeugt wird. Jede Hülse 1 bildet außerdem eine Einfassung für ein ka­ talytisches Bett 2 oder für eine entsprechende Schüttung. Das katalytische Material in der Hülse bildet somit eine Reformierungsschicht, der über die eine Stirnseite der Hülse ein Reaktand, z. B. Methanol zugeführt wird, das aus der anderen Stirnseite reformiert austritt.
Die Hülsen 1 sind in einem teiloffenen Gehäuse 3 einge­ setzt und damit der Umgebungsluft ausgesetzt, so daß über die gesamte äußere Mantelfläche 4 einer jeden Hülse 1 Luftsauerstoff (Pfeil 5) in die Brennerschicht eindringen kann. Über die innere Mantelfläche 6 der Hülse dringt je­ weils der in das katalytische Bett eingebrachte Reaktand sowie das im katalytischen Bett entstehende Reformatgas ein. In der Brennerschicht kann somit eine exotherme Re­ aktion zwischen den von innen her eintretenden Stoffen und dem von außen eindringenden Luftsauerstoff stattfin­ den. Der in die Reformierungsschicht eingebrachte Re­ aktand und das daraus entstehende Reformatgas bilden da­ mit den Brennstoff für die katalytische Verbrennung, die die nötige Energie für die endotherm ablaufende Reaktion im katalytischen Bett 2 liefert.
Die Zuführung bzw. Abführung des Reaktanden bzw. des Re­ formatgases erfolgt über die Stirnflächen der Hülsen 1. Der Anschluß ist hier nicht näher dargestellt, da er für die Erfindung von untergeordneter Bedeutung ist.
Vorzugsweise können mehrere solcher Hülsen 1 nebeneinan­ der angeordnet werden und zwischen zwei Wänden 7, 8 des Gehäuses 3 gehalten werden, wobei diese Wände Zuführungs- bzw. Abführungskanäle 9, 10 für den Reaktanden und das Reformatgas enthalten. Das Gehäuse 3 kann innen mit einem Wärmestrahlung reflektierenden Material ausgelegt sein, so daß die von den Hülsen 1 nach außen abgegebene Wärme im Gehäuse verbleibt. Die erzeugte Wärmeenergie wird so­ mit effektiver genutzt, was insbesondere dazu führt, daß die Anlaufdauer des Reformers verringert wird.
Als Material insbesondere für die Brennerschicht eignet sich Nickel- oder Platinsintermetall. Dieses Material kann auch das Material für das katalytische Bett sein. Falls beide Schichten aus demselben Material sind, kann die Hülse 1 und das Bett 2 als eine kompakte, zylindri­ sche Einheit hergestellt werden, wobei sich letztlich die einzelnen Schichten in ihrer jeweiligen Porösität unter­ scheiden. Der Bereich des katalytischen Bettes 2 ist grobporiger, um einen genügend großen Durchsatz zu erzie­ len, der Bereich der Brennerschicht feinporiger, so daß der Luftsauerstoff nur in die äußere Schicht eindringen kann und nicht in den Bereich der Reformierungsschicht gelangt, was zu unerwünschten Nebenprodukten im Reformat­ gas, z. B. Stickoxiden, führen würde, die als Abgase in die Umgebung gelangen würden.
Um den Wirkungsgrad der Reformers zu erhöhen und um zu vermeiden, daß insbesondere Stickstoff der Luft in die Reformierungsschicht gelangt, kann der Reformer mit Über­ druck betrieben werden, der mittels eines Verdichters 11 und eines nicht dargestellten, den Abführungskanal 10 nachgeschalteten Druckventils erzeugt wird. In der Hül­ senwand wird sich von innen nach außen ein Druckgefälle einstellen, das bewirkt, das die Luft nur in die Hülse 1 bzw. in die äußeres Schicht eines kompakten Zylinders ge­ langt.
In beiden Ausführungen findet sowohl ein Stoff- als auch ein Energieaustausch in der Grenzschicht (innere Mantel­ fläche 6) zwischen der Brennerschicht und der Reformie­ rungsschicht statt.

Claims (8)

1. Reformer mit einem katalytischen Bett zur endother­ men chemischen Umsetzung eines Reaktanden zu einem Reformatgas und mit einem katalytischen Brenner, der die für die endotherme Umsetzung notwendige Wärme­ energie zur Verfügung stellt, dadurch gekennzeich­ net, daß der Brenner von einer katalytisch wirksamen Schicht (1) gebildet wird mit einer ersten Grenz­ fläche (4), die an die Umgebungsluft angrenzt, und einer zweiten Grenzfläche (6), die an das katalyti­ sche Bett (2) anschließt, so daß der Reaktand und/­ oder das Reformatgas über diese Grenzfläche (6) un­ mittelbar in die Schicht (1) eintreten können, wobei über die zweite Grenzfläche (6) gleichzeitig der Wärmeübertrag erfolgt.
2. Reformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die katalytisch wirksame Schicht (1) des Bren­ ners aus einem porösen Material besteht, wobei das Material selbst die katalytische Wirkung entfaltet.
3. Reformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die katalytisch wirksame Schicht (1) des Bren­ ners aus einem porösen Material besteht, wobei der die Oxidation bewirkende Katalysator in den Poren des Brenners eingeschlossen ist.
4. Reformer nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schicht (1) eine Tragstruktur für das katalytische Bett (2) des Reformers bildet.
5. Reformer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (1) Teil eines Gehäuses ist, in dem das katalytische Material des Reformers gehalten ist.
6. Reformer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht eine Hülse (1) bildet, deren Stirn­ seiten den Zugang für den Reaktand bzw. den Auslaß für das Reformatgas bilden.
7. Reformer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Reformer mit einer Druckquelle (11) in Verbindung steht, so daß im Re­ former ein Überdruck gegenüber der Umgebungsluft aufgebaut werden kann.
8. Reformer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brenner- und die Re­ formierungsschicht aus einem einheitlichen Material bestehen und daß die Porösität der Reformierungs­ schicht größer ist als die der Brennerschicht.
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