DE60036652T2 - Reformer , Reformierungsverfahren und Brennstoffzellesystem mit einem solchen Reformer - Google Patents

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Description

  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Reformer für das Reformieren eines Kohlenwasserstoff-Rohmaterials wie Methan, Methanol und dergleichen, um Wasserstoff herzustellen. Weiter im Besonderen bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Verbesserung in einem Reformer, der ein Dampfreformierungsverfahren kombiniert mit einem Teiloxidationsreformierungsverfahren. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Reformierungsverfahren und auf ein Brennstoffzellensystem.
  • 2. Stand der Technik
  • Im Allgemeinen ist eine Brennstoffzelle eine Vorrichtung, die Sauerstoff und Wasserstoff als Brennstoffe verwendet und die in diesen Brennstoffen enthaltene chemische Energie in direkter Weise in elektrische Energie umwandelt, ohne diese in thermische Energie umzuwandeln. Die Brennstoffzelle hat hinsichtlich der Umwelt ausgezeichnete Eigenschaften, und ist fähig, eine hohe Energieeffizienz zu erreichen. Daher wurde die Entwicklung einer Brennstoffzelle als ein zukünftiges Energieversorgungssystem in ausgedehntem Maße vorangetrieben.
  • Wenn die vorstehend erwähnte Brennstoffzelle als Generator verwendet wird, wäre es bezüglich der Ökonomie ideal, natürliches Gas, Naphtha und eine Alkoholkomponente, die Methanol ist, als Wasserstoffenthaltende Brennstoffgase zu verwenden. Allerdings ist derzeit keine Brennstoffzelle vorhanden, die in effizientem Maße durch direktes Zuführen dieser Brennstoffgase zu einer Batterie Elektrizität erzeugen kann. Aus diesem Grund sind viele derzeitige Brennstoffbatterien ausgestattet mit einem Reformer für das Erzeugen eines Brennstoffes aus einem Kohlenwasserstoff-Rohmaterial. In diesem Reformer werden das vorstehend erwähnte natürliche Gas, das Methanol und dergleichen reformiert, um einen Brennstoff herzustellen, der einer Annode zugeführt wird.
  • Eines der Reformierungsverfahren in einem solchen Reformer ist ein Dampfreformierungsverfahren. In diesem Dampfreformierungsverfahren wird ein Kohlenwasserstoff-Rohmaterial mittels Dampf reformiert, um Wasserstoff herzustellen. Als ein Beispiel ist unten eine chemische Reaktion (1) gezeigt, die auftritt, wenn eine Dampfreformierung durchgeführt wird unter Verwendung von Methanol als Rohmaterial. CH3OH + H2O → 3H2 + CO2 – 49,5 (kJ/mol) (1)
  • Wie aus der oben gezeigten Formel ersichtlich, ist diese Dampfreformierungsreaktion eine endotherme Reaktion. Somit werden beim Durchführen einer Dampfreformierung ein Brenner, eine Erwärmungsvorrichtung und dergleichen zusätzlich im Reformer installiert, um eine für die Reformierungsreaktion erforderliche Wärmemenge hinzuzuführen. Allerdings erhöht das Versehen des Reformers mit einem Brenner und einer Erwärmungsvorrichtung die Größe und Komplexität des Reformierungsteils, was problematisch ist.
  • Daher wurde ein Reformer entwickelt, der ein derartiges Problem beheben kann, wie offenbart in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. HEI 9-315801 . Dieser Reformer macht zusätzlich Gebrauch von einer Teiloxidationsreformierungsreaktion, die ein Rohmaterial-Reformierungsverfahren ist, anders als das vorstehend erwähnte Dampfreformierungsverfahren. In einem Teiloxidationsreformierungsverfahren wird ein Kohlenwasserstoff-Rohmaterial wie Methanol teilweise mittels Sauerstoff oxidiert, um Wasserstoff und eine hohe Menge an Reaktionswärme zu erzeugen, die zur gleichen Zeit entladen werden. Eine Reaktion (2), in der Methanol einer Teiloxidationsreformierung ausgesetzt wird, um Wasserstoff herzustellen, wird unten gezeigt. CH3OH + 1/2O2 → 2H2 + CO2 + 189,5 (kJ/mol) (2)
  • Gemäß diesem Reformer wird die Teiloxidationsreformierung, die eine solch hohe Wärmemenge herstellt, in einem Einzelreformer durchgeführt, um auf diese Weise eine für die Dampfreformierung erforderliche Wärmemenge hinzuzuführen. In einem solchen System ist es, da kein Erfordernis einer zusätzlichen Installierung einer Erwärmungsvorrichtung besteht, möglich, einen Größenanstieg und eine Komplexität der Vorrichtung zu vermeiden. Des Weiteren, da thermische Energie innerhalb des Reformers statt außerhalb des Reformers erzeugt wird, kann die Wärmemenge des Reformers, absorbiert durch eine Außenwand und dergleichen, verringert werden. Daher wird auch die Energieeffizienz verbessert. Des Weiteren führt die Teiloxidationsreformierung nicht nur eine Wärmemenge, die für die Dampfreformierung erforderlich ist, zu, sondern erzeugt zur gleichen Zeit auch Wasserstoff. Daher ist die Teiloxidationsreformierung ebenfalls vorteilhaft beim Herstellen von Wasserstoff.
  • Die vorstehend erwähnte Teiloxidationsreformierungsreaktion und Dampfreformierungsreaktion sind Gleichgewichtsreaktionen, die von der Temperatur abhängen. Das heißt diese Reaktionen verlaufen in einer Richtung, die Wasserstoff herstellt, wenn die Temperatur ansteigt, und bewirken eine Reaktion, die ein Ausgangsmaterial bzw. Rohmaterial aus dem Wasserstoff wiederherstellt, wenn die Temperatur fällt. Um somit zu bewirken, dass diese Gleichgewichtsreaktionen in der Richtung verlaufen, die Wasserstoff erzeugt, sollten die Temperaturen der jeweiligen Reaktionen auf geeignete Reaktionstemperaturen angehoben werden.
  • Im Falle des vorstehend beschriebenen Reformers allerdings, der eine Dampfreformierung mit einer Teiloxidationsreformierung kombiniert, werden die Dampfreformierungsreaktion und die Teiloxidationsreformierungsreaktion zufällig im Reformer durchgeführt. In einem solchen Fall wird die Wärme, erzeugt über die Teiloxidationsreformierung, im gesamten Reformer homogenisiert und durch die Dampfreformierung absorbiert, die sich in der Nähe ereignet. Aus diesem Grund sollte der vorangehend angewandte Reformer bei einer hohen Temperatur beibehalten werden, um die Effizienz beider Reaktionen zu erhöhen, beispielsweise bei 700°C oder 800°C.
  • Zusätzlich muss für das Aufrechterhalten des Inneren des Reformers bei einer hohen Temperatur ein teures wärmebeständiges Material verwendet werden für ein Außenwandelement, das den Reformer bildet, was einen Anstieg der Kosten unausweichlich macht.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung wurde im Lichte der vorstehend erwähnten Probleme bewerkstelligt. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Effizienz der Reformierung in einem Reformer zu erhöhen, der eine Dampfreformierung mit einer Teiloxidationsreformierung kombiniert, während des Beibehaltens einer Außenwand bei einer relativ geringen Temperatur.
  • Für das Erreichen der obigen und/oder anderer Aufgaben wird gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung bereitgestellt ein Reformer, der eine Dampfreformierungsreaktion, in der ein Kohlenwasserstoff-Rohmaterial zu Wasserstoff unter Verwendung von Dampf reformiert wird, kombiniert mit einer Teiloxidationsreformierungsreaktion, in der ein Kohlenwasserstoff-Rohmaterial zu Wasserstoff unter Verwendung von Sauerstoff reformiert wird. In einer Kammer des Reformers wird eine Sauerstoff-Zuführungsmenge von einem Zentrum der Kammer zu einer inneren Oberfläche einer Außenwand der Kammer verringert, und eine Dampfzuführungsmenge wird von der inneren Oberfläche der Außenwand zu dem Zentrum verringert. Auf diese Weise findet eine Teiloxidationsreaktion in der Nähe einer zentralen Fläche der Kammer statt, während eine Dampfreformierung in der Nähe einer äußeren Umfangsfläche der Kammer stattfindet, die die zentrale Fläche umgibt.
  • Gemäß dem vorstehend erwähnten Aspekt der Erfindung wird die über die Teiloxidationsreformierung erzeugte Reaktionswärme, die eine in der zentralen Fläche durchgeführte exotherme Reaktion ist, durch die Dampfreformierungsreaktion in der äußeren Umfangsfläche verwendet. Somit wird ein Temperaturverteilungsmuster im Reformer erzeugt, und die Temperatur wird allmählich niedriger von dem zentralen Teil der Kammer zu der inneren Oberfläche der Außenwand der Kammer. Auf diese Weise wird es möglich, eine Temperatur der Außenwand niedrig zu halten. Mit anderen Worten, wenn die Temperatur der Außenwand bei der gleichen Reaktionstemperatur wie im Stand der Technik, beispielsweise bei 700°C, aufrechterhalten werden soll, ermöglicht es der Reformer der vorliegenden Erfindung, den zentralen Teil bei einer höheren Temperatur beizubehalten. Als Ergebnis wird die Effizienz der Reformierungsreaktion verbessert. Auch, für das Erreichen der gleichen Reaktionseffizienz wie im Stand der Technik, kann die Reformierungsreaktion durchgeführt werden, wobei die Temperatur der Außenwand niedriger beibehalten wird im Vergleich zur Außenwand-Temperatur gemäß dem Stand der Technik.
  • Des Weiteren kann gemäß dem vorstehend erwähnten Aspekt der Erfindung eine Sauerstoffversorgung einen Ausblasteil (blowout portion) aufweisen für das Zuführen von Sauerstoff über ein Ausblasen (blowout) in der Nähe des Zentrums der Kammer, und Sauerstoff kann aus der Nähe des Zentrums der Kammer zu der inneren Oberfläche der Außenwand zugeführt werden.
  • Gemäß dem vorstehend erwähnten Aspekt der Erfindung wird Sauerstoff aus dem Ausblasteil ausgeblasen, wodurch es möglich wird, zuverlässig einen Gradienten einer Sauerstoffversorgungsmenge von dem Zentrum der Kammer zu der inneren Oberfläche der Außenwand zu erzeugen. Auf diese Weise wird eine Teiloxidationsreformierung in effizienter Weise in der Nähe des Zentrums der Reformerkammer durchgeführt. Dagegen ist es möglich, allmählich das Verhältnis der Teiloxidationsreformierung und dem Anstieg des Verhältnisses der Dampfreformierung zu der inneren Oberfläche der Außenwand (das heißt zu dem äußeren Umfang der Kammer) zu verringern. Des Weiteren wird, da der Ausblasteil bei dem Zentrum lokalisiert ist, ein Strom aus dem Zentrum zu der inneren Oberfläche der Außenwand beim Zuführen von Sauerstoff aus dem Ausblasteil erzeugt. Dieser Strom verschiebt die Reaktionswärme zu der äußeren Umfangsfläche, und diese Reaktionswärme wird in effizienter Weise für die Dampfreformierungsreaktion verwendet, die in der äußeren Umfangsfläche stattfindet.
  • Des Weiteren kann gemäß dem vorstehend erwähnten Aspekt der Erfindung Dampf mit einem hohen Partialdruck zu der Nähe der inneren Oberfläche der Außenwand zugeführt werden.
  • In der äußeren Umfangsfläche, wo die Dampfreformierung durchgeführt wird, je entfernter eine Fläche lokalisiert ist von der zentralen Fläche, wo die Teiloxidationsreformierung durchgeführt wird, desto mehr neigen die Temperatur und die Effizienz der Dampfreformierung dazu, zu fallen. Allerdings wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Teildruck des Dampfes in der Nähe der inneren Oberfläche der Außenwand erhöht, wodurch die Gleichgewichtsreaktion der Dampfreformierung in einer solchen Richtung abläuft, dass Wasserstoff hergestellt wird. Auf diese Weise ist es, selbst wenn die Temperatur gefallen ist, möglich, eine hohe Reformierungsrate zu erreichen.
  • Des Weiteren werden gemäß einem Reformierungsverfahren eines Aspekts der vorliegenden Erfindung in einem Reformer mit einer Innenkammer, die durch eine Außenwand erzeugt ist, eine Dampfreformierungsreaktion durchgeführt, in der ein Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterial zu Wasserstoff unter Verwendung von Dampf reformiert wird, und eine Teiloxidationsreformierungsreaktion, in der ein Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterial zu Wasserstoff unter Verwendung von Sauerstoff reformiert wird. Gemäß diesem Verfahren wird in der Innenkammer des Reformers die Sauerstoffmenge von dem Zentrum der Innenkammer zu der inneren Oberfläche der Außenwand verringert, wohingegen die Menge des Dampfes verringert wird von der inneren Oberfläche der Außenwand zu dem Zentrum der Kammer. Auf diese Weise wird eine Teiloxidationsreformierungsreaktion durchgeführt in der Nähe der zentralen Fläche der Innenkammer, während die Dampfreformierungsreaktion durchgeführt wird in der Nähe des äußeren Umfangs der Innenkammer.
  • Gemäß dem vorstehend erwähnten Aspekt der Erfindung wird die über die Teiloxidationsreformierung erzeugte Reaktionswärme, die eine in der zentralen Fläche der Innenkammer durchgeführte exotherme Reaktion ist, für die Dampfreformierungsreaktion verwendet, die in der Nähe des äußeren Umfangs der Innenkammer durchgeführt wird. Somit wird ein gewisses Temperaturverteilungsmuster im Reformer erzeugt. Die Temperatur wird allmählich niedriger von dem zentralen Teil der Innenkammer zu der inneren Oberfläche der Außenwand, wodurch es möglich wird, die Außenwand bei einer relativ niedrigen Temperatur beizubehalten.
  • Im Reformer und dem Reformierungsverfahren dieses Aspekts der vorliegenden Erfindung wird die Teiloxidationsreaktion durchgeführt in der Nähe der zentralen Fläche, und die Dampfreformierung wird durchgeführt in der Nähe des äußeren Umfangs der Kammer, der die zentrale Fläche umgibt. Allerdings erfordern einige Teiloxidationsreaktionen ebenfalls Dampf. Daher kann zusätzlich zur Teiloxidationsreaktion die Dampfreformierungsreaktion teilweise in der Nähe der zentralen Fläche der Kammer durchgeführt werden.
  • Ein Brennstoffzellensystem eines Aspekts der vorliegenden Erfindung enthält den oben beschriebenen Reformer und eine Brennstoffzelle, die Elektrizität erzeugt unter Versorgung mit reformiertem Gas, das über eine Reformierungsreaktion im Reformer erzeugt wird. Gemäß einem solchen Brennstoffzellensystem wird die Dampfreformierungsreaktion, die eine endotherme Reaktion ist, mit Hilfe der über die Teiloxidationsreformierungsreaktion des Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterials erzeugten Wärme durchgeführt. Daher ist es möglich, eine Wärmemenge, die von der Außenseite des Brennstoffzellensystems zugeführt wird, zu verringern, um eine für die Reformierungsreaktion erforderliche Wärmemenge zuzuführen. Somit besteht kein Bedarf nach einem Bereitstellen einer Wärmequelle für das Zuführen einer Wärmemenge, die für die Reformierungsreaktion erforderlich ist. Zusätzlich wird im Reformer, der im Brennstoffzellensystem verwendet wird, die Teiloxidationsreaktion, die eine exotherme Reaktion ist, in der zentralen Fläche der Kammer durchgeführt, und die Dampfreformierungsreaktion, die eine endotherme Reaktion ist, wird im äußeren Umfang der Kammer durchgeführt. Dadurch wird die in der zentralen Fläche erzeugte Reaktionswärme als eine Wärmemenge absorbiert, die für die Dampfreformierungsreaktion erforderlich ist, beim Diffundieren zu der inneren Oberfläche der äußeren Kammerwand. Somit wird es möglich, den äußeren Umfang bei einer relativ niedrigen Temperatur beizubehalten. Demgemäß wird ohne Verwenden eines teuren wärmebeständigen Materials für die Außenwand ein bestimmtes Temperaturverteilungsmuster im Reformer erzeugt, so dass die Effizienz der Reformierungsreaktion verbessert werden kann. Auf diese Weise ermöglicht das Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung das Vermeiden einer Komplexität des gesamten Systems und das Verbessern der Energieeffizienz.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHUNGEN
  • Die voranstehende und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen ersichtlich, wobei:
  • 1 schematisch einen Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 2 Reaktionsformeln einer Dampfreformierungsreaktion und einer Teiloxidationsreaktion darstellt, und eine Beziehung zwischen der Temperatur und der theoretischen Reaktionsrate;
  • 3 einen inneren Aufbau eines Reformers gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 4 einen inneren Aufbau eines Reformers gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 5A eine Auftragung ist, die eine Verteilung einer Reaktionsmenge einer Teiloxidationsreaktion im Reformer gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt;
  • 5B eine Auftragung ist, die eine Verteilung einer Reaktionsmenge einer Dampfreformierungsreaktion im Reformer gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt;
  • 6 eine Auftragung ist, die eine Temperaturverteilung im Reformer gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt;
  • 7 einen inneren Aufbau eines Reformers gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 8A eine Auftragung ist, die eine Verteilung einer Reaktionsmenge einer Teiloxidationsreaktion im Reformer gemäß der dritten Ausführungsform zeigt;
  • 8B eine Auftragung ist, die eine Verteilung einer Reaktionsmenge einer Dampfreformierungsreaktion im Reformer gemäß der dritten Ausführungsform zeigt;
  • 9A eine Auftragung ist, die eine Verteilung einer Reaktionsmenge einer vollständigen Verbrennungsreaktion von Methan im Reformer gemäß der dritten Ausführungsform zeigt;
  • 9B eine Auftragung ist, die eine Verteilung einer Reaktionsmenge einer CO2-Reformierungsreaktion und einer Dampfreformierungsreaktion von Methan zeigt;
  • 10 einen inneren Aufbau eines Reformers gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 11A eine Auftragung ist, die eine Verteilung einer Reaktionsmenge einer Teiloxidationsreformierungsreaktion im Reformer gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 11B eine Auftragung ist, die eine Verteilung einer Reaktionsmenge einer Dampfreformierungsreaktion im Reformer gemäß der vierten Ausführungsform zeigt;
  • 12 eine Auftragung ist, die eine Temperaturverteilung im Reformer gemäß der vierten Ausführungsform zeigt;
  • 13 einen inneren Aufbau eines Reformers gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 14 eine Auftragung ist, die eine Verteilung eines Partialdruckes des Dampfes im Reformer gemäß der fünften Ausführungsform zeigt.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. 1 zeigt schematisch ein Beispiel eines Aufbaus eines Brennstoffzellensystems. Ein Reformer 10 ist mit der Seite einer Anode 5 einer Brennstoffzelle 1 über einen CO-Oxidator 4 verbunden. Der Reformer 10 reformiert ein Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterial, welches ein Reformierungsbrennstoff ist, zu einem Brennstoff, der hauptsächlich aus Wasserstoff zusammengesetzt ist. Als ein Beispiel verwendet die Brennstoffzelle 1 einen hochmolekularen Film, der gegenüber Protonen als Elektrolyt permeabel ist, und der Elektrolyt wird bereitgestellt zwischen der Anode 5 und einer Kathode 6. Das Brennstoffzellensystem wird aufgebaut durch Verbinden einer Vielzahl von auf diese Weise aufgebauten elektrischen Zellen, in Serie sowie in paralleler Weise. Die Anode 5 und die Kathode 6 sind zusammengesetzt aus einer Diffusionsschicht und einer Reaktionsschicht. Die Reaktionsschicht in der Anode 5 hat eine poröse Struktur, in der ein Katalysator wie Platin, Platinlegierung, Ruthenium und dergleichen sandwichförmig zwischen Kohlenstoffmaterialien angeordnet ist. Der Reformer 10 ist in Kommunikation mit der Anode 5 über den CO-Oxidator 4. Ein Luftversorgungsteil (Luftversorgung) 7 wie eine Pumpe ist verbunden mit der Kathode 6, um Sauerstoff zuzuführen, der mit Wasserstoff in dem reformierten Gas reagieren soll.
  • Eine Batterie 8 und ein Inverter 9 sind als externe Belastungen (loads) mit der Anode 5 und der Kathode 6 in einer solchen Weise verbunden, dass sie einen geschlossenen Kreis bilden. Ein Stromfühler 51 ist in diesem geschlossenen Kreis eingefügt. Des Weiteren ist ein Motor 53 mit dem Inverter 9 verbunden. Beispielsweise wird der Motor 53 als Energiequelle für das Antreiben eines Fahrzeugs verwendet.
  • In einer durch den Reformer 10 bewirkten Reformierungsreaktion wird unausweichlich Kohlenstoffmonoxid erzeugt und vermischt sich mit dem reformierten Gas. Da das Kohlenstoffmonoxid den Katalysator der Anode 5 in der Brennstoffzelle 1 vergiftet, wird der CO-Oxidator 4 für das Verringern von Kohlenstoffmonoxid zwischen dem Reformer 10 und der Brennstoffzelle 1 bereitgestellt. Der CO-Oxidator 4 ist mit einem CO-Oxidationskatalysator (nicht gezeigt) und einem Luftzuführungsteil 15 ausgestattet. Der CO-Oxidator 4 ist so gestaltet, dass das im Reformer 10 erzeugte Brennstoffgas dort hindurchgeht und der in der Luft enthaltene Sauerstoff den Kohlenstoffmonoxid oxidiert, der im Brennstoff enthalten ist.
  • Der Aufbau des Reformers, der einen Hauptaspekt der vorliegenden Erfindung bildet, wird nun beschrieben. Der Reformer 10 hat darin einen Innenraum (das heißt eine Innenkammer) gebildet, die einen Katalysator für das Reformieren und dergleichen so beherbergt, dass eine Reformierungsreaktion in effizienter Weise durchgeführt wird. Als Katalysator, der im Innenraum beherbergt ist, kann ein Katalysator jedes Typs angewendet werden, solange er die Reformierungsreaktion fördern kann. Beispielsweise kann ein Nickel-basierender Katalysator, ein Palladium-basierender Katalysator, ein Platin-basierender Katalysator, ein Rhodium-basierender Katalysator, ein Ruthenium-basierender Katalysator und dergleichen verwendet werden. Ein Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterial wird in den Innenraum des Reformers aus einer Einlassöffnung (nicht gezeigt) des Reformers 10 eingeführt. Ebenso werden Sauerstoff, erforderlich für eine Teiloxidationsreaktion des Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterials, und Wasserstoff, erforderlich für eine Dampfreformierungsreaktion des Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterials, aus einer Einlassöffnung des Reformers zugeführt. Danach wird durch eine Reformierungsreaktion im Reformer Brennstoff erzeugt. Grundsätzlich ist der im Reformer 10 hergestellte Brennstoff Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid. Allerdings wird in der Realität eine geringe Menge Kohlenstoffmonoxid (etwa 1%) erzeugt. Das meiste Kohlenstoffmonoxid reagiert mit dem in der Luft enthaltenen Sauerstoff, der zugeführt wird aus dem Luftzuführungsteil 15 zur Zeit des Durchgangs des reformierten Gases durch den CO-Oxidator 4, und wird zu Kohlenstoffdioxid. Auf diese Weise wird das reformierte Gas mit einer hohen Wasserstoffkonzentration zur Anode 5 in der Brennstoffzelle 1 gesandt. In der Reaktionsschicht der Anode 5 werden Wasserstoffionen und Elektronen erzeugt. Die Wasserstoffionen durchdringen den Elektrolytfilm und reagieren mit Sauerstoff auf der Seite der Kathode 6, um auf diese Weise Wasser zu erzeugen. Die Elektronen durchlaufen die externen Belastungen und erzeugen Bewegungsenergie.
  • Die Dampfreformierungsreaktion und die Teiloxidationsreformierungsreaktion, die im Reformer 10 ablaufen, werden nun beschrieben. 2 zeigt eine Beziehung zwischen Reaktionsrate und Reaktionstemperatur des Reformers in der Form einer Beziehung zwischen Reaktionstemperatur und theoretischer Reaktionsrate einer Dampfreformierungsreaktion und einer Teiloxidationsreformierungsreaktion. Mit Bezug auf 2 stellt eine durchbrochene Linie einen Fall dar, bei dem die Teiloxidationsreformierungsreaktion kombiniert wird mit der Dampfreformierungsreaktion, und eine massive Linie repräsentiert die Dampfreformierungsreaktion. Ebenso stellen diese Linien eine Beziehung in einem Fall dar, bei dem Methan (CH4) reformiert wird.
  • Wie in 2 gezeigt, ist die Reformierungsreaktion eine Gleichgewichtsreaktion, und die Richtungsabhängigkeit der Dampfreformierungsreaktion und der Teiloxidationsreformierungsreaktion wird durch eine Reaktionstemperatur oder dergleichen bestimmt. Wie in 2 gezeigt, muss die Reaktionstemperatur angehoben werden, um zu bewirken, dass die Reformierungsreaktion in einer solchen Reaktion abläuft, dass Wasserstoff hergestellt wird. Gemäß dem Stand der Technik, bei dem die Teiloxidationsreaktion und die Dampfreformierungsreaktion homogen im Reformierungsteil ablaufen, wird die Temperatur im Reformer normalerweise bei etwa 700°C beibehalten.
  • Im Reformer 10 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der in 3 gezeigt ist, wird bewirkt, dass die Teiloxidationsreformierungsreaktion im Wesentlichen in einer zentralen Fläche 14 der Kammer im Reformer stattfindet, während die Dampfreformierungsreaktion im Wesentlichen abläuft in einer äußeren Umfangsfläche 16 der Kammer im Reformer. Dadurch wird unter Beibehalten der Temperatur in der Nähe einer inneren Oberfläche einer Außenwand 12 der Reformerkammer bei einer relativ niedrigen Temperatur die Effizienz der Reformierungsreaktion verbessert.
  • Das heißt mit Bezug auf 3 ist ein Luftzuführungsteil (Luftversorgung) 11 als Sauerstoffzuführungsquelle bei dem Zentrum einer Einlassöffnung installiert, die zur innerhalb einer Außenwand 12 erzeugten Innenkammer führt, um eine Sauerstoffkonzentration in der zentralen Fläche 14 im Reformer 10 zu vergrößern. Ein Dampfzuführungsteil (Dampfversorgung) 13 ist um den Luftzuführungsteil 11 installiert, um eine Dampfkonzentration in der äußeren Umfangsfläche 16 der Kammer im Reformer 10 zu erhöhen. Wenn das Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterial unter Beibehalten eines Zustandes des Reformers 10 reformiert wird, läuft die Teiloxidationsreformierungsreaktion, die eine exotherme Reaktion ist, somit hauptsächlich in der zentralen Fläche 14 ab, und die Dampfreformierungsreaktion, die eine endotherme Reaktion ist, neigt dazu, in der äußeren Umfangsfläche 16 abzulaufen, die die zentrale Fläche 14 umgibt.
  • Demgemäß kann in der zentralen Fläche 14 die Teiloxidationsreaktion durch die erzeugt Reaktionswärme gefördert werden. In der äußeren Umfangsfläche 16 wird, wenn die in der zentralen Fläche 14 erzeugte Reaktionswärme diffundiert, die Effizienz der Dampfreformierungsreaktion durch Absorbieren der Reaktionswärme verbessert. Auf diese Weise wird durch Durchführen des Wärmeaustauschs innerhalb des Reformers 10 die Effizienz beider Reaktionen verbessert, und die Temperatur in der Nähe einer äußeren Umfangsfläche 16 wird relativ niedrig beibehalten.
  • Der Vorgang beim Durchführen einer Reformierung von Methan in dem vorstehend erwähnten Reformer 10 wird nachstehend beschrieben.
  • In diesem Fall wird Methan als Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterial verwendet und wird zu Wasserstoff reformiert. Beim Aussetzen von Methan einer Dampfreformierung läuft eine Reaktion ab, die durch Formel (3) gezeigt ist, während beim Aussetzen von Methan einer Teiloxidationsreformierung eine Reaktion abläuft, die durch Formel (4) gezeigt ist. CH4 + H2O → 3H2 + CO – 206,2 kJ (3) CH4 + 1/2O2 → 2H2 + CO + 35,7 kJ (4)
  • In diesem Fall wird die durch die Teiloxidationsreformierung abgegebene Wärme kompensiert von der durch die Dampfreformierungsreaktion absorbierte Wärme. Das Verhältnis zwischen beiden Reaktionen wird so eingestellt, dass die Temperatur im Inneren des Reformers nicht infolge der darin ablaufenden Reaktionen fluktuiert. Das Verhältnis zwischen der Dampfreformierungsreaktion und der Teiloxidationsreaktion wird eingestellt durch Steuern der Zuführungsmengen von Sauerstoff und Methan. Das heißt der gesamte Sauerstoff wird verwendet, um die Teiloxidation durchzuführen, und noch verbleibendes Methan wird der Dampfreformierung ausgesetzt. Das heißt in diesem Fall wird die Menge des zugeführten Sauerstoffs bestimmt als O2/CH4-Verhältnis = 0,43. Die Menge des zugeführten Dampfes wird bestimmt als H2O/CH4 = 3.
  • Zunächst wird die Innentemperatur des Reformers 10 angehoben auf eine Reformierungstemperatur, die beispielsweise etwa gleich 700°C ist wie im Stand der Technik, und ein Ausgangsmaterial wird dann dem Reformer 10 zugeführt. Des Weiteren wird bei den vorstehend erwähnten Verhältnissen Luft aus dem Luftzuführungsteil 11 zu der zentralen Fläche 14 zugeführt, und Dampf wird aus dem Dampfzuführungsteil 13 zu der äußeren Umfangsfläche 16 zugeführt. In der zentralen Fläche 14 läuft die Teiloxidationsreformierungsreaktion hauptsächlich ab, in der ein Mol Methan reformiert und 35,7 kJ Wärme zur gleichen Zeit produziert wird. Dadurch wird die Temperatur der zentralen Fläche gleich oder höher als 700°C, und die Teiloxidationsreaktion wird gefördert.
  • Die Reaktionswärme, die durch die Teiloxidationsreformierung in der zentralen Fläche 14 erzeugt wird, wird der äußeren Umfangsfläche 16 zugeführt. Diese Reaktionswärme dient dazu, die Dampfreformierungsreaktion zu fördern, die in der äußeren Umfangsfläche 16 abläuft. Da diese Dampfreformierungsreaktion eine endotherme Reaktion ist, wird, wenn die Dampfreformierungsreaktion gefördert wird, die in der zentralen Fläche 14 erzeugte Reaktionswärme in der äußeren Umfangsfläche 16 absorbiert. Als Ergebnis wird die Temperatur der äußeren Umfangsfläche 16 gleich oder niedriger als 700°C. Demgemäß ermöglicht der Reformer 10 das Beibehalten der Außenwand bei einer niedrigen Temperatur während des Beibehaltens oder Verbesserns der Effizienz der Reformierungsreaktion.
  • Auch wenn nicht gezeigt, wird der Katalysator für das Reformieren und dergleichen im Allgemeinen im Innenraum des in 3 gezeigten Reformers 10 beherbergt, um die Effizienz der Reformierungsreaktion zu verbessern. Der Katalysator kann von jedem Typ sein, solange er die Reformierungsreaktion fördert. Ein bestimmter Typ von Katalysator kann verwendet werden in sowohl der äußeren Umfangsfläche, wo die Dampfreformierung im Wesentlichen abläuft, und in der zentralen Fläche, wo die Teiloxidationsreaktion hauptsächlich abläuft. Alternativ kann der in der äußeren Umfangsfläche verwendete Katalysator verschieden sein von dem in der zentralen Fläche verwendeten Katalysator.
  • Auch wenn der Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterialzuführungsaufbau nicht in 3 gezeigt ist, kann das Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterial in direkter Weise zu dem Reformer 10 über einen separaten Zuführungsteil zugeführt werden. Alternativ kann das Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterial auch zu dem Reformer 10 aus einem Kohlenwasserstoff-Rohmaterialzuführungsteil über den Dampfzuführungsteil 13 und den Luftzuführungsteil 11 zugeführt werden.
  • In den folgenden Ausführungsformen werde verschiedene Arten des Zuführens von Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterial, Sauerstoff und Dampf zu dem vorstehend erwähnten Reformer und die Vorgänge bei diesen Arten beschrieben.
  • 4 zeigt einen Aufbau eines Reformers gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Reformer 10 enthält in dessen Zentrum ein Ausblasrohr 22. Über das Ausblasrohr 22 wird die Luft, zugeführt, aus dem Luftzuführungsteil, radial zugeführt aus dem Zentrum des Reformers 10 zu der inneren Oberfläche 12a der Außenwand 12. Demgemäß ist die Konzentration des Sauerstoffs im Reformer hoch in der zentralen Fläche und niedrig in der äußeren Umfangsfläche 16. Andererseits werden Methan und Dampf, die als Ausgangsmaterialien verwendet werden, zu dem Inneren des Reformers 10 aus einem äußeren Umfangsteil eines Einlasses des Reformers 10 zugeführt. Demgemäß sind die Konzentrationen des Methans und des Dampfes hoch in der äußeren Umfangsfläche 16 und niedrig in der zentralen Fläche 14.
  • 5A zeigt eine Verteilung einer Reaktionsmenge einer Teiloxidationsreformierung, die im Reformer 10 in dem Fall bewirkt wird, bei dem das Ausgangsmaterial reformiert wird, wobei die Verteilung der Konzentrationen des erzeugten Sauerstoffs und Wasserstoffs wie vorstehend beschrieben ist. 5B zeigt eine Verteilung einer Reaktionsmenge einer Dampfreformierung, die im Reformer 10 in dem Fall bewirkt wird, bei dem das Ausgangsmaterial reformiert wird, wobei die Verteilung der Konzentrationen des erzeugten Sauerstoffs und Wasserstoffs wie oben beschrieben ist. In jeder der 5A und 5B repräsentiert die Achse der Ordinate eine radiale Entfernung von dem Zentrum des Reformers, und die Achse der Abszisse stellt eine Reaktionsmenge dar. Wie in der ersten Ausführungsform werden die Verhältnisse so festgelegt, dass H2O/CH4 = 3 und O2/CH4 = 0,43. Des Weiteren zeigt 6 eine Temperaturverteilung im Reformer zum Zeitpunkt der Reaktion.
  • Wie in 5A gezeigt, läuft in der zentralen Fläche, die eine hohe Sauerstoff-Konzentration hat (in der Fläche unter einer abwechselnd langen und kurzen gestrichelten Linie in der Zeichnung), die Teiloxidationsreformierungsreaktion von Methan in aktiver Weise ab. Demgemäß, wie in 6 gezeigt, steigt die Temperatur der zentralen Fläche. Diese Reaktionswärme diffundiert zu der äußeren Umfangsfläche 16 durch einen Luftstrom, ausgeblasen aus der Luftausblasröhre 22. In der äußeren Umfangsfläche 16 wird diese Reaktionswärme verwendet, um die Dampfreformierungsreaktion des Methans zu fördern. Als Ergebnis, wie in 6 gezeigt, fällt die Temperatur in der äußeren Umfangsfläche, und die Temperatur in der Nähe der Außenwand 12 wird relativ niedrig beibehalten.
  • 7 zeigt eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Anders als die zweite Ausführungsform nimmt der Reformer der dritten Ausführungsform einen Aufbau an, in dem Methan zusammen mit Luft aus der Ausblasröhre 22 in den Reformer 10 zugeführt wird. Unter Einstellen des Verhältnisses O2/CH4 zwischen Sauerstoff und Methan, zugeführt aus der Ausblasröhre 22, auf etwa 0,5 wird der Fall (8A) beschrieben, bei dem die exotherme Teiloxidationsreformierungsreaktion in der zentralen Fläche bewirkt wird. Ebenso wird unter Einstellen des Verhältnisses O2/CH4 auf etwa 2,0 der Fall (9A) beschrieben, bei dem Methan vollständig in der zentralen Fläche verbrennt.
  • 8A zeigt eine Verteilung einer Reaktion der Teiloxidationsreformierung innerhalb des Reformers 10, wobei das Verhältnis O2/CH4 zwischen Sauerstoff und Methan, zugeführt aus der Ausblasröhre 22, auf etwa 0,5 festgelegt ist. 8B zeigt eine Verteilung einer Reaktion der Dampfreformierung innerhalb des Reformers 10, wobei das Verhältnis O2/CH4 auf etwa 0,5 festgelegt ist. Da in diesem Fall Luft zusammen mit Methan aus der Ausblasröhre 22 zugeführt wird, wie in 8A gezeigt, kann Sauerstoff mit Methan in einer Fläche in Kontakt kommen, die näher zum Zentrum des Reformers 10 ist. Somit wird die Fläche, wo die Teiloxidationsreformierungsreaktion hauptsächlich abläuft, das heißt die zentrale Fläche 14, verengt und wird näher beim Zentrum als die vorangehende Ausführungsform lokalisiert. Demgemäß ist die Hochtemperaturfläche auch näher zu dem Zentrum der Kammer begrenzt. Im Prozess der Diffusion zu der äußeren Umfangsfläche 16 wird diese Reaktionswärme in der Dampfreformierungsreaktion absorbiert, die in der äußeren Umfangsfläche 16 abläuft. Auf diese Weise wird die Temperatur in der Nähe der Außenwand-Fläche 16 relativ niedrig beibehalten. Da auf diese Weise die Hochtemperatur-Fläche auf eine engere zentrale Fläche begrenzt wird, ist es möglich, die Außenwand sogar noch besser davon abzuhalten, einer hohen Temperatur ausgesetzt zu sein.
  • In einem ähnlichen Aufbau zeigt 9A die Verteilung der Reaktion der Teiloxidation innerhalb des Reformers 10 in dem Fall, bei dem das Verhältnis O2/CH4 zwischen Methan und Sauerstoff auf etwa 2 festgelegt ist. 9B zeigt eine Verteilung der Reaktion der Dampfreformierung innerhalb des Reformers 10 in dem Fall, bei dem das Verhältnis O2/CH4 auf etwa 2 festgelegt ist. Methan und Sauerstoff werden in den Reformer 10 aus dem Ausblasrohr 22 zugeführt, so dass das Verhältnis O2/CH4 etwa gleich 2 wird. Unter einer solchen Bedingung, bei der ein Überfluss von Sauerstoff existiert, wie in 9A gezeigt, verbrennt Methan vollständig in der Nähe der zentralen Fläche 14. Die Reaktion zum Zeitpunkt der vollständigen Verbrennung von Methan wird dargestellt durch die unten gezeigte Formel (5). CH4 + 2O2 → 2H2O + CO2 (5)
  • Wenn in der vorstehend erwähnten Formel (5) Methan vollständig verbrannt ist, wird kein Wasserstoff hergestellt, sondern die Reaktionswärme, die größer ist als die der Teiloxidationsreaktion, wird stattdessen erzeugt. Diese Reaktionswärme wird verwendet, um die Dampfreformierungsreaktion auf der Seite der äußeren Umfangsfläche 16 durchzuführen, und die Dampfreformierungsreaktion wird gefördert. Des Weiteren wird CO2 hergestellt über vollständige Verbrennung von Methan, und das so produzierte CO2 wird auch verwendet, um die Reformierungsreaktion von Methan durchzuführen. Das heißt auf der Seite der äußeren Umfangsfläche läuft eine CO2-Reformierungsreaktion, dargestellt durch die unten gezeigte Formel (6), gleichzeitig mit der Dampfreformierungsreaktion ab. Diese CO2-Reformierungsreaktion ist ebenfalls eine endotherme Reaktion, und die Reaktion wird gefördert mit Hilfe der Reaktionswärme, die durch vollständige Verbrennung des Methans im Zentrum der Kammer erzeugt wurde. CH4 + CO2 → 2H2 + 2CO (6)
  • Auf diese Weise wird durch vollständige Verbrennung des Methans in der zentralen Fläche 14 eine Wärmequelle erzeugt. Diese Wärmemenge wird durch Absorption in der Dampfreformierungsreaktion verwendet, die in der äußeren Umfangsfläche 16 abläuft, so dass die Reformierung zu Wasserstoff gefördert wird. Zur gleichen Zeit bewirkt das durch vollständige Verbrennung des Methans erzeugte CO2 die CO2-Reformierungsreaktion des Methans. Somit kann im Reformer dieser Ausführungsform die Effizienz des Herstellens von Wasserstoff in der äußeren Umfangsfläche 16 erhöht werden.
  • Wie bislang beschrieben, ist die Reaktion in der zentralen Fläche 14 des Reformers nicht immer auf die Teiloxidationsreaktion des Methans begrenzt. Stattdessen kann die Reaktionswärme, die für die Dampfreformierungsreaktion erforderlich ist, erzeugt werden durch vollständige Verbrennung des Methans.
  • 10 zeigt einen Reformer 30 gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 10 gezeigt, ist in dieser Ausführungsform eine Ausblasröhre 35 so bereitgestellt, dass sie eine zentrale Fläche 34 des Reformers umgibt. Während Luft und Methan zu der Ausblasröhre 35 zugeführt werden, wird nur Dampf aus einem äußeren Umfangsteil eines Einlasses des Reformers 30 zu dem Inneren des Reformers 30 zugeführt.
  • 11A zeigt eine Verteilung der Reaktion der Teiloxidationsreformierung im Reformer 30, wobei das Verhältnis O2/CH4 zwischen Sauerstoff und Methan, ausgeblasen aus einer Ausblasröhre 35, auf etwa 0,43 festgelegt ist. Des Weiteren zeigt 11B eine Verteilung einer Reaktion der Dampfreformierung im Reformer 30, wobei das Verhältnis O2/CH4 auf etwa 0,43 festgelegt ist.
  • Wie in 11A gezeigt, wird in der zentralen Fläche 34 des Reformers 30 Methan einer Teiloxidationsreformierung durch Sauerstoff ausgesetzt, der zusammen mit dem Methan zugeführt worden ist. Auf diese Weise läuft die Teiloxidationsreaktion in der zentralen Fläche 34 ab. In einer äußeren Umfangsfläche 36 des Reformers 30 wird das Methan, das als unreformiert in der zentralen Fläche 34 verbleibt, aus der Ausblasröhre 35 zusammen mit der Reaktionswärme, erzeugt in der Teiloxidationsreformierung, zugeführt. Da Dampf zu der äußeren Umfangsfläche 36 zugeführt worden ist, wird die Dampfreformierung gefördert durch das auf diese Weise als Ausgangsmaterial zugeführte Methan und die Reaktionswärme. Die Dampfreformierungsreaktion ist eine endotherme Reaktion. Daher, wie in 12 gezeigt, fällt die Temperatur in der äußeren Umfangsfläche 36, und die Temperatur in der Nähe der Außenwand 32, die am Weitesten von der zentralen Fläche 34 lokalisiert ist, wird niedrig beibehalten.
  • 13 zeigt einen Reformer 40 gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der vorstehend erwähnten Ausführungsform wird die Dampfreformierung in der äußeren Umfangsfläche bewirkt, um eine Temperatur hiervon herabzusetzen. Allerdings, je entfernter eine Fläche von der zentralen Fläche lokalisiert ist, desto drastischer neigt die Effizienz der Dampfreformierung in dieser Fläche dazu, abzunehmen. Um eine solche Herabsetzung in der Effizienz der Dampfreformierungsreaktion in der Nähe der Außenwand zu kompensieren, wird Dampf zugeführt zu der Nähe der Außenwand, um einen Partialdruck des Dampfes an diesem Ort anzuheben. Auf diese Weise wird eine Dampfreformierung gefördert.
  • Weiter im Besonderen, wie in 13 gezeigt, ist der Reformer 40 ausgestattet mit einer inneren Röhre 45, hergestellt aus einem Material, das gegenüber Dampf und dergleichen durchlässig ist, entlang einer Außenwand 42. Eine Dampfzuführungsfläche 45a für das Zuführen von Dampf ist erzeugt zwischen der inneren Röhre 45 und der Außenwand 42.
  • Dementsprechend wird beinahe der gesamte Dampf zugeführt zu der Dampfzuführungsfläche 45a, wobei natürliches Gas als Ausgangsmaterial, Luft und der verbleibende Dampf zugeführt werden zu dem Inneren der inneren Röhre 45. Der zu der Dampfzuführungsfläche 45a zugeführte Dampf durchläuft die innere Röhre 45 wegen seines eigenen Druckes und fließt zu der zentralen Fläche 44. Demgemäß bildet der Partialdruck des Dampfes im Reformer 40 ein Verteilungsmuster, wie in 14 gezeigt. Das heißt der Partialdruck des Dampfes ist hoch in der äußeren Umfangsfläche 46 und niedrig in der zentralen Fläche 44.
  • Wenn die Reformierung des Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterials in einem solchen Zustand des Reformers 40 durchgeführt wird, wird das Rohmaterial zunächst in der zentralen Fläche 44 durch den Sauerstoff oxidiert, der zugeführt worden ist. Somit wird Wasserstoff hergestellt und Reaktionswärme wird erzeugt. Je entfernter eine Fläche von dem Zentrum der inneren Röhre 45 des Reformers 40 zu der Außenwand hin lokalisiert ist, desto niedriger wird die Konzentration des Sauerstoffs in dieser Fläche, und desto höher wird die Konzentration des Dampfes in dieser Fläche. Somit wird die Dampfreformierungsreaktion eher als die Teiloxidationsreaktion gefördert, und die Dampfreformierungsreaktion erzeugt Wasserstoff und absorbiert einen Teil der Wärme. Somit, je entfernter eine Fläche von dem Zentrum der inneren Röhre 45 des Reformers 40 zu der Außenwand hin lokalisiert ist, desto aktiver wird die Dampfreformierungsreaktion in dieser Fläche gefördert. Auf diese Weise neigt die Temperatur in der äußeren Umfangsfläche 46 dazu, zu fallen.
  • Wenn daher die Temperatur in der äußeren Umfangsfläche niedrig ist, nimmt die Effizienz der Dampfreformierungsreaktion ab. Allerdings, gemäß dem Reformer 40 der vorliegenden Erfindung, wird der Partialdruck des Dampfes in der äußeren Umfangsfläche hoch beibehalten. Auf diese Weise fördert dieser Partialdruck des Dampfes die Dampfreformierungsreaktion. Daher wird durch Erhöhen eines Partialdruckes des Dampfes unter Beibehalten der äußeren Umfangsfläche 46 bei einer geringen Temperatur die Dampfreformierungsreaktion gefördert, und die Effizienz beim Erzeugen von Wasserstoff kann verbessert werden.
  • Wie bislang beschrieben, wird gemäß der vorliegenden Erfindung die Menge des zugeführten Sauerstoffs von dem Zentrum zu der Außenwand im Innnenraum des Reformers hin verringert. Dagegen wird die Menge des zugeführten Dampfes von der inneren Oberfläche der Außenwand zu dem Zentrum im Innenraum des Reformers hin verringert. Auf diese Weise wird die Teiloxidationsreaktion in der zentralen Fläche durchgeführt, und die Dampfreformierung wird durchgeführt in der äußeren Umfangsfläche, die die zentrale Fläche umgibt. Auf diese Weise wird die Teiloxidationsreaktion, die eine exotherme Reaktion ist, in der zentralen Fläche durchgeführt, und die Dampfreformierungsreaktion, die eine endotherme Reaktion ist, wird in der äußeren Umfangsfläche durchgeführt. Als Konsequenz wird die in der zentralen Fläche erzeugte Reaktionswärme absorbiert als eine notwendige Wärmemenge in der Dampfreformierungsreaktion beim Diffundieren zu der inneren Umfangsfläche der Außenwand. Somit wird es möglich, die Temperatur der äußeren Umfangsfläche niedrig beizubehalten.
  • Demgemäß wird die Effizienz der Reformierungsreaktion verbessert durch Erzeugen eines geeigneten Verteilungsmusters der Temperatur innerhalb des Reformers ohne Verwenden eines teuren wärmebeständigen Materials für die Außenwand.
  • Während die zahlreichen Elemente der offenbarten Erfindung anhand von verschiedenen Kombinationen und Konfigurationen, die exemplarisch sind, aufgezeigt wurden, sind andere Kombinationen und Konfigurationen, die mehr, weniger oder nur ein einzelnes Element aufweisen, auch innerhalb des Geistes und Umfangs der vorliegenden Erfindung.
  • Eine Teiloxidationsreformierungsreaktion läuft ab im Zentrum einer Kammer im Reformer 10, während eine Dampfreformierungsreaktion in einer lokalisierten Weise um das Kammerzentrum abläuft. Auf diese Weise wird die Effizienz der Reformierungsreaktion verbessert, während eine Temperatur in der Nähe einer äußeren Kammer-Wand 12 niedrig beibehalten wird. Sauerstoff wird zugeführt aus einem Einlasszentrum des Reformers 10, um eine Konzentration des Sauerstoffs in einer zentralen Fläche 14 der Kammer zu vergrößern. Dampf wird zugeführt entlang einer Außenwand der Kammer, um eine Konzentration des Dampfes in einer äußeren Umfangsfläche 16 der Kammer zu vergrößern. Wenn ein Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterial in diesem Zustand reformiert wird, läuft eine Teiloxidationsreformierungsreaktion, die eine exotherme Reaktion ist, hauptsächlich in der zentralen Fläche 14 ab, während eine Dampfreformierungsreaktion, die eine endotherme Reaktion ist, dazu neigt, in der äußeren Umfangsfläche 16, die die zentrale Fläche 14 umgibt, abzulaufen. Auf diese Weise kann in der zentralen Fläche 14 die Teiloxidationsreformierung durch die erzeugte Reaktionswärme gefördert werden. In der äußeren Umfangsfläche 16 wird, wenn die in der zentralen Fläche 14 erzeugte Reaktionswärme diffundiert, die Reaktionswärme absorbiert, um die Effizienz der Dampfreformierungsreaktion unter niedrigem Beibehalten einer Temperatur in der Nähe der Außenwand 12 zu verbessern.
  • Eine Teiloxidationsreformierungsreaktion läuft ab bei dem Zentrum einer Kammer in einem Reformer (10), während eine Dampfreformierungsreaktion in einer lokalisierten Weise um das Kammer-Zentrum abläuft. Auf diese Weise wird die Effizienz der Reformierungsreaktion verbessert, während eine Temperatur in der Nähe einer äußeren Kammer-Wand (12) niedrig beibehalten wird. Sauerstoff wird zugeführt aus einem Einlass-Zentrum des Reformers (10), um eine Konzentration des Sauerstoffs in einer zentralen Fläche (14) der Kammer zu erhöhen. Dampf wird zugeführt entlang einer Außenwand der Kammer, um eine Konzentration des Dampfes in einer äußeren Umfangsfläche (16) der Kammer zu vergrößern. Wenn ein Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterial in diesem Zustand reformiert wird, ereignet sich eine Teiloxidationsreformierungsreaktion, die eine exotherme Reaktion ist, hauptsächlich in der zentralen Fläche (14), während sich eine Dampfreformierungsreaktion, die eine endotherme Reaktion ist, in der äußeren Umfangsfläche (16), die die zentrale Fläche (14) umgibt, ereignet. Somit kann in der zentralen Fläche (14) die Teiloxidationsreformierung gefördert werden durch erzeugte Reaktionswärme. In der äußeren Umfangsfläche (16) wird, wenn die in der zentralen Fläche (14) erzeugte Reaktionswärme diffundiert, die Reaktionswärme absorbiert, um die Effizienz der Dampfreformierungsreaktion zu verbessern, während eine Temperatur der Nähe der Außenwand (12) niedrig beibehalten wird.

Claims (9)

  1. Reformer (10), der einen durch eine Außenwand (12) definierten Innenraum aufweist, kombiniert eine Dampfreformierungsreaktion, in der ein Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterial zu Wasserstoff unter Verwendung von Dampf reformiert wird, mit einer Teiloxidationsreformierungsreaktion, in der ein Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterial zu Wasserstoff unter Verwendung von Sauerstoff reformiert wird, um das Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterial zu reformieren und einen Brennstoff, der Wasserstoff enthält, herzustellen, wobei der Reformer gekennzeichnet ist durch Aufweisen: einer Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterial-Zuführung, die ein Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterial in die Innenkammer zuführt; eines Sauerstoffzuführungsteils (11), der Sauerstoff in die Innenkammer zuführt, so dass eine Menge des Sauerstoffs ansteigt von der Nähe der inneren Oberfläche der Außenwand in der Innenkammer zu der Nähe des Zentrums der Innenkammer; eines Dampfzuführungsteils (13), der um den Sauerstoffzuführungsteil (11) installiert ist, der Dampf zuführt in die Innenkammer, so dass eine Menge des Dampfes ansteigt von einer Nähe eines Zentrums der Innenkammer zu einer Nähe einer inneren Oberfläche der Außenwand in der Innenkammer; und dadurch gekennzeichnet ist, dass die Teiloxidationsreformierungsreaktion hauptsächlich abläuft in einer zentralen Fläche (14), lokalisiert in der Nähe des Zentrums der Innenkammer, und die Dampfreformierungsreaktion hauptsächlich abläuft in einer äußeren Umfangsfläche (16), lokalisiert in der Nähe der inneren Oberfläche der Außenwand in der Innenkammer.
  2. Reformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: die Dampfzuführung (13) den Dampf zu der Nähe der inneren Oberfläche der Außenwand (12) zuführt; und die Sauerstoffzuführung (11) Sauerstoff zu der Nähe des Zentrums der Innenkammer zuführt.
  3. Reformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: die Sauerstoffzuführung (11) ein Ausblasrohr (22) aufweist, das sich in die zentrale Fläche (14) erstreckt und Sauerstoff über Ausblasen in die Nähe des Zentrums der Innenkammer zuführt; und der Sauerstoff zugeführt wird aus der Nähe des Zentrums der Innenkammer über Auslässe in dem Ausblasrohr (22) zu der inneren Oberfläche der Außenwand (12).
  4. Reformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: die Dampfzuführung (13) den Dampf mit einem hohen Partialdruck zu der Nähe der inneren Oberfläche der Außenwand (12) zuführt.
  5. Brennstoffreformierungsverfahren für das Durchführen, in einem Reformer mit einer Innenkammer, die durch eine Außenwand (12) definiert ist, einer Dampfreformierungsreaktion, in der ein Kohlenwasserstoff- Ausgangsmaterial zu Wasserstoff unter Verwendung von Dampf reformiert wird, und einer Teiloxidationsreformierungsreaktion, in der ein Kohlenwasserstoff-Ausgangsmaterial zu Wasserstoff unter Verwendung von Sauerstoff reformiert wird, wobei das Verfahren umfasst: ein Erhöhen einer Menge eines Dampfes in der Innenkammer von einer Nähe eines Zentrums der Innenkammer zu einer Nähe einer inneren Oberfläche der Außenwand (12); ein Erhöhen einer Menge des Sauerstoffs in der Innenkammer von der Nähe der inneren Oberfläche der Außenwand (12) zu der Nähe des Zentrums der Innenkammer; und ein Bewirken, dass die Teiloxidationsreformierungsreaktion hauptsächlich abläuft bei einer zentralen Fläche (14), lokalisiert in der Nähe des Zentrums der Innenkammer, und die Dampfreformierungsreaktion hauptsächlich abläuft bei einer äußeren Umfangsfläche (16), die in der Nähe der inneren Oberfläche der Außenwand (12) lokalisiert ist und die zentrale Fläche (14) umgibt.
  6. Brennstoffreformierungsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass: die Menge des Dampfes erhöht wird von der Nähe des Zentrums der Innenkammer zu der Nähe der inneren Oberfläche der Außenwand (12) durch Zuführen des Dampfes zu der Nähe der inneren Oberfläche der Außenwand (12) der Innenkammer; und die Menge des Sauerstoffs erhöht wird von der Nähe der inneren Oberfläche der Außenwand zu der Nähe des Zentrums der Innenkammer durch Zuführen des Sauerstoffs zu der Nähe des Zentrums der Innenkammer.
  7. Brennstoffreformierungsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass: ein Ausblasrohr (22) sich in die zentrale Fläche erstreckt und den Sauerstoff über ein Ausblasen in die Nähe des Zentrums der Innenkammer des Reformers zuführt; und der Sauerstoff zugeführt wird aus der Nähe des Zentrums der Innenkammer des Reformers über Auslässe im Ausblasrohr (22) zu der inneren Oberfläche der Außenwand.
  8. Brennstoffreformierungsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass: die Menge des Dampfes erhöht wird von der Nähe des Zentrums des Innenraums zu der Nähe der inneren Oberfläche der Außenwand durch Zuführen des Dampfes mit einem hohen Partialdruck zu der Nähe der inneren Oberfläche der Außenwand.
  9. Brennstoffzellensystem, umfassend: den Reformer (10) gemäß Anspruch 1; und eine Brennstoffzelle (1), die Elektrizität erzeugt unter Versorgung mit reformiertem Gas, hergestellt über die Reformierungsreaktionen, die im Reformer (10) ablaufen.
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