REFORMER UND VERFAHREN ZUM UMSETZEN VON BRENNSTOFF UND OXIDATIONSMITTEL ZUREFORMERS AND METHOD FOR THE IMPLEMENTATION OF FUEL AND OXIDIZING AGENT
GASFÖRMIGEM REFORMATGASIFIC REFORMAT
5 Die Erfindung bezieht sich auf Reformer zum Umsetzen von Brennstoff und Oxidationsmittel zu gasförmigem Reformat, umfassend eine Oxidationszone, eine Verdampfungszone und eine Zone zur katalytischen H2-Erzeugung, wobei der Oxida- tionszone ein gasförmiges Gemisch aus Brennstoff und Oxida-The invention relates to reformers for converting fuel and oxidant into gaseous reformate, comprising an oxidation zone, an evaporation zone and a zone for catalytic H 2 generation, wherein the oxidation zone comprises a gaseous mixture of fuel and oxidant.
10 tionsmittel zur Oxidation unter Erzeugung oxidationsmittel- haltigen Abgases zuführbar ist, wobei der Verdampfungszone Brennstoff und ein Verdampfergas zur Erzeugung eines brenn- stoffhaltigen Verdampfergasgemischs zuführbar ist und wobei der Zone zur katalytischen H2-Erzeugung ein zündfähiges,The evaporation zone fuel and an evaporator gas for producing a fuel-containing evaporator gas mixture can be fed and wherein the zone for the catalytic H 2 generation an ignitable,
15 verdampften Brennstoff und oxidationsmittelhaltiges Abgas enthaltendes Reformationsgasgemisch zur Erzeugung des gasförmigen Reformats zuführbar ist .15 vaporized fuel and oxidant-containing exhaust gas containing reforming gas mixture to produce the gaseous reformate can be fed.
Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein Verfahren zum Um- 20 setzen von Brennstoff und Oxidationsmittel zu gasförmigem Reformat, wobei in einer Oxidationszone ein mit einem gasförmigen Oxidationsmittel gemischter Brennstoff unter Erzeugung eines oxidationstnittelhaltigen Abgases oxidiert wird, wobei in einer Verdampfungszone Brennstoff mit einem 25 Verdampfergas zu einem brennstoffhaltigen Verdampfergasgemisch verdampft wird und wobei in einer Zone zur katalytischen H2-Ξrzeugung ein verdampften Brennstoff und oxidationsmittelhaltiges Abgas enthaltendes Reformationsgasgemisch zur Erzeugung des gasförmigen Reformats reformiert wird. 30The invention further relates to a process for converting fuel and oxidant to gaseous reformate wherein, in an oxidation zone, a fuel mixed with a gaseous oxidant is oxidized to produce an oxidation-containing exhaust gas, wherein in an evaporation zone, fuel with a vaporizing gas is added a fuel-containing evaporator gas mixture is evaporated and wherein in a zone for the catalytic H 2 generation a vaporized fuel and oxidant-containing exhaust gas containing reforming gas mixture is reformed to produce the gaseous reformate. 30
Gattungsgemäße Reformer und gattungsgemäße Verfahren, wie sie bekannt sind aus der DE 103 59 205 Al, haben zahlreiche Anwendungsbereiche, insbesondere dienen sie dazu, einer
Brennstoffzelle ein wasserstoffreiches Gasgemisch zuzuführen, aus dem dann auf der Grundlage elektrochemischer Vorgänge elektrische Energie erzeugt werden kann. Derartige Brennstoffzellen kommen beispielsweise im Kraftfahrzeugbe- reich als Zusatzenergiequellen, so genannte APUs ("Auxilia- ry Power Units") zum Einsatz.Generic reformer and generic method, as they are known from DE 103 59 205 Al, have numerous applications, in particular they serve a Fuel cell to supply a hydrogen-rich gas mixture from which then based on electrochemical processes electrical energy can be generated. Such fuel cells are used, for example, in the automotive sector as additional energy sources, so-called APUs ("Auxiliary Power Units").
Das bekannte Verfahren stellt einen im Wesentlichen dreistufigen Prozess dar. In einer ersten Stufe wird einer Oxi- dationszone kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff, z.B. Diesel, zugeführt und in einer exothermen Reaktion oxidiert, d.h. verbrannt. Dabei entsteht ein typischerweise 800 bis 10000C heißes Abgas, das bei hinreichender anfänglicher Sauerstoffkonzentration der Verbrennungsluft noch immer 0- xidationsmittel, d.h. typischerweise Sauerstoff enthält.The known method represents an essentially three-stage process. In a first stage, an oxidation zone is fed with hydrocarbon-containing fuel, eg diesel, and oxidized in an exothermic reaction, ie burned. This produces a typically 800 to 1000 0 hot exhaust gas, which still contains 0 xidationsmittel, that is typically oxygen at a sufficient initial oxygen concentration of the combustion air.
