DE69830222T2 - Reformer und Methode zu dessen Betreiben - Google Patents

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Description

  • (1) Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Reformer zur Erzeugung von Wasserstoff, der zur Verwendung in der Industrie und in Fahrzeugen geeignet ist; einen katalytischen Reaktor; einen in Reformer verwendeten elektrisch heizbaren Katalysator oder katalytischen Reaktor; und ein Verfahren zum Betreiben des Reformers.
  • (2) Beschreibung der verwandten Gebiete
  • In den letzten Jahren wurde der Erzeugung von Strom ohne damit einhergehender Umweltverschmutzung vermehrt Aufmerksamkeit geschenkt, und das Interesse an Brennstoffzellen ist gewachsen. Brennstoffzellen weisen verschiedene Vorteile auf, wie etwa die hohe Effizienz in der Erzeugung von Strom, der Bildung von nur geringen Mengen an Kohlendioxid (CO2) und der im Wesentlichen nicht vonstatten gehenden Bildung von Schadstoffen, wie beispielsweise Kohlenmonoxid (CO), Stickoxide (NOx) und dergleichen. Deshalb sind in jüngster Zeit Forschungen und Entwicklungen im Bereich der Verwendung von Brennstoffzellen für Vor-Ort-Stromgeneratoren oder Kraftfahrzeuge im Gange. Bei der Stromerzeugung unter Verwendung von Brennstoffzellen wird hochreiner Wasserstoff benötigt. Dieser Wasserstoff wird erzeugt, indem ein Kohlenwasserstoff (z.B. Butan oder Propan), ein Alkohol (z.B. Methanol), CO oder dergleichen als Ausgangsmaterial verwendet und eine katalytische Reaktion durchgeführt wird.
  • Bei der obigen Wasserstofferzeugung ist die Dampfreformierung die Hauptreaktion, die in Gegenwart von Dampf und eines Katalysators stattfindet. Da die Dampfreformierung im Allgemeinen eine endotherme Reaktion ist – obwohl sie je nach verwendetem Ausgangsmaterial unterschiedlicht verläuft – ist es von Bedeutung, dass der Katalysator gleichmäßig auf eine gewünschte Temperatur erwärmt wird. Eine Abnahme der Reaktionstemperatur fördert die Bildung von Koks und die daraus resul tierende Deaktivierung des Katalysators; deshalb muss bei der industriellen Konzipierung des Reaktors mit großer Vorsicht vorgegangen werden.
  • Weiters ist die Reaktionsgeschwindigkeit der obgenannte Dampfreformierung im Unterschied zu einer Verbrennungsreaktion gering, weshalb ein relativ großes Katalysatorvolumen benötigt wird, wenn eine gegebene Menge eines Ausgangsmaterials bearbeitet wird. Außerdem arbeitet der Katalysator bei hohen Temperaturen, wodurch eine lange Aufwärmzeit des Katalysators notwendig ist. Dadurch ergaben sich bei der Verwendung der Dampfreformierung in einem Vor-Ort-Generator oder einem Kraftfahrzeug, bei denen Wasserstoff rasch erzeugt werden muss, Schwierigkeiten.
  • Bei herkömmlichen katalytischen Prozessen zur Erzeugung von Wasserstoff durch Dampfreformierung wurde der verwendete Katalysator im Allgemeinen extern beheizt. Wird ein Ausgangsmaterial über ein fixes Katalysatorbett laufen gelassen und ein relativ großes Reaktionsrohr verwendet, so ist es schwierig, die Wärme zur Mitte des Katalysatorbetts hin zu leiten. Deshalb wurde ein komplizierter Mechanismus eingesetzt, bei dem der Rohrreaktor durch die Verwendung eines Heizmediums, wie beispielsweise eines Metallbads, eines Verbrennungsabgases oder dergleichen, erwärmt wird.
  • Bei anderen herkömmlichen katalytischen Prozessen zur Erzeugung von Wasserstoff durch Dampfreformierung wurde der verwendete Katalysator durch die Einführung eines Verbrennungsabgases (das bei der Gasphasenreaktion oder der katalytischen Verbrennung entstanden ist) in das Reaktionsrohr und das Erwärmen des Katalysators durch die Wärme des Abgases beheizt. Dieses Verfahren ist nicht bevorzugt, da es die Strömungsmenge des Fluids erhöht und somit die Aktivität der gewünschten Reaktion mindert sowie mehr CO2 durch Verbrennung erzeugt.
  • In dem durch Dampfreformierung erzeugten Gas ist die Reinheit des Wasserstoffs nicht ausreichend, um in einer Brennstoffzelle verwendet zu werden, und das CO hat eine deaktivierende Wirkung auf die in der Brennstoffzelle verwendete Elektrode auf Pt-Basis. Deshalb werden eine CO-Konvertierungsreaktion (eine wässrige Umwand lungsreaktion) und eine selektive CO-Oxidationsreaktion durchgeführt, um den Reinheitsgrad des Wasserstoffs zu erhöhen. Es stellen sich jedoch technische Probleme hinsichtlich der Art des Erwärmens des darin verwendeten Katalysators, sodass dieser arbeitet, oder der Art, wie den Reaktionen ein stabiles Fortschreiten ermöglicht wird.
  • Unter den anderen Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff aus Kohlenwasserstoff und dergleichen gibt es ein Verfahren, das die Erzeugung von Wasserstoff und CO durch eine Teiloxidationsreaktion von Kohlenwasserstoff anstelle der obgenannten Dampfreformierung und die Durchführung der obgenannten CO-Konvertierungsreaktion und selektiven CO-Oxidationsreaktion umfasst, um Wasserstoff zu erhalten. Bei diesem Verfahren ist die Teiloxidationsreaktion des ersten Schritts eine exotherme Reaktion, bei der sich im Wesentlichen kein Problem bei der Wärmezufuhr stellt; da die Reaktionstemperatur aber im Allgemeinen höher als die der Dampfreformierung ist, bleiben bei der Verwendung des Verfahrens in Vor-Ort-Generatoren oder Kraftfahrzeugen die technischen Probleme hinsichtlich der Art, wie die Katalysatortemperatur aufrechterhalten wird und wie hochreiner Wasserstoff in kurzer Zeit erzeugt wird, ungelöst. Als weiteres Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff aus Kohlenwasserstoff und dergleichen gibt es ein Verfahren, das eine Zersetzungsreaktion einsetzt. Ein spezifisches Beispiel für diese Zersetzungsreaktion ist eine Zersetzungsreaktion zur Erzeugung von Wasserstoff aus Methanol. Bei dieser Reaktion handelt es sich um eine der Dampfreformierung ähnliche endotherme Reaktion, bei der sich die bereits oben aufgeführten Probleme stellen.
  • Auch in den Industrien, in denen Wasserstoff in großen Mengen verbraucht wird, beispielsweise bei der Ammoniaksynthese, der Hydrierung, der Wasserstoffentschwefelung und dergleichen, stellen sich zahlreiche noch zu lösende technische Schwierigkeiten, etwa hinsichtlich der Reaktionseffizienz, dem Betriebsstrom, des Zeitraums des Hochfahrens des Reaktors und der Umwandlung des Ausgangsmaterials.
  • Die JP-A 58219945 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur katalytischen Reformierung eines Kohlanwasserstoffs. Der Katalysator ist aus einem porösen, anorganischen, wärmebeständigen Material hergestellt und weist drahtähnliche elektrische Heizvorrichtungen auf, die in die Öffnungen des Katalysators eingeführt sind. Durch die Speisung der Heizvorrichtungen mit Strom wird der Katalysator gleichmäßig auf die Reformierungstemperatur erwärmt. Der Katalysator liegt in Form einer Wabenstruktur vor.
  • Die JP-A 5147903 offenbart einen Reformer, der mehrere hintereinander stattfindende Schritte umfasst: Entschwefelung,. Reformer und Kohlenmonoxidumwandler. Das System verfügt über zwei elektrische Heizvorrichtungen, in der Entschwefelungseinheit und im Kohlenmonoxidumwandler. Es wird ein Wasserstoffstrom mit niedriger Kohlenmonoxidkonzentration erhalten. Die Katalysatoren für die einzelnen Schritte sind unterschiedlich, da sie für die spezifische Reaktion ausgewählt werden.
  • Die EP-A 600621 offenbart einen mit einem Konvertierungsreaktor kombinierten Reformer. Im Mittelteil des Gehäuses wird Kohlenwasserstoff reformiert. In den den Reformatorteil umgebenden ringförmigen Teil wird das Synthesegas durch verschiedene CO-Konvertierungsbetten durchgeführt. Zum Hochfahren des Reaktors sind Startrohre, in denen ein Kraftstoff verbrannt wird, angeordnet.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Angesichts der oben aufgeführten Probleme des Stands der Technik zielt die vorliegende Erfindung auf die Bereitstellung eines Katalysators, der zur Erzeugung von hochreinem Wasserstoff in kurzer Zeit für Brennstoffzellen, die in der Industrie oder in Fahrzeugen verwendet werden, imstande ist; eines katalytischen Reaktors; einer darin verwendeten elektrisch heizbaren Katalysatoreinheit; und eines Verfahren zum Betreiben des Reformers ab.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist in einem Aspekt ein Reformer nach Anspruch 1 bereitgestellt.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist zudem in einem weiteren Aspekt ein Verfahren nach Anspruch 10 bereitgestellt.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist außerdem in einem anderen Aspekt ein Verfahren nach Anspruch 11 bereitgestellt.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine Ausführungsform des Reformers der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 2 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Wabenstruktur zeigt.
  • 3 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine andere Wabenstruktur zeigt.
  • 4 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel für die Anordnung einer Heizeinheit und einer Katalysatoreinheit im Reformer in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 5 ist eine schematische Ansicht, die ein weiteres Beispiel für die Anordnung einer Heizeinheit und einer Katalysatoreinheit im Reformer in einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 6 ist eine schematische Ansicht, die ein weiteres Beispiel für die Anordnung einer Heizeinheit und einer Katalysatoreinheit im Reformer in einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 7 ist eine schematische Ansicht, die ein weiteres Beispiel für die Anordnung einer Heizeinheit und einer Katalysatoreinheit im Reformer in einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 8 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel für den Reformer in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, der einen Wärmetauscher enthält.
  • 9 ist eine schematische Ansicht, die ein weiteres Beispiel für den Reformer in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, der einen Wärmetauscher enthält.
  • 10 ist eine schematische Querschnittsansicht, die einen Reformer zeigt, der nicht im Schutzumfang der vorliegenden Erfindung miteingeschlossen ist.
  • 11 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine weitere Ausführungsform eines Reformers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 12 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel der Struktur der im Reformer in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendeten Katalysatoreinheit zeigt.
  • 13 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel der Schlitze aufweisenden Struktur des Katalysators zeigt, der im Reformer in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
  • 14 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel für die Anordnung einer Katalysatoreinheit im Reformer in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 15 ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel für den Reformer in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, worin das Zentrum der Heizeinheit elektrisch geheizt wird.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Reformer bereitgestellt, der in kurzer Zeit Wasserstoff von hoher Reinheit in angemessenen Mengen herstellen und der als Wasserstoffgenerator für einen Vor-Ort-Generator oder für Kraftfahrzeuge verwendet werden kann.
  • Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind hier im Folgenden detailliert beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsformen eingeschränkt.
  • In der vorliegenden Erfindung wird als Ausgangsmaterial zum Erhalt von Wasserstoff ein Reaktionsfluid verwendet, das eine organische Verbindung, beispielsweise Kohlenwasserstoff (z.B. Butan oder Propan) oder Alkohol (z.B. Methanol) oder Kohlenmonoxid (CO), enthält. Im Hinblick des Transports in einer Flasche oder einem Rohr wird ein Kohlenwasserstoff bevorzugt. Im Hinblick der Handhabe beim Anbringen an ein Kraftfahrzeug wird ein Benzin oder ein Alkohol (z.B. Methanol), die Flüssigkeiten und einfach einzusetzen sind, bevorzugt. Das Ausgangsmaterial zum Erhalt von Wasserstoff ist jedoch nicht auf diese eingeschränkt. CO ist als Ausgangsmaterial nicht bevorzugt, da es sich hierbei um ein Giftgas handelt.
  • Bei der Hauptreaktion im Reformer der vorliegenden Erfindung handelt es sich um eine Dampfreformierungsreaktion, die in Gegenwart von Dampf stattfindet. Zudem wird das Stattfinden einer CO-Konvertierungsreaktion und einer selektiven CO-Oxidationsreaktion erlaubt, um CO (ein Nebenprodukt) zu reduzieren, damit hochreiner Wasserstoff erhalten und die Deaktivierung der Elektrode der Brennstoffzelle durch CO gemindert wird. Ein Beispiel für die stattfinden Reaktionen unter Verwendung von Butan als Ausgangsmaterial ist nachstehend angeführt.
    (1) C4H10 → 9H2O + 9H2 + 4 CO Dampfreformierungsreaktion
    (2) CO + H2O → CO2 + H2 CO-Konvertierungsreaktion
    (3) CO + 1/2O2 → CO2 selektive CO-Oxidationsreaktion
  • Wasserstoff kann auch durch die Verwendung einer Teiloxidationsreaktion anstelle der Dampfreformierungsreaktion erhalten werden.
    (4) C4H10+ 2O2 → 4CO + 5H2 Teiloxidationsreaktion
  • Nach der obigen Teiloxidationsreaktion wird das Fortschreiten der obigen Reaktionen (2) und (3) zugelassen, um den Reinheitsgrad des Wasserstoffs zu steigern. Das auf der Reaktion (1) basierende Verfahren zum Erhalt von Wasserstoff wird als "Dampfreformierungsverfahren" bezeichnet, während das auf der Reaktion (4) basierende Verfahren zum Erhalt von Wasserstoff als "Teiloxidationsverfahren" bezeichnet wird. Die vorliegende Erfindung ist auf jedes dieser Verfahren anwendbar. Der Einsatz des Dampfreformierungsverfahrens oder des Teiloxidationsverfahrens ist optional. Für die Verwendung in Brennstoffzellen in Fahrzeugen ist bei der Verwendung von Benzin als Ausgangsmaterial das Teiloxidationsverfahren von Bedeutung, wird hingegen ein Alkohol (z.B. Methanol) als Ausgangsmaterial verwendet, so ist das Dampfreformierungsverfahren von Interesse. Allgemein kann das Dampfreformierungsverfahren hochreinen Wasserstoff einfach bei niedrigen Temperaturen erzeugen und ist effizient.
  • Als Reaktion für die Erzeugung von Wasserstoff aus Methanol stehen die folgenden beiden Reaktionen zur Verfügung.
    (5) CH3OH → CO + H2 Zersetzungsreaktion (endotherm)
    (6) CH3OH + H2O → 3H2 + CO2 Dampfreformierungsreaktion (endotherm)
  • In diesen Reaktionen werden im Allgemeinen verschiedene Katalysatoren verwendet (die nachstehend beschriebenen Katalysatoren), und auch die Reaktionstemperaturen sind unterschiedlich. Die Reaktionen (1), (5) und (6) sind im Allgemeinen endotherm und benötigen Temperaturen von 500 °C oder höher. Die Reaktionen (2) und (3) sind exotherm und können bei relativ niedrigen Temperaturen von 300 °C oder weniger fortschreiten. Die Reaktion (4) ist exotherm und benötigt eine Temperatur von 500 °C oder mehr. Um hochreinen Wasserstoff zu erhalten, werden die Reaktionen (1) [oder (5) und (6)], (2) und (3) oder die Reaktionen (4), (2) und (3) mit jeweiligen Katalysatoren durchgeführt, die im Strömungsweg des Reaktionsfluids hintereinander angeordnet sind. Je nach benötigtem Reinheitsgrad des Wasserstoffs ist es möglich, nur die Reaktion (1) [oder (5) und (6)] oder die Reaktion (4) im Reformer durchzuführen, wird CO als Ausgangsmaterial eingesetzt, wird die Reaktion (2) und nach Bedarf die Reaktion (3) ausgeführt.
  • Im Folgenden wird eine detaillierte Beschreibung des Reformers, des katalytischen Reaktors, des darin verwendeten elektrisch heizbaren Katalysators und des Verfahrens zum Betrieb des Reformers, allesamt gemäß der vorliegenden Erfindung, abgegeben.
  • Eine Ausführungsform eines Reformers ist in 1 dargestellt.
  • In 1 sind eine Heizeinheit 10 und eine Katalysatoreinheit 11 in einem Metallgehäuse 12, das einen Strömungsweg für ein Reaktionsfluid bereitstellt, angeordnet und bilden einen Reformer. Die Heizeinheit 10 verfügt über Elektroden 13, und diese werden von einer externen Stromquelle, die in 1 nicht dargestellt ist, mit Elektrizität gespeist. Üblicherweise ist die Heizeinheit 10 stromaufwärts der Katalysatoreinheit 11 in Strömungsrichtung des Reaktionsfluids angeordnet. In der Heizeinheit 10 oder stromabwärts dieser ist ein Sensor 14 (einschließlich Thermoelement oder dergleichen) zur Steuerung der Heizeinheit 10 angeordnet. Ein Reaktionsfluid A wird von einem Einlass 15 aus in den Reformer eingeführt, tritt durch die Heizeinheit 10 und die Katalysatoreinheit 11 hindurch und erreicht den Auslass 16. Ein den erzeugten Wasserstoff enthaltendes Fluid B verlässt den Auslass 16 und wird zu einem Brennstoffzellenabschnitt transportiert, der stromabwärts des Reformers angeordnet ist.
  • Die im Strömungsweg des Reaktionsfluid angeordnete Heizeinheit 10 ist eine Wabenstruktur, die in der Strömungsrichtung des Reaktionsfluids A lineare Durchlässe aufweist, da ein hoher Wärmetransfer an das Reaktionsfluid und ein geringer Druckverlust vorliegt.
  • Die Katalysatoreinheit 11 enthält eine Vielzahl von Katalysatorkomponenten mit katalytischer Wirkung für die obgenannte Dampfreformierungsreaktion, Teiloxidationsreaktion oder Zersetzungsreaktion, CO-Konvertierungsreaktion, selektive CO-Oxidationsreaktion usw. Die selektive CO-Oxidationsreaktion dient der Reduktion von CO und ist nicht direkt in die Wasserstofferzeugung involviert; wird jedoch hochreiner Wasserstoff benötigt, ist diese Reaktion von großer Bedeutung und wird im Reformer vonstatten gehen gelassen, wobei der Katalysator für diese Reaktion in der Katalysatoreinheit 11 enthalten ist.
  • Die Heizeinheit 10 ist gegebenenfalls ein per se elektrisch heizbares Material; angesichts der Erwärmungseigenschaften und der Reaktionsbeschleunigung des Katalysators 11 während Kaltstarts und der Temperaturstabilisierung des Katalysators 11 während des stetigen Betriebszustands enthält die Heizeinheit 10 vorzugsweise zumindest eine der Katalysatorkomponenten mit katalytischer Wirkung für die obgenannte Dampfreformierungsreaktion, Teiloxidationsreaktion oder Zersetzungsreaktion, CO-Konvertierungsreaktion, selektive CO-Oxidationsreaktion usw. Die Gegenwart des Katalysators in der Heizeinheit 10 kann durch Mischen des/der Katalysator(en) mit dem elektrisch heizbaren Material erzielt werden, wird jedoch bevorzugt durch Beladen des elektrisch heizbaren Material mit dem/den Katalysator(en) erreicht. Angesichts der erwarteten Reaktionsaktivität wird insbesondere eine Heizeinheit bevorzugt, die durch Beladen des obgenannten porösen, schwammartigen Materials mit elektrischer Heizfähigkeit, insbesondere der obgenannten Wabenstruktur mit elektrischer Heizfähigkeit, mit dem/den Katalysator(en) erhalten wird.
  • Als Material für die Heizeinheit 10 kann ein gesintertes Material elektrischer Heizfähigkeit, beispielsweise Bariumtitanat (sogenanntes PTC, eine Substanz mit einem positiven Temperaturkoeffizienten), ein Carbid (z.B. SiC oder MoSi2), ein supraleiten des Oxid vom Typ Y oder Bi, ein Perowskit mit einem negativen Temperaturkoeffizienten, ein sauerstoffionenleitendes Material (z.B. ZrO2), ein Silicid, ein Borid, ein Nitrid oder ionenleitendes Glas, auch wenn es sich bei diesem um kein gesintertes Material handelt.
  • Als Material für die Heizeinheit 10 kann auch ein Metall mit elektrischer Heizfähigkeit, wie beispielsweise Fe-Cr-Al-Ferrit oder eine andere Legierung (z.B. Ni-Cr, Fe-Al, Fe-Cr oder Ni-Al) verwendet werden; oder es kann sich um ein Cermetmaterial, das ein Verbundmaterial aus einem der oben aufgeführten Metalle und einem wärmebeständigen Material ohne elektrische Heizfähigkeit (z.B. Aluminiumoxid) ist, handeln.
  • Die obgenannten Materialien für die Heizeinheit 10 können einzeln oder in Form von Verbundmaterialien aus zwei oder mehreren Stoffen oder gegebenenfalls auch als Verbundmaterial mit der/den Katalysatorkomponente(n) verwendet werden. Wichtig ist, dass die für die Heizeinheit 10 verwendeten Materialien elektrisch heizbar sind, sonst gibt es keine Einschränkung hinsichtlich der Materialart. Eine Legierung, wie beispielsweise Fe-Cr-Al, Fe-Al, Fe-Cr oder dergleichen, ist hinsichtlich der Kosten und der Einfachheit der Herstellung bevorzugt. Diese Legierungen sind bereits in handelsüblichen Katalysatoren für Kraftfahrzeuge in Verwendung und weisen verschiedene Vorteile auf, da sie eine ausgezeichnete Wärme- und Temperaturwechselbeständigkeit aufweisen und durch Walzen oder Sintermetallurgie einfach zu Wabenstrukturen verarbeitet werden können. Beispiele für diese Wabenstruktur sind beispielsweise in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Kokai Nr. 295184/1991 (2) und der nationalen Veröffentlichung der internationalen Patentanmeldung Nr. 500911/1991 (3) dargelegt.
  • Elektroden 13 sind an die Heizeinheit 10 angeschlossen, um die Heizeinheit 10 elektrisch zu versorgen, und werden von einer externen Stromquelle mit Elektrizität gespeist. Ist der vorliegende Reformer in einem Fahrzeug eingebaut, so kann die Stromquelle eine Batterie, eine Drehstromlichtmaschine, ein Kondensator oder dergleichen sein. In der Heizeinheit 10 muss der Widerstand je nach zugeführtem Strom, verwendeter Spannung usw. eingestellt werden. Es gibt keine Einschränkun gen hinsichtlich der Einstellung des Widerstands; ist die Heizeinheit 10 aber eine Wabenstruktur, so kann die Einstellung durch das Ausbilden von Schlitzen oder Spalten in dieser durchgeführt werden, wie in der in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Kokai Nr. 295184/1991 und der nationalen Veröffentlichung der internationalen Patentanmeldung Nr. 500911/1991 dargestellt ist.
  • Die Katalysatoreinheit 11 wird in Form von Kügelchen, Pellets, Körnern, Waben oder einer Platte verwendet. Kügelchen oder dergleichen werden hinsichtlich der Fluidmischbarkeit und der thermischen Leitfähigkeit bevorzugt verwendet. Da jedoch (1) die Katalysatoreinheit 11 in Kombination mit der Heizeinheit 10 verwendet wird, wodurch (2) das Reaktionsfluid im Strömungsweg des Fluids vorteilhaft erwärmt wird, und (3) die Wärme des erwärmten Fluids in erster Linie durch Konvektion an die Katalysatoreinheit 11 übertragen werden kann, ist hinsichtlich des hohen Druckabfalls und der hohen mechanischen Festigkeit die Verwendung einer Wabenstruktur von der Form einer Wabe oder einer Platte bevorzugt. Wabenstruktur bezieht sich auf eine Struktur mit Durchlässen (Zellen), die von im Wesentlichen gleichmäßigen Trennwänden umgeben sind, und umfasst einen Plattenkatalysator.
  • Wird die Katalysatoreinheit 11 in der Form einer Wabenstruktur verwendet, so kann die Wabenstruktur aus einer oder mehreren Katalysatorkomponenten per se hergestellt sein oder kann durch Beladen einer Wabenstruktur, die aus einem inerten Material, wie beispielsweise Cordiert, Mullit oder dergleichen, mit einer oder mehreren Katalysatorkomponenten erhalten werden.
  • Der Katalysator 11 wird ausgebildet, indem üblicherweise hintereinander ein Katalysator für die Dampfreformierungsreaktion, die Teiloxidationsreaktion oder die Zersetzungsreaktion, ein Katalysator für die CO-Konvertierungsreaktion und ein Katalysator für die selektive CO-Oxidationsreaktion angeordnet werden. Wenn die Katalysatoreinheit 11 als Wabenstruktur ausgebildet wird, kann diese durch Beladen verschiedener Bereiche einer einzigen Wabenstruktur mit den jeweiligen Katalysatoren erhalten werden; da jedoch jeder Katalysator eine andere Betriebstemperatur aufweist, wird die Anordnung einer Vielzahl von Katalysatoreinheiten, die jeweils einen ande ren Katalysator enthalten, im Reformer bevorzugt. So können ein Wärmetauscher zur Wärmerückgewinnung und ein oder mehrere Löcher zur Einführung von Hilfssauerstoff, der zur selektiven CO-Oxidationsreaktion benötigt wird, leichter bereitgestellt werden.
  • Was nun die Anordnung der Heizeinheit 10 im Verhältnis zur Katalysatoreinheit 11, wie in 4 dargestellt ist, betrifft, so ist die Heizeinheit 10 stromaufwärts einer Vielzahl von Katalysatoreinheiten 11, d.h. einer ersten Katalysatoreinheit 11a, einer zweiten Katalysatoreinheit 11b und einer dritten Katalysatoreinheit 11c, angeordnet. Dadurch kann die Katalysatoreinheit 11 als Ganze verbesserte Aufwärmeigenschaften an den Tag legen. Wie 5 zu entnehmen ist, ist auch eine andere Ausführungsform möglich, in der die Heizeinheit 10 in eine Vielzahl von Heizeinheiten 10a uns 10b unterteilt ist, wobei die Heizeinheit 10a am weitestem stromaufwärts und die Heizeinheit 10b zwischen einer ersten Katalysatoreinheit 11a und einer zweiten Katalysatoreinheit 11b angeordnet ist. In diesem Fall sorgt die Heizeinheit 10b für die Aufwärmeigenschaften und für eine temperaturstabilisierende Wirkung der zweiten Katalysatoreinheit 11b. Wie in Fig. dargestellt ist, ist es außerdem möglich, eine Heizeinheit 10b und eine Heizeinheit 10c zwischen einer ersten Katalysatoreinheit 11a und einer zweiten Katalysatoreinheit 11b bzw. zwischen der zweiten Katalysatoreinheit 11b und der dritten Katalysatoreinheit 11c anzuordnen. Wie in 7 gezeigt ist, ist eine weitere Ausführungsform möglich, in der eine Heizeinheit 10c am weitesten stromabwärts angeordnet ist. In diesem Fall ist es nicht notwendig, eine Katalysatoreinheit 11c stromabwärts der Heizeinheit 10c anzuordnen, wenn die Heizeinheit 10c einen Katalysator für die selektive CO-Oxidationsreaktion enthält. Somit ist die Anzahl dieser Einheiten (Heizeinheit 10 und Katalysatoreinheit 11) optional, und wenn die Heizeinheit 10 Katalysatoren für die Dampfreformierungsreaktion oder die Teiloxidationsreaktion, die CO-Konvertierungsreaktion und die selektive CO-Oxidationsreaktion enthält, ist eine Kombination aus einer Heizeinheit 10a, einer Katalysatoreinheit 11 und einer Heizeinheit 10b möglich.
  • Typischerweise belaufen sich die Reaktionstemperaturen der Dampfreformierungsreaktion, der Teiloxidationsreaktion oder der Zersetzungsreaktion, der CO-Konvertie rungsreaktion und der selektiven CO-Oxidationsreaktion auf 500 °C oder mehr, auf 200 bis 300 °C bzw. auf 100 bis 200 °C. Deshalb ist es angesichts der Temperaturunterschiede zwischen den beiden Reaktionen bevorzugt, zwischen der Katalysatoreinheit für die Dampfreformierungsreaktion, Teiloxidationsreaktion oder Zersetzungsreaktion und der Katalysatoreinheit für die CO-Konvertierungsreaktion einen Wärmetauscher 17 anzuordnen, wie in den 8 und 9 dargestellt ist, um für eine Wärmerückgewinnung zu sorgen. Die rückgewonnen Wärme wird dann zum Erwärmen des Reaktionsfluids A und der Katalysatoreinheit 11 eingesetzt.
  • In der in 8 gezeigten Ausführungsform ist ein Wärmetauscher 17 zwischen einer ersten Katalysatoreinheit 11a und einer zweiten Katalysatoreinheit 11b angeordnet; ein Reaktionsfluid A nimmt Wärme vom Wärmetauscher 17 auf, wird von einem Verdampfer 18 erwärmt und in ein Gehäuse 12 eingeführt. Nebenbei ist es auch möglich, das Reaktionsfluid A am Verdampfer zu erwärmen und dann einem Wärmeaustausch zu unterziehen.
  • Die Art des Wärmetauschers 17 unterliegt keiner Einschränkung, es kann ein röhrenförmiger Wärmetauscher, ein plattenförmiger Wärmetauscher und dergleichen verwendet werden.
  • So wie in 8 ist auch in 9 ein Wärmetauscher 17 zwischen einer ersten Katalysatoreinheit 11a und einer zweiten Katalysatoreinheit 11b angeordnet. In diesem Fall ist das einen Wärmeaustausch erfahrende Fluid nicht auf ein Reaktionsfluid eingeschränkt, sondern kann ein Heizmedium sein. Nach dem Erwärmen ist es bevorzugt, das Fluid zur stromaufwärts gelegenen Seite eines Gehäuses zu führen, an der die Wärme benötigt wird, kann aber auch zur stromabwärts gelegenen Seite geleitet werden.
  • Nun wird eine weitere Ausführungsform beschrieben. Diese Ausführungsform betrifft einen Reformer, der im Strömungsweg eines Reaktionsfluids bereitgestellt ist und eine zur Erzeugung von Wasserstoff aus einem Reaktionsfluid, das eine organische Verbindung oder Kohlenmonoxid umfasst, durch Katalyse fähige Katalysatoreinheit umfasst, worin zumindest ein Teil der Katalysatoreinheit so ausgebildet ist, dass er elektrisch heizbar ist. Eine Ausführungsform des Reformers ist in 11 dargestellt. 10 zeigt eine Ausführungsform, die außerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegt.
  • Eine Katalysatoreinheit 20 ist in einem Metallgehäuse 21 untergebracht. Die Katalysatoreinheit 20 verfügt über Elektroden 22 zur Beaufschlagung selbiger mit Energie und wird bei dieser Energiebeaufschlagung teilweise oder zur Gänze erwärmt. Die Katalysatoreinheit 20 aus 10 wird bei der Beaufschlagung mit Energie zur Gänze erwärmt, die Katalysatoreinheit 20 aus 11 wird bei der Beaufschlagung mit Energie teilweise erwärmt. Während also in den 1 bis 9 eine Heizeinheit 10 und ein Katalysator 11 in einem Gehäuse 12 untergebracht sind, wird in dieser Ausführungsform die Katalysatoreinheit 20 an sich erwärmt, wenn sie mit Energie beaufschlagt wird; diese Ausführungsform erzielt dieselben wesentliche Effekte wie die oben beschriebenen Ausführungsformen. Auch sind die externe Stromquelle, der Sensor zur Temperaturregelung, der Strömungsweg des Reaktionsfluids usw. der zweiten Erfindung dieselben wie in den oben beschriebenen Ausführungsformen.
  • In dieser Ausführungsform ist die Form der Katalysatoreinheit 20 dieselbe wie die der Heizeinheit 10 in den oben beschriebenen Ausführungsformen; da sie im Gehäuse 21 untergebracht ist und mit Energie beaufschlagt wird, besteht die Katalysatoreinheit 20 jedoch vorzugsweise aus einem porösen Material mit einer Porosität von 50 % oder mehr, angesichts der starken Wärmeleitung und dem niedrigen Druckverlust vorzugsweise aus einer Wabenstruktur. Die Wabenstruktur kann eine Wabenstruktur, wie sie in 12 gezeigt ist, umfassen, die durch Anordnen eines elektrisch heizbaren Kernmaterials 23, das aus einer gelochten Metallplatte oder einem maschenartigen Material hergestellt ist, in der Mitte der Katalysatoreinheit 20 und anschließendes Formen des erhaltenen Materials zu einem wabenähnlichen oder plattenförmigen Modul erhalten wird.
  • Wird eine poröse Katalysatoreinheit 20 verwendet, so wird diese insbesondere durch die Verwendung desselben elektrisch heizbaren Material, das auch in der Heizeinheit 10 der oben beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, als poröses Basismaterial und Beladen dieses Basismaterials mit Katalysatoren für die Dampfreformierungsreaktion, die Teiloxidationsreaktion oder Zersetzungsreaktion, CO-Konvertierungsreaktion und die selektive CO-Oxidationsreaktion erhalten. Die Katalysatoreinheit 20 ist jedoch wie bei den oben beschriebenen Ausführungsformen nicht darauf eingeschränkt.
  • Im Hinblick auf die Kosten und die Einfachheit der Herstellung sowie der Beladung mit den gewünschten Katalysatoren ist das bevorzugteste Beispiel für die Katalysatoreinheit 20 eine Katalysatoreinheit, die durch die Verwendung einer aus einer Legierung (z.B. Fe-Cr-Al, Fe-Al oder Fe-Cr) hergestellten Wabenstruktur als Basismaterial erhalten wurde. Das wirksame Erwärmen des Teils oder des gesamten Abschnitts der Wabenstruktur hängt von der Art und Weise ab, in der der Widerstand der Wabenstruktur angepasst wird.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der Katalysatoreinheit 20 ist in 13 dargestellt. Eine Vielzahl von Schlitzen 26 ist um den Fluideinlass 25 einer Katalysatoreinheit 20, die aus einer Wabenstruktur besteht, ausgebildet, um einen elektrischen Stromkreis zu bilden. Im stromabwärts gelegenen Abschnitt der Katalysatoreinheit 20 ist ein Schlitz 27 so ausgebildet, dass der Schlitz 27 senkrecht zur Richtung der um den Fluideinlass 25 herum ausgebildeten Schlitze 26 steht. Elektroden 13 sind um den Fluideinlass 25 herum an der Katalysatoreinheit 20 angebracht. Dadurch ist entlang der Schlitze 26 ein Zickzackweg für den elektrischen Strom gebildet, was das ausschließliche elektrische Heizen der Katalysatoreinheit 20 rund um den Fluideinlass 25 ermöglicht. Durch das Ausbilden von Schlitzen oder Spalten, sodass ein Teil der Katalysatoreinheit 20 erwärmt werden kann, verleiht der Katalysatoreinheit 20 die gewünschte Wärmeerzeugungseigenschaft.
  • Dasselbe Verfahren, das oben eingesetzt wird, kann auch dann verwendet werden, wenn der gesamte Abschnitt der Katalysatoreinheit 20 elektrisch geheizt wird. Auch ist es beim Reformer dieser Ausführungsform möglich, eine Vielzahl von elektrisch heizbaren Katalysatoreinheiten 20 im Strömungsweg des Fluids bereitzustellen, wo bei die Widerstände der einzelnen Katalysatoreinheiten unterschiedlich gemacht werden, wodurch es möglich wird, die gesamten Katalysatoreinheiten eine einheitliche Temperatur zur erwärmen; oder es kann eine elektrisch heizbare Katalysatoreinheit für jede der Reaktionen der Dampfreformierung, der Teiloxidation oder Zersetzung, der CO-Konvertierung und der selektiven Oxidation hergestellt werden, die mit elektrischer Energie beaufschlagt werden, sodass jede Katalysatoreinheit ihre gewünschte Temperatur erreichen kann; oder es kann auch jeder einzelne der Vielzahl der elektrisch heizbaren Katalysatoren anders mit elektrischer Energie beaufschlagt werden (zeitliche Dauer, elektrische Leistung, Zeitpunkt). So kann die Effizienz der Wasserstofferzeugung erhöht werden. Nebenbei erwähnt wird dieses Verfahren auch auf die Heizeinheit der ersten Erfindung angewendet.
  • Auch wenn eine Vielzahl von elektrisch heizbaren Katalysatoreinheiten eingesetzt wird, ist in Unterschied zu den oben beschriebenen. Ausführungsformen jede dieser vorzugsweise aus einem elektrisch heizbaren Material und einem Katalysator hergestellt, wodurch leicht eine hohe Wärmekonversionseffizienz und eine gleichmäßige Temperaturverteilung erzielt werden können; es ist nicht notwendig, den gesamten Abschnitt (große Kapazität) der Katalysatoreinheit zu erwärmen; es ist bevorzugt, die Teilerwärmung einzusetzen oder, falls notwendig, die oben beschriebenen Ausführungsformen und die vorliegende Ausführungsform zu kombinieren.
  • Wird eine Vielzahl von elektrisch heizbaren Katalysatoreinheiten 20a; 20b und 20c in einem Reformer angeordnet, so können diese unabhängig elektrisch heizbar sein, wie in 14 dargestellt ist, oder sie können reihengeschaltet, parallelgeschaltet oder in einer Kombination aus diesen geschaltet sein.
  • Wird eine elektrisch heizbare Katalysatoreinheit teilweise erwärmt, ist es möglich die stromaufwärts gelegene Seite, die stromabwärts gelegene Seite oder die Mitte der Katalysatoreinheit zu heizen. Jedoch ist die Erwärmung der stromaufwärts gelegenen Seite bevorzugt, um die Aufwärmeigenschaften der Katalysatoreinheit zu verbessern. Auch besteht die Möglichkeit, die Katalysatoreinheit so zu erwärmen, dass es zu einer Temperaturverteilung in radialer Richtung der Katalysatoreinheit kommt.
  • Bei der Katalysatoreinheit für die Dampfreformierung ist eine Katalysatoreinheit bevorzugt, dessen Mitte stärker als der Umfangsabschnitt erwärmt werden kann, da die Mitte der Katalysatoreinheit (in der die Geschwindigkeit des Reaktionsfluids am höchsten ist) aufgrund der Reaktion des Fluids die stärkste Temperatursenkung verursacht. Dieses Konzept, dass die "Mitte stärker als der Umfangsabschnitt erwärmt werden kann", wird auch auf die Heizeinheit 10 des Reformers der in 15 dargestellten ersten Erfindung angewendet, die stromaufwärts einer Katalysatoreinheit 11 angeordnet ist.
  • Aufgrund des Unterschieds in der Reaktionstemperatur zwischen (1) der Dampfreformierungsreaktion, der Teiloxidationsreaktion oder Zersetzungsreaktion, (2) der CO-Konvertierungsreaktion und (3) der selektiven CO-Oxidationsreaktion ist es bevorzugt, im Reformer eine Vielzahl von Katalysatoreinheiten anzuordnen. Weiters ist es möglich, (a) einen Wärmetauscher stromabwärts des Katalysators für die Dampfreformierungsreaktion, die Teiloxidationsreaktion oder Zersetzungsreaktion zur Wärmerückgewinnung und zur Erwärmung des Reaktionsfluids und des/der Katalysators/-en und je nach Notwendigkeit (b) einen Einlass für Sauerstoff (eigentlich Luft) stromaufwärts der Katalysatoreinheit für die selektive CO-Oxidationsreaktion bereitzustellen.
  • Im obigen Abschnitt wurden die Reformer nach den Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Nun wird eine detaillierte Beschreibung einer elektrisch heizbaren Katalysatoreinheit abgegeben.
  • Oben wurden bereits die Einzelheiten hinsichtlich des als Heizeinheit 10 verwendeten heizbaren Materials beschrieben. Dasselbe Material kann auch als elektrisch heizbares Material in einer Katalysatoreinheit verwendet werden. Die elektrisch heizbare Katalysatoreinheit enthält einen Katalysator zur Erzeugung von Wasserstoff und weist Poren auf, die die Diffusion eines Reaktionsfluids durch diese hindurch ermöglichen.
  • Die elektrisch heizbare Katalysatoreinheit besteht somit aus einer porösen Struktur (oder einer Struktur mit Durchlässen), deren Porosität (oder offener Stirnbereich) vorzugsweise 50–95 % beträgt. Eine Porosität (oder ein offener Stirnbereich) von unter 50 % kann einen erhöhten Druckabfall herbeiführen, während eine Porosität (oder ein offener Stirnbereich) von über 95 % eine verringerte Festigkeit der Struktur mit sich bringt.
  • Ein bevorzugte Ausführungsform der porösen Struktur der elektrisch heizbaren Katalysatoreinheit mit Durchlässen ist eine Wabenstruktur mit linearen Durchlässen in der Strömungsrichtung des Reaktionsfluids. Die Wabenstruktur ist so ausgebildet, dass sie ein elektrisch heizbares Material und einen Katalysator zur Erzeugung von Wasserstoff umfasst. Die Art, in der das elektrisch heizbare Material in der Wabenstruktur enthalten ist, wurde zuvor in Bezug auf die Heizeinheit der vorangegangenen Ausführungsformen beschrieben. Das elektrisch heizbare Material ist vorzugsweise ein Metall mit hoher Wärmeleitfähigkeit. Als bevorzugtes Beispiel für ein solches Metall kann aufgrund seiner hohen Wärmebeständigkeit ein Metall vom Ferrittyp angeführt werden. Beispielsweise kann ein Ferrit vom Typ Fe-Cr-Al verwendet werden, in dem der Cr-Gehalt 10 bis 40 Gew.-% und der Al-Gehalt 3 bis 15 Gew.-% ausmacht. Vorzugsweise ist dem Metall eine kleine Menge eines Elements vom Lanthantyp, Si, Y oder dergleichen, zugesetzt, um die Wärmebeständigkeit des Metalls anzuheben. Es ist bevorzugt, das Basismaterial der metallischen Wabenstruktur mit einem Katalysator zur Erzeugung von Wasserstoff zu beladen.
  • Das Basismaterial der Wabenstruktur kann an sich porös sein oder auch, wie ein gerolltes Folienmetall, nicht porös sein. Beträgt die Reaktionstemperatur 900 °C oder weniger und ist der wirkende Temperaturwechsel nicht zu stark, wird ein poröses Material bevorzugt, da dieses eine geringe Wärmekapazität aufweist und eine Ablösung zwischen dem Basismaterial und dem darauf aufgeladene Katalysator, die sich in Folge des Unterschieds in ihrer Wärmeausdehnung ergibt, verhindert werden kann. Es kann jedoch auch ein nicht poröses Material verwendet werden. Die Porosität des Basismaterials beträgt vorzugsweise 5 bis 40 %.
  • Von einem anderen Blickwinkel aus betrachtet kann als bevorzugte Ausführungsform die Verwendung eines Substrats angeführt werden, indem eine gelochte, gerollte Folie mit einem Isoliermaterial oder einem Spalt zwischen den Wicklungen gewickelt wird, um ein elektrisch heizbares Basismaterial zu bilden, und mit einem Katalysator zur Erzeugung von Wasserstoff beladen wird. Ein Reaktionsfluid strömt durch die parallel zur Strömungsrichtung gegenwärtigen Durchlässe der Wabenstruktur und diffundiert weiter durch die Löcher der Folie in die radiale Richtung der Wabenstruktur. Deshalb wird bei der Verwendung als Katalysatoreinheit insbesondere für eine endotherme Reaktion (z.B. Dampfreformierungsreaktion) diese Wabenstruktur als wirksam erachtet, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung zu erzielen. Eine derartige Wabenstruktur zeigt auch dann eine beeindruckende Wirkung, wenn sie als gewöhnliche Wabenstruktur, die nicht erwärmt wird, eingesetzt wird.
  • Die die elektrisch heizbare Katalysatoreinheit bildende Wabenstruktur der dritten Erfindung weist Durchlässe mit einem äquivalenten Durchmesser von vorzugsweise 0,5 bis 10 mm auf. Ein äquivalenter Durchmesser von weniger als 0,5 mm führt leicht zu einem verstärkten Druckverlust, während ein äquivalenter Kreisdurchmesser von mehr als 10 mm eine Reduktion der Reaktionsaktivität mit sich bringt. Die Anzahl der Zellen der Wabenstruktur beträgt vorzugsweise 4 bis 1.500 Zellen pro Quadratzoll und wird im Hinblick auf den Druckabfall und die Reaktionsaktivität passend bestimmt.
  • Als Katalysator zur Erzeugung von Wasserstoff aus einem eine organische Verbindung oder CO enthaltenden Reaktionsfluid kann vorzugsweise der folgende Katalysator verwendet werden; d.h. ein Katalysator, der als Hauptkomponenten ein Oxid und zumindest eine aus den Metallelementen der Gruppen VB bis VIII, IB und IIB des Langperiodensystems ausgewählte Metallart umfasst.
  • Was das für die Dampfreformierungsreaktion, die Teiloxidationsreaktion oder Zersetzungsreaktion wirksame Metallelement betrifft, wird die Verwendung eines Metalls der Gruppe VIII als wesentliches Metallelement bevorzugt. Bevorzugte Metallelemente sind Ni, Rh, Ru, Ir, Pd, Pt, Co und Fe, und diese können einzeln oder kombiniert verwendet werden. Es ist bevorzugt, diesen als Promotor V oder Nb der Gruppe VB; Cr, Mn oder W der Gruppe VIB; Mn oder Re der Gruppe VIIB; oder dergleichen zuzusetzen. Auch kann ein Erdalkalimetall zur Verhinderung der Karbonisation zugesetzt werden. Diese Metalle werden auf gewöhnliche Weise auf ein wärmebeständiges Oxid geladen, wodurch der erhaltene Katalysator eine erhöhte spezifische Oberfläche, eine verstärkte Aktivität und Beständigkeit gegenüber der Reaktionstemperatur aufweisen kann.
  • Als wärmebeständiges Oxid kann Al2O3, SiO2, TiO2, ZrO2, MgO, Zeolith, SAPO, ALPO, eine Schichtstrukturverbindung oder eine Oxidverbindung aus diesen verwendet werden. Von diesen Oxiden wird eines mit einer spezifischen Oberfläche von gewöhnlicherweise 5 bis 300 m2/g verwendet. Das wärmebeständige Oxid und die obgenannten Metallkomponenten werden durch gewöhnliche Mittel wie etwa ein chemisches Verfahren (z.B. Eintauchen, Mitfällung oder Solgel), physikalisches Mischen oder dergleichen zu einem gleichförmigen Gemisch verarbeitet. Das gleichförmige Gemisch muss ebenfalls eine spezifische Oberfläche von gewöhnlicherweise 5 bis 300 m2/g aufweisen. Eine spezifische Oberfläche, die kleiner als 5 m2/g ist, kann zu einer geminderten Aktivität führen, während eine spezifische Oberfläche, die größer als 300 m2/g ist, bei hohen Temperaturen eine deutliche Änderung der Eigenschaften und somit eine Reduktion der Haltbarkeit herbeiführen kann. Der obgenannte Bereich der spezifischen Oberfläche betrifft alle in Folge noch erwähnten Katalysatoren.
  • Als wärmebeständiges Oxid kann Aluminiumoxid Al2O3 bevorzugt verwendet werden, da es relativ kostengünstig ist und selbst bei hohen Temperaturen eine große spezifische Oberfläche aufweist. Es kann auch Spinell, der durch das Zusetzen von Magnesiumoxid zu Aluminiumoxid erhalten wird, oder Magnesiumoxid (das den Grundträger bildet) allein oder in einer Oxidverbindung verwendet werden, um die Karbonisierung zu verhindern.
  • Der Anteil des dem wärmebeständigen Oxid zugesetzten Katalysatormetall beträgt vorzugsweise 1 bis 30 Gew.-%. Ist das Katalysatormetall ein Edelmetall, so ist der Zusatz von etwa 10 Gew.-% ausreichend, da das Edelmetall eine starke Aktivität aufweist. Ist das Katalysatormetall ein unedles Metall, so ist der Zusatz von 10 bis 30 Gew.-% bevorzugt.
  • Als zur CO-Konvertierungsreaktion geeigneter Katalysator werden häufig Fe oder CO der Gruppe VIII, Cu der Gruppe IB, Zn der Gruppe IIB oder dergleichen verwendet. Die in der vorliegenden Erfindung spezifizierten Metallelemente weisen eine recht hohe Aktivität für die CO-Konvertierungsreaktion auf. Da die Metalle, die bei relativ niedrigen Temperaturen eine Aktivität zeigen, Cu, Zn oder beide umfassen, kann das Beladen des obgenannten wärmebeständigen Oxids (z.B. Aluminiumoxid) mit einem solchen Metall oder einer solchen Metallkombination eine hohe Wärmebeständigkeit gewährleisten. Zu diesem Zeitpunkt beträgt die Menge des dem wärmebeständigen Oxid zugesetzten Metalls vorzugsweise 10 bis 50 Gew.-%. Wird die CO-Konvertierungsreaktion bei relativ hohen Temperaturen durchgeführt, kann auch Spinell (z.B. Fe-Cr) allein verwendet werden.
  • Als ein für die selektive CO-Oxidationsreaktion geeigneter Katalysator können Metalle wie etwa Mn der Gruppe VII, Co und Edelmetalle der Gruppe VIII, Cu, Ag und Au der Gruppe IB und dergleichen angeführt werden. Diese können auf herkömmliche Weise verwendet werden, indem das obgenannte wärmebeständige Oxid mit diesen beladen wird. Der Katalysator muss den erzeugten Wasserstoff nicht notwendigerweise oxidieren, und Pt oder ähnliches mit einer starken Wechselwirkung mit CO kann verwendet werden. Ein Hopcalitkatalysator ist ebenfalls ein bevorzugter Katalysator..
  • Werden nun diese Katalysatoren im Filmzustand auf das Basismaterial der Wabenstruktur geladen, so beträgt die Dicke dieses Films vorzugsweise 5 bis 100 μm. Eine Filmdicke unter 5 μm führt zu niedrigerer Aktivität, eine Filmdicke über 100 μm hingegen zu einem höheren Druckabfall.
  • Wie oben beschrieben wurde ist es ausreichend, dass zumindest ein Teil der elektrisch heizbaren Katalysatoreinheit heizbar ist. Die elektrisch heizbare Katalysatoreinheit ist, wenn sie für eine endotherme Reaktion verwendet wird, vorzugsweise so aufgebaut, dass nur die Mitte oder nur der Bereich um den Fluideinlass der Katalysatoreinheit elektrisch erwärmt werden, da die Mitte (wo das Reaktionsfluid in einer größeren Menge vorbeiströmt) und der Bereich um den Fluideinlass (wo die Konzentration des Reaktionsfluids hoch ist) die größte Temperatursenkung verursachen.
  • Die elektrisch heizbare Katalysatoreinheit kann pro Einheit ein Volumen von im Allgemeinen 30 bis 1.000 cm3 aufweisen, und das Gesamtvolumen der elektrisch heizbaren Abschnitts der Katalysatoreinheit beträgt vorzugsweise 300 cm3 oder weniger. Der Grund hierfür liegt darin, dass die Katalysatoreinheit eine sehr große Wärmekapazität aufweist und zum Heizen sehr große Energie braucht, und wenn das Gesamtvolumen nun kleiner als 300 cm3 ist, so ist die wärmeleitende Fläche der Katalysatoreinheit groß genug, um den nicht heizbaren Abschnitt des Katalysators ebenfalls zu erwärmen.
  • Die elektrisch heizbare Katalysatoreinheit kann jede gewünschte Querschnittsform aufweisen, die aus einem Kreis (üblicherweise mit einem Durchmesser von etwa 50 bis 200 mm), einem Quadrat, einer Ellipse und dergleichen ausgewählt ist. Bei der Verwendung in einem Wasserstofferzeuger kann eine Vielzahl von elektrisch heizbaren Katalysatoreinheiten kombiniert in einem Gehäuse verwendet werden.
  • Bei der elektrisch heizbare Katalysatoreinheit kann die Form der Durchlässe der Wabenstruktur eine beliebige aus einem Kreis, einem Quadrat, einem Vieleck, einer Wellenform oder dergleichen sein.
  • Die elektrisch heizbaren Katalysatoreinheit der dritten Erfindung enthält einen Katalysator zur Erzeugung von Wasserstoff.
  • Nun wird das Betriebsverfahren des Reformers unter Bezugnahme auf die 6 und 14 beschrieben.
  • In 6 sind in einem Strömungsweg eines Fluids (einem Gehäuse 12) eine erste Heizeinheit 10a, eine erste Katalysatoreinheit 11a, eine zweite Heizeinheit 10b, eine zweite Katalysatoreinheit 11b, eine dritte Heizeinheit 10c und eine dritte Katalysatoreinheit 11c bereitgestellt. Die erste Heizeinheit 10a und die erste Katalysatoreinheit 11a verfügen über katalytische Aktivität für eine beliebige Reaktion aus Dampfreformierung, Teiloxidation und Zersetzung; die zweite Heizeinheit 10b und die zweite Katalysatoreinheit 11b verfügen über katalytische Aktivität für die CO-Konvertierungsreaktion; und die dritte Heizeinheit 10c und die dritte Katalysatoreinheit 11c verfügen über katalytische Aktivität für die selektive CO-Oxidationsreaktion. Die Heizeinheiten 10a, 10b und 10c können von einer externen Stromquelle mit Elektrizität gespeist werden. Stromabwärts der Heizeinheiten 10a, 10b und 10c und der Katalysatoreinheiten 11a, 11b und 11c sind Temperatursensoren (Thermoelemente) 14a, 14b, 14c, 14d, 14e und 14f bereitgestellt. Je nach Notwendigkeit ist ein Wärmetauscher 17 stromabwärts der ersten Katalysatoreinheit 11a angeordnet und wird, im Falle von 6, zum Vorerwärmen eines Reaktionsfluids verwendet.
  • In einem Betriebsverfahren wird zunächst mit der Energiebeaufschlagung begonnen. In einer Ausführungsform des Betriebsmodus wird die elektrische Energiebeaufschlagung so lange vorgenommen, bis die Heizeinheit 10 die gewünschte Temperatur erreicht hat, vorzugsweise bis die erste Heizeinheit 10a die zur Dampfreformierungsreaktion, Teiloxidationsreaktion oder Zersetzungsreaktion benötigte Temperatur erreicht hat. Die zur Dampfreformierungsreaktion, Teiloxidationsreaktion oder Zersetzungsreaktion benötigte Temperatur liegt bei 500 °C oder höher, vorzugsweise 600 °C oder höher, und elektrische Energie wird so lange zugeführt, bis diese Temperatur erreicht ist. Es kann die Temperatur der ersten Heizeinheit 10a an sich gemessen werden, oder die Temperatur wird auf der Grundlage der vorbestimmten zeitlichen Dauer der Beaufschlagung mit Energie reguliert. Wurde die gewünschte Temperatur erreicht, wird ein Reaktionsfluid strömen gelassen. Das Reaktionsfluid wird vorzugsweise auf eine Temperatur von 500 °C oder höher erhitzt. Auch wenn die Temperatur des Reaktionsfluids unter 500 °C liegt, lässt die (durchgehende oder intermittierende) elektrische Energiebeaufschlagung der ersten Heizeinheit 10a das Fortschreiten der Dampfreformierungsreaktion, Teiloxidationsreaktion oder Zersetzungsreaktion zu. Die erste Katalysatoreinheit 11a stromabwärts der ersten Heizeinheit 10a wird durch das Fluid, das die erste Heizeinheit 10a durchströmt hat, erwärmt und aufgeheizt; in der Folge kann die elektrische Energiebeaufschlagung der ersten Heizeinheit 10a abgeschwächt oder gestoppt werden.
  • Auf ähnliche Weise wird die zweite Heizeinheit 10b gleichzeitig mit der ersten Heizeinheit 10a mit elektrischer Energie beaufschlagt und auf eine Temperatur von 300 °C oder höher erwärmt, wonach sie in diesem Zustand auf die Einführung des Reaktionsfluids wartet. Während dieser Wartephase kann die Energiebeaufschlagung der zweiten Heizeinheit 10b fortgesetzt oder gestoppt werden. Die dritte Heizeinheit 10c wird demselben Verfahren wie die zweite Heizeinheit 10b unterzogen, mit der Ausnahme, dass die dritte Heizeinheit 10c mit elektrischer Energie beaufschlagt und auf eine Temperatur von 150 °C oder höher erwärmt wird.
  • Somit kann mit der Erzeugung von Wasserstoff auf vorteilhafte Weise und innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums begonnen werden. Eine angemessene Dauer der elektrischen Energiebeaufschlagung beträgt 60 Sekunden, und das Reaktionsfluid kann spätestens vor dem Ablauf dieses Zeitraums strömen gelassen werden.
  • 14 zeigt einen Reformer gemäß einer weiteren Ausführungsform, in der eine erste Katalysatoreinheit 20a, eine zweite Katalysatoreinheit 20b und eine dritte Katalysatoreinheit 20c, die alle elektrisch heizbar sind, in dieser Reihenfolge angeordnet sind.
  • Deshalb werden in einem weiteren Betriebsverfahren die Katalysatoreinheiten 20a, 20b und 20c anstelle der Energiebeaufschlagung und Erwärmung der Heizeinheit im vorangegangenen Verfahren mit Energie beaufschlagt und erwärmt. Dieses Betriebsverfahren entspricht im Großen und Ganzen dem oben beschriebenen. Deshalb werden nachstehend Betriebsmodi unter Verwendung eines Reformers beschrieben, bei denen eine Katalysatoreinheit und eine Heizeinheit separat angeordnet sind.
  • Anhand des Reformers aus 6 wird ein anderer Betriebsmodus beschrieben. Bei diesem wird mit der Energiebeaufschlagung der Heizeinheit begonnen und gleichzeitig ein Inertgas, Luft oder dergleichen strömen gelassen. Wird ein sauerstoffhälti ges Gas (z.B. Luft) in einer katalytischen Dampfreformierungsreaktion eingesetzt, ist Vorsicht geboten, da das Gas den in der Reaktion verwendeten Katalysator oxidiert. Die in der Heizeinheit 10 erzeugte Wärme wird dem Inertgas zugeführt; die vom Inertgas aufgenommene Wärme erwärmt den Katalysator 11, der stromabwärts der Heizeinheit 10 angeordnet ist. Haben zumindest die erste Heizeinheit 10a, vorzugsweise aber die erste Heizeinheit 10a und die erste Katalysatoreinheit 11a ihre entsprechenden Betriebstemperaturen erreicht, wird ein Reaktionsfluid strömen gelassen. Zu diesem Zeitpunkt ist es bevorzugt, dass die zweite und die dritte Heizeinheit 10b und 10c und die zweite und die dritte Katalysatoreinheit 11b und 11c ihre entsprechenden Betriebstemperaturen aufweisen. Die zeitliche Dauer der Energiebeaufschlagung beträgt nicht mehr als 120 Sekunden; die Aufwärmeigenschaften sind im Vergleich zum herkömmlichen Stand der Technik sehr hoch; zudem wird die Katalysatoreinheit 11 vorgewärmt; deshalb ist die Reaktionsaktivität bei diesem Betriebsmodus sehr hoch und kann eine relativ große Menge eines Reaktionsfluids handhaben.
  • In einem weiteren Betriebsverfahren wird ein Reaktionsfluid relativ rasch, beispielsweise 10 Sekunden nach dem Beginn der Energiebeaufschlagung der Heizeinheit 10, strömen gelassen. Die Strömungsrate des Reaktionsfluids wird vorzugsweise in einem solchen Maße geregelt, dass die katalytische Reaktion an der ersten Heizeinheit 10a ausreichend fortschreitet; die Strömungsrate wird mit den Temperaturanstiegen der stromabwärts gelegenen Katalysatoreinheiten und Heizeinheiten angehoben; und ein stetiger Betriebszustand wird erreicht. Mit diesem Modus kann der Betrieb sehr rasch begonnen werden, und sogar im Extremfall, wenn die Energiebeaufschlagung und das Strömen des Reaktionsfluids gleichzeitig einsetzen, ist ein zufriedenstellender Betrieb möglich. In diesem Fall ist es notwendig, das Reaktionsfluid zum Zeitpunkt der anfänglichen Einführung auf zumindest 500 °C, vorzugsweise zumindest 700 °C, zu erwärmen.
  • Bei einem weiteren Betriebsmodus wird damit begonnen, die Heizeinheit 10 mit Energie zu beaufschlagen, und wenn die dritte Heizeinheit 10c den Temperaturbereich für die vollständigen Oxidationsreaktion einer organischen Verbindung (eines Ausgangsmaterials), der über dem Temperaturbereich für die selektive CO-Oxidationsreaktion liegt, d.h. einen Temperaturbereich von 300 °C oder mehr, erreicht hat, wird ein Reaktionsfluid strömen gelassen. Ein Teil der organischen Verbindung erreicht die dritte Heizeinheit 10c in einem nicht umgesetzten Zustand, wird aber, während die erste und die zweite Heizeinheit 10a und 10b und die erste und die zweite Katalysatoreinheit 11a und 11b nicht ausreichend arbeiten, verbrannt und aus dem System ausgestoßen. Sobald oder auch schon bevor die erste und die zweite Heizeinheit 10a und 10b und die erste und die zweite Katalysatoreinheit 11a und 11b damit begonnen haben, ausreichend zu arbeiten, wird die elektrische Energiebeaufschlagung der dritten Heizeinheit 10c abgeschwächt oder gestoppt; die Temperatur der dritten Heizeinheit 10c wird auf dem Temperaturbereich für die selektive CO-Oxidationsreaktion abgesenkt; daraufhin wird der stetige Betriebszustand gehalten. Auch in diesem Betriebsmodus kann das Reaktionsfluid schon sehr bald nach dem Beginn der Energiebeaufschlagung oder gleichzeitig mit dem Beginn der Energiebeaufschlagung strömen gelassen werden. Auch kann das während des Hochfahrens des Reformers entstandene Abgas als Heizquelle für die Brennstoffzelle verwendet oder über den Wärmetauscher einer Wärmerückgewinnung zugeführt werden.
  • Wie oben beschrieben wurde können die Aufwärmeigenschaften eines Reformers durch die Verwendung einer Heizeinheit oder einer elektrisch heizbaren Katalysatoreinheit verbessert werden. Die obgenannten Betriebsmodi können einzeln oder in Kombination verwendet werden, oder, als weitere Option, können eine Heizeinheit und eine elektrisch heizbare Katalysatoreinheit kombiniert eingesetzt werden.
  • Nun wird unter Bezugnahme auf 6 eine weitere Beschreibung abgegeben.
  • Das Verfahren zum Betreiben des vorliegenden Reformers bis zu dem Zeitpunkt, zu dem die Katalysatoreinheit 11 erwärmt wird, wurde geoffenbart. Um nun die Reaktion des Reformers auch dann vorteilhaft fortzusetzen, wenn die Katalysatoreinheit 11 den Betriebstemperaturbereich erreicht hat, wird das folgende Verfahren angewendet.
  • Nachdem die erste Heizeinheit 10a und die erste Katalysatoreinheit 11a den Temperaturbereich der geplanten Dampfreformierungsreaktion erreicht haben, nehmen im Verlauf der Zeit die Temperaturen der ersten Heizeinheit 10a und der ersten Katalysatoreinheit 11a ab, da die Dampfreformierungsreaktion im Allgemeinen eine endotherme Reaktion ist. Um das stabile Fortschreiten der Reaktion zu gewährleisten, wird deshalb die erste Heizeinheit 10a kontinuierlich oder intermittierend mit elektrischer Energie beaufschlagt und erwärmt, um die Temperatur der ersten Heizeinheit 10a und der stromabwärts angeordneten ersten Katalysatoreinheit 11a zu stabilisieren. Die Stromspeisung kann konstant gehalten oder in Abhängigkeit der Temperaturen der ersten Heizeinheit 10a und der ersten Katalysatoreinheit 11a variiert werden.
  • Die zweite und die dritte Heizeinheit 10b und 10c werden ebenfalls je nach Bedarf mit Energie beaufschlagt, da die an der ersten Heizeinheit 10a und der ersten Katalysatoreinheit 11a stattfindende endotherme Reaktion die Temperatur des Fluids senkt, wodurch die Temperaturen der zweiten und der dritten Heizeinheit 10b und 10c und der zweiten und der dritten Katalysatoreinheit 11b und 11c auf dieselbe Weise angehoben werden, die bei der Energiebeaufschlagung und der Erwärmung der ersten Heizeinheit 10a eingesetzt wird. Wurden die Temperaturen der ersten Heizeinheit 10a und der ersten Katalysatoreinheit 11a durch die Beaufschlagung der ersten Heizeinheit 10a mit elektrischer Energie stabilisiert, ist eine Beaufschlagung der zweiten und der dritten Heizeinheit 10b und 10c nicht mehr notwendig.
  • Wie oben beschrieben wurde, tritt bei der Durchführung einer endothermen Reaktion die stärkste Temperatursenkung an der Mitte der Heizeinheit oder der Katalysatoreinheit, durch die ein Fluid in einer größeren Menge hindurchtritt, und rund um den Fluideinlass, an dem das Fluid eine hohe Konzentration aufweist, auf. Es ist deshalb bevorzugt, dass die Heizeinheit so konstruiert ist, dass nur der mittlere Teil mit Energie beaufschlagt wird, und dass die elektrisch heizbare Katalysatoreinheit so konstruiert ist, dass sie nur um den Einlass herum mit Energie beaufschlagt werden kann. Diese Teilbeaufschlagungen mit elektrischer Energie können auch passend kombiniert werden.
  • Falls die erste Katalysatoreinheit 11a der Teiloxidationsreaktion (exotherme Reaktion) dient, ist beim stetigen Betrieb des Reformers kein Beheizen notwendig. Ist der vorliegende Reformer hingegen in einem Kraftfahrzeug untergebracht, so wird der Reformer gegebenenfalls je nach Geschwindigkeit des Fahrzeugs gekühlt, und wenn der Reformer in einer Vor-Ort-Anwendung eingesetzt wird, so kann die Reaktion Eigenschwingungen verursachen und die Katalysatortemperatur periodisch schwanken; deshalb ist es bevorzugt, die Beaufschlagung mit Energie zur Stabilisierung der Temperaturen der Heizeinheit 10 und der Katalysatoreinheit 11 durchzuführen, um ein stabiles Fortschreiten der Reaktion zuzulassen.
  • Die Temperaturmessungen der Heizeinheit, der Katalysatoreinheit und des Reaktionsfluids werden an den gewünschten Stellen vorgenommen und die erhaltenen Daten von einem Rechner verarbeitet. Durch die Verwendung eines der obigen Betriebsverfahren oder einer angemessenen Kombination dieser, kann Wasserstoff auf vorteilhafte Weise erzeugt werden.
  • Nun wird das Verfahren zum Betreiben des vorliegenden Reformers beschrieben, wenn er in einem Kraftfahrzeug untergebracht ist.
  • Beim Starten eines Fahrzeugs wird zunächst der Motor unter Verwendung der Batterie angetrieben. Gleichzeitig wird die Energiebeaufschlagung der Heizeinheit oder der elektrisch heizbaren Katalysatoreinheit des Reformers durch die Batterie gestartet. Weiters wird ein Reaktionsfluid, beispielsweise ein Benzin oder Methanol, ebenfalls durch die Batterie verdampft und in den Reformer eingeführt. Gemäß dem Betriebsverfahren der vorliegenden Erfindung wird der Reformer aufgewärmt und die Erzeugung von Wasserstoff begonnen. Nebenbei erwähnt kann auch eine Stromquelle, beispielsweise ein Kondensator oder dergleichen, wirksam zum Erwärmen des Reformers verwendet werden. Nach dem Erwärmen des Reformers wird der Generator in Betrieb genommen; die dadurch erhaltene elektrische Energie wird nicht nur zum Laden der Batterie verwendet, sondern auch direkt vom Generator über einen Transformator an die Heizeinheit und die elektrisch heizbare Katalysatoreinheit übertragen, um den Reformer stabil zu betreiben.
  • Nach der CO-Konvertierungsreaktion beträgt die CO-Konzentration etwa 10.000 ppm und wird durch die selektive Oxidationsreaktion im Allgemeinen auf 10 ppm oder weniger gesenkt. Im Hinblick auf das Gleichgewicht der Reaktion ist bei der Wasserstofferzeugung eine Entfernung des Wasserstoffs aus dem Reaktionssystem von Vorteil; deshalb ist eine Kombination des vorliegenden Reformers mit einer wasserstoffdurchlässigen Membran eine bevorzugte Anwendung des vorliegenden Reformers.
  • In diesem Fall ist die Verwendung einer Heizeinheit, die aus einer Wabenstruktur beseht, als Heizeinheit zum Vorwärmen des Reaktionsfluids (diese Heizeinheit muss nicht mit einem Katalysator beladen werden) bevorzugt, da die Heizvorrichtung eine hohe Effizienz des Wärmeaustauschs und einen Effekt der Führung von Gasen aufweist.
  • Oben wurden die Verfahren zum Betreiben von Reformern beschrieben.
  • Wie oben beschrieben wurde, ermöglicht der Reformer der vorliegenden Erfindung die Erzeugung von hochreinem Wasserstoff für Industrie- oder Kraftfahrzeuganwendungen innerhalb eines kurzen Zeitraums.
  • Weiters kann die Reaktionstemperatur mit dem katalytischen Reaktor der vorliegenden Erfindung, der zur Einleitung von endothermen Reaktion fähig ist, auf vorteilhafte Weise aufrechterhalten werden.

Claims (11)

  1. Reformer zur Erzeugung von Wasserstoff aus einem Reaktionsfluid, das eine organische Verbindung oder Kohlenmonoxid enthält, wobei der Reformer ein Metallgehäuse (12, 21) mit einem Einlass (15) und einem Auslass (16) für ein Reaktionsfluid, ein elektrisch heizbares Heizelement (10, 10a) und eine Vielzahl an Katalysatorelementen (11a, 11b, 11c, 20a, 20b, 20c) umfasst, wobei die Heiz- und Katalysatorelemente im Gehäuse auf einem Strömungsweg des Reaktionsfluids hintereinander, das Heizelement stromaufwärts der Katalysatorelemente, angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl an Katalysatorelementen entsprechende Katalysatoren umfasst, wobei sich jeder Katalysator von dem oder den anderen Katalysator(en) unterscheidet und jeder Katalysator einer aus einem Dampfreformierungsreaktionskatalysator, einem Teiloxidationsreaktionskatalysator, einem Zersetzungsreaktionskatalysator, einem CO-Konvertierungskatalysator oder einem Katalysator zur selektiven Oxidation von CO ist, und das Heizelement eine Wabenstruktur mit darin ausgebildeten Schlitzen oder Spalten (26) zur Steuerung des Widerstands des Heizelements umfasst.
  2. Reformer nach Anspruch 1, worin ein Sensor (14, 14a) zur Steuerung des Heizelements entweder im Heizelement oder stromabwärts desselben eingebaut ist.
  3. Reformer nach Anspruch 1 oder 2, worin das Heizelement aus elektrisch heizbarem Material, das entweder ein gesintertes Material, ein Metallmaterial oder ein Verbundmaterial aus einem gesinterten Material und einem Metallmaterial ist, gebildet ist.
  4. Reformer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin das Heizelement einen Katalysator umfasst.
  5. Reformer nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit drei Katalysatorelementen.
  6. Reformer nach Anspruch 5, worin der Reformer ein zweites Heizelement (10b) umfasst, das stromabwärts des ersten Katalysatorelements angeordnet ist.
  7. Reformer nach Anspruch 5 oder 6 mit zumindest einem Wärmetauscher (17) zwischen dem ersten Katalysatorelement und dem zweiten Katalysatorelement.
  8. Reformer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, worin zumindest eines der Katalysatorelemente einen Katalysator zur Durchführung einer Dampfreformierungsreaktion, einer Teiloxidationsreaktion oder einer Zersetzungsreaktion umfasst und das andere der Katalysatorelemente einen Katalysator zur Durchführung einer CO-Konvertierung oder einer selektiven CO-Oxidationsreaktion umfasst.
  9. Reformer nach Anspruch 5, worin das erste Katalysatorelement einen Katalysator zur Durchführung einer Dampfreformierungsreaktion, einer Teiloxidationsreaktion oder einer Zersetzungsreaktion umfasst, wobei das zweite Katalysatorelement einen Katalysator zur Durchführung einer CO-Konvertierung umfasst; und das dritte Katalysatorelement einen Katalysator zur Durchführung einer selektiven CO-Oxidationsreaktion umfasst.
  10. Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff, in dem ein Reaktionsfluid durch einen Reformer nach einem der Ansprüche 1 bis 9 laufen gelassen wird, wobei eine Dampfreformierungsreaktion, eine Teiloxidationsreaktion oder eine Zersetzungsreaktion an zumindest einem der Katalysatorelemente durchgeführt wird und das Heizelement zum Erwärmen des Reaktionsfluids während der Hochfahrzeit des Reformers eingesetzt wird.
  11. Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff, in dem ein Reaktionsfluid durch einen Reformer nach einem der Ansprüche 1 bis 9 laufen gelassen wird, wobei eine endotherme Dampfreformierungsreaktion oder eine endotherme Zersetzungsreaktion an zumindest einem der Katalysatorelemente durchgeführt wird, und wobei das Heizelement zum Erwärmen des Reaktionsfluids eingesetzt wird, um die bei der endothermen Reaktion verbrauchte Energie zu kompensieren.
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