Das heiße, sauerstoffhaltige Abgas wird anschließend in eine Verdampfungszone eingeleitet, in der weiterer Brennstoff zudosiert wird. Bei der typischen Verwendung von flüssigem Brennstoff verdampft dieser aufgrund der hohen Temperatur, wobei sich ein zündfähiges Brennstoff/Abgasgemisch bildet. Dieses wird anschließend in einer Zone zur katalytischen H2-Erzeugung, typischerweise unter Verwendung eines partiellen Oxidationskatalysators, zu einem Wasserstoffhaltigen Gas, dem Synthesegas oder Reformat, umgesetzt. Dieses Verfahren ist als CPOX-Verfahren (catalytic partial oxida- tion) bekannt. Das Reformat wird nachfolgend einer Brennstoffzelle zugeleitet, wo es zusammen mit Sauerstoff unter Bildung von Wasser nach bekannten Prinzipien zur Erzeugung elektrischer Energie eingesetzt wird.The hot, oxygen-containing exhaust gas is then introduced into an evaporation zone, in which further fuel is added. In the typical use of liquid fuel, this evaporates due to the high temperature, forming an ignitable fuel / exhaust gas mixture. This is then reacted in a zone for catalytic H 2 generation, typically using a partial oxidation catalyst, to a hydrogen-containing gas, the synthesis gas or reformate. This process is known as CPOX (catalytic partial oxidation). The reformate is subsequently fed to a fuel cell, where it is used together with oxygen to form water according to known principles for generating electrical energy.
Nachteilig bei dem bekannten Verfahren ist, dass in der Verdampfungszone ein zündfähiges Gemisch gebildet wird, welches die Gefahr der spontanen Selbstzündung birgt, was zu Rußablagerungen im nachgeschalteten Katalysator und zur
Notwendigkeit der Unterbrechung des Prozesses führen kann. Der spontanen Selbstzün&ung wird derzeit mit einer sehr exakten Steuerung des Verhältnisses von verbranntem und verdampftem Kraftstoff entgegengewirkt, was zu einer deutli- chen Einschränkung des Parameterbereichs, in dem der Reformer stabil arbeiten kann, führt.A disadvantage of the known method is that in the evaporation zone an ignitable mixture is formed, which carries the risk of spontaneous auto-ignition, resulting in soot deposits in the downstream catalyst and the Need to interrupt the process. The spontaneous auto-ignition is currently counteracted with a very precise control of the ratio of burned and vaporized fuel, which leads to a significant limitation of the parameter range in which the reformer can work stably.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Reformer und ein Verfahren zum Umsetzen von Brennstoff und Oxidati- onsmittel zu Refortnat zur Verfügung zu stellen, bei dem die genannten Probleme zumindest teilweise überwunden werden und bei dem insbesondere die Variationsbreite der Betriebs- Parameter, die einen stabilen Betrieb gestatten, erweitert wird.The invention has for its object to provide a reformer and a method for converting fuel and Oxidati- onsmittel to Refortnat available, in which the problems mentioned are at least partially overcome and in particular the variation of the operating parameters, the stable Allow operation, is extended.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst .This object is achieved with the features of the independent claims.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Advantageous embodiments of the invention are indicated in the dependent claims.
Die Erfindung baut auf dem gattungsgemäßen Reformer dadurch auf, dass zur Erzeugung des Reformationsgasgemischs und zu dessen Einspeisung in die Zone zur katalytischen H2- Erzeugung vor einem Eingang der Zone zur katalytischen H2- Erzeugung Misch- und Einspeisemittel angeordnet sind, denen einerseits oxidationsmittelhaltiges Abgas aus der Oxidati- onszone und andererseits brennstoffhaltiges Verdampfergasgemisch aus der Verdampfungszone zuführbar ist, wobei Rück- führmittel zur Rückführung von in der Zone zur katalytischen H2-Erzeugung erzeugtem Reformat als Verdampfergas in die Verdampfungszone vorgesehen sind.
Die Erfindung baut auf dem gattungsgemäßen Verfahren dadurch auf, dass zur Erzeugung des Reformationsgasgemischs oxidationsmittelhaltiges Abgas mit brennstoffhaltigem Verdampfergasgemisch gemischt und in die Zone zur katalyti- sehen H2-Erzeugung eingespeist wird, wobei in der Zone zur katalytischen H2-Erzeugung erzeugtes Reformat als Verdampfergas in die Verdampfungszone rückgeführt wird.The invention is based on the generic reformer in that for generating the reforming gas mixture and for feeding it into the catalytic H 2 generation zone upstream of an inlet of the catalytic H 2 generation zone, mixing and feed means are arranged, on the one hand oxidant-containing offgas from the oxidation zone and, on the other hand, fuel-containing evaporator gas mixture can be supplied from the evaporation zone, with recirculation means being provided for returning the reformate produced in the zone for the catalytic production of H 2 as evaporator gas into the evaporation zone. The invention is based on the generic method characterized in that mixed to produce the reformation gas mixture oxidant-containing exhaust gas with a fuel-containing evaporator gas mixture and see in the zone for the catalytic H 2 production is fed, wherein in the zone for the catalytic H 2 production produced reformate as an evaporator Gas is returned to the evaporation zone.
Die Wirkungen und Vorteile des erfindungsgemäßen Reformers und des erfindungsgemäßen Verfahrens sollen nachfolgend gemeinsam diskutiert werden.The effects and advantages of the reformer and the method according to the invention will be discussed together below.
Im Gegensatz zum Stand der Technik ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, dass das heiße Abgas aus der Oxidationszo- ne nicht als Verdampfergas in der Verdampfungszone verwendet wird, sondern dass vielmehr in der Reformierungszone erzeugtes Reformat als Verdampfergas in die Verdampfungszone rückgeführt wird, wo es mit Kraftstoff, der aufgrund der hohen Reformattemperatur verdampft, angereichert wird.In contrast to the prior art, it is provided in the context of the invention that the hot exhaust gas from the oxidation zone is not used as evaporator gas in the evaporation zone, but rather that reformate generated in the reforming zone is recycled as evaporator gas into the evaporation zone, where it Fuel, which is evaporated due to the high reformate temperature, enriched.
Das wasserstoffhaltige Reformat bildet zusammen mit dem verdampften Kraftstoff aufgrund des Fehlens eines Oxidati- onsmittels kein zündfähiges Gemisch, so dass keine Gefahr einer spontanen Selbstzündung in der Verdampfungszone be- steht. Ein zündfähiges Gemisch wird erst durch nachgeschaltete Misch- und Einspeisemittel erzeugt, in denen durch Mischung des brennstoffangereicherten Reformats aus der Verdampfungszone und des oxidationsmittelhaltigen Abgases aus der Oxidationszone ein zündfähiges Reformationsgasgemisch gebildet und in die Zone zur katalytischen H2-Erzeugung eingespeist wird.The hydrogen-containing reformate together with the vaporized fuel does not form an ignitable mixture due to the absence of an oxidizing agent, so that there is no risk of spontaneous autoignition in the evaporation zone. An ignitable mixture is first produced by downstream mixing and feed means, in which an ignitable reforming gas mixture is formed by mixing the fuel-enriched reformate from the evaporation zone and the oxidant-containing offgas from the oxidation zone and fed into the zone for catalytic H 2 production.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass der in dem als Verdampfergas genutzten Reformat enthaltene Wasserstoff die
- S -Another advantage of the invention is that the hydrogen contained in the reformate used as evaporator gas the - S -
Rußbildung bei der Verdampfung des Anreicherungsbrennstoffs reduziert. Die BrennstoffVerdampfung ist typischerweise trägergasgesteuert, so dass schon geringe Verdampfertemperaturen - deutlich unterhalb der Siedetemperaturen der im Brennstoff enthaltenen Komponenten - ausreichen, um den Brennstoff zu verdampfen. Auch diese Temperaturreduktion führt zu einer schonenden rußarmen BrennstoffVerdampfung.Soot formation during the evaporation of the enrichment fuel is reduced. The fuel evaporation is typically carrier gas controlled, so that even low evaporator temperatures - well below the boiling point of the components contained in the fuel - sufficient to evaporate the fuel. This temperature reduction also leads to a gentle low-carbon fuel evaporation.
Günstigerweise sind die Misch- und Einspeisungsmittel als Injektordüse ausgebildet. Dies hat zum einen den Vorteil, dass kein großvolumiger, zündfähiges Gemisch enthaltendes Bereich, die die Gefahr einer spontanen Selbstzündung bergen könnte, gebildet wird. Vielmehr wird durch die Einspei- sung des zündfähigen Gemischs in die Zone zur katalytischen H2-Erzeugung mit hoher Geschwindigkeit sichergestellt, dass ein Flammrückschlag ausgeschlossen ist.Conveniently, the mixing and feeding means are designed as injector nozzle. On the one hand, this has the advantage that no large-volume, ignitable mixture-containing area is formed which could harbor the risk of spontaneous autoignition. Rather, feeding the ignitable mixture into the zone for catalytic H 2 production at high speed ensures that flashback is ruled out.
Vorteilhafterweise ist die Injektordüse abgasgetrieben, d.h. als Energiequelle für die Mischung und Einspeisung des zündfähigen Reformationsgasgemischs wird die kinetische E- nergie des oxidationsmittelhaltigen Abgases aus der Oxida- tionszone genutzt. Durch korrekte Einstellung der mechanischen Düseneigenschaften, kann auch das optimale Mischungsverhältnis von oxidationshaltigem Abgas und angereichertem Verdampfergas dauerhaft eingestellt werden, ohne dass eine beständige, aktive Steuerung der Komponenten erforderlich wäre. Die Injektordüse kann beispielsweise nach dem Prinzip der Venturi-Düse arbeiten.Advantageously, the injector nozzle is exhaust gas driven, i. The kinetic energy of the oxidant-containing exhaust gas from the oxidation zone is used as the energy source for the mixing and feeding of the ignitable reforming gas mixture. By correct adjustment of the mechanical nozzle properties, the optimal mixing ratio of oxidizing exhaust gas and enriched evaporator gas can be permanently adjusted without a constant, active control of the components would be required. For example, the injector nozzle can operate on the principle of the Venturi nozzle.
Wie erwähnt, führt die Erfindung u.a. zu dem Vorteil, dass die Verdampfung des Anreicherungsbrennstoffs in der Verdampfungszone bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen erfolgen kann. Andererseits hat das in der Zone zur katalytischen H2-Erzeugung erzeugte Reformat typischerweise eine
sehr hohe Temperatur. Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist daher vorgesehen, dass dem rückgeführten Reformat während der Rückführung Wärme entzogen wird. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass die Rückführmittel Wärmetauschermittel zur Abkühlung des rückgeführten Reformats aufweisen. Vorzugsweise sind die Wärmetauschermittel bedarfsgemäß zu- und abschaltbar. Die hierdurch rückgewonnene Wärme kann beispielsweise zur Vorwärmung einer Prozessluft in einem nachgeschalteten Brenn- stoffZeilensystem eingesetzt werden. Auch eine Verwendung zur Vorwärmung von Kraftstoff, als Wärmequelle in der Zone zur katalytischen H2-Erzeugung, in einem Nachbrenner oder in anderen Komponenten des Systems ist denkbar.As mentioned, the invention leads inter alia to the advantage that the evaporation of the enrichment fuel in the evaporation zone can be carried out at comparatively low temperatures. On the other hand, the reformate produced in the catalytic H 2 generation zone typically has one very high temperature. In an advantageous development of the invention, it is therefore provided that heat is withdrawn from the recycled reformate during the recirculation. This can be realized, for example, by virtue of the fact that the return means have heat exchanger means for cooling the recirculated reformate. Preferably, the heat exchanger means are switched on and off as needed. The heat recovered in this way can be used, for example, for preheating a process air in a downstream fuel line system. Also, a use for preheating of fuel, as a heat source in the zone for the catalytic H 2 generation, in an afterburner or in other components of the system is conceivable.
Zu der erfindungsgemäß vorgesehenen Rückführung von Reformat in die Verdampfungszone kann das in der Zone zur katalytischen H2-Erzeugung erzeugte Reformat unmittelbar im Bereich der Zone zur katalytischen H2-Erzeugung abgezweigt werden, d.h. die Rückführmittel setzen im Bereich der Zone zur katalytischen H2-Erzeugung an. Hierzu kann eine Gasentnahmesonde in der Zone zur katalytischen H2-Erzeugung eingesetzt werden, die eine hohe Rückführrate des zu rezyklie- renden Gasstroms gewährleistet. Andererseits ist es auch möglich, die Rückführmittel in einem der Zone zur katalyti- sehen H2-Erzeugung nachgelagerten Bereich ansetzen zu lassen. Dies kann unmittelbar hinter der Zone zur katalytischen H2-Erzeugung erfolgen oder aber auch hinter einer der Zone zur katalytischen H2-Erzeugung nachgelagerten Brennstoffzelle. Durch die elektrochemische Oxidation in der Brennstoffzelle steigt der Sauerstoffgehalt und damit das Verhältnis 0/C im rückgeführten Gasstrom und damit auch im Katalysator, welches maßgeblich die Rußbildung beeinflusst. Aus thermodynamischer Sicht nimmt die Rußbildung mit steigendem O/C-Verhältnis ab, so dass diesbezüglich die Rück-
führung nach der Brennstoffzelle vorteilhaft gegenüber derjenigen nach dem Reformer sein kann, wenn kinetische Effekte eine untergeordnete Rolle bei der Rußbildung spielen.To the inventively provided recirculation of reformate in the evaporation zone, the reformate generated in the zone for the catalytic H 2 production can be branched off in the region of the zone for the catalytic H 2 production directly, ie the return means set in the region of the zone for the catalytic H 2 - Generation. For this purpose, a gas sampling probe can be used in the zone for catalytic H 2 production, which ensures a high recirculation rate of the gas stream to be recirculated. On the other hand, it is also possible to have the recirculating agent in one of the zone for catalytic H 2 generation downstream range set. This can be done immediately behind the zone for the catalytic production of H 2 or else behind one of the zone for catalytic H 2 generation downstream fuel cell. Due to the electrochemical oxidation in the fuel cell, the oxygen content and thus the ratio 0 / C in the recirculated gas stream and thus also in the catalyst, which significantly influences the formation of soot. From a thermodynamic point of view, soot formation decreases with increasing O / C ratio, so that in this respect the return According to the fuel cell leadership may be advantageous over that after the reformer, if kinetic effects play a minor role in the formation of soot.
Typischerweise wird der einer Brennstoffzelle zugeführte Wasserstoff nicht vollständig mit Sauerstoff zu Wasser umgesetzt. Das Abgas der Brennstoffzellenanode enthält daher in der Regel noch eine nutzbare Konzentration von Wasserstoff.Typically, the hydrogen supplied to a fuel cell is not completely reacted with oxygen to form water. The exhaust gas of the fuel cell anode therefore usually still contains a usable concentration of hydrogen.
Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist daher vorgesehen, dieses Anodenabgas als Verdampfergas in die Verdampfungszone rückzuführen. Selbstverständlich sind auch Kombinationen der vorgenannten Rückführmöglichkeiten reali- sierbar.In a particular embodiment of the invention is therefore intended to recycle this anode exhaust gas as the evaporator gas in the evaporation zone. Of course, combinations of the aforementioned feedback options can be realized.
Bei einer besonders günstigen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verdampfergasgemisch vor der Mischung mit dem oxidationsmittelhaltigen Abgas von Kontami- nanten gereinigt wird. Hierzu sind bevorzugt zwischen den Misch- und Einspeisemitteln, d.h. insbesondere der Injektordüse, und der Verdampfungszone Gasreinigungsmittel zur Entfernung der Kontaminanten aus dem Verdampfergasgemisch vorgesehen. Hierbei kann es sich um eine im Grunde bekannte Katalysatorschutzvorrichtung handeln, die in dem Verdampfergas enthaltene Katalysatorgifte wie z.B. Metalle oder Rußvorläufer absorbiert und partiell durch Reaktion mit dem im Reformat enthaltenen Wasserstoff unschädlich machen kann.In a particularly favorable development of the invention, it is provided that the evaporator gas mixture is cleaned of contaminants before it is mixed with the oxidant-containing exhaust gas. For this purpose, preference is given between the mixing and feeding means, i. in particular the injector nozzle, and the evaporation zone gas cleaning agent for removing the contaminants from the evaporator gas mixture provided. This may be a basically known catalyst protection device containing catalyst poisons contained in the evaporator gas, e.g. Absorbs metals and soot precursors and can make harmless partially by reaction with the hydrogen contained in the reformate.
Wie erläutert, bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Reformator und ein Verfahren zur Erzeugung eines Re- formats. Es sei jedoch erwähnt, dass die vorliegende Erfindung auch Vorteile in einem Betriebsmodus des Reformators
zeitigt, in dem nicht unmittelbar ein Reformat erzeugt wird. In diesem, hier als Regenerationsbetrieb bezeichneten Modus ist die Brennstoffanreicherung in der Verdampfungszo- ne ausgeschaltet. Somit wird in der Zone zur katalytischen H2-Erzeugung kein Reformat gebildet. Vielmehr durchströmt Verbrennungsabgas aus der Oxidationszone die Zone zur katalytischen H2-Erzeugung. Dieses Gas wird im Regenerationsbetrieb über die Rückführmittel der Verdampfungszone zugeführt und über die Misch- und Einspeisemittel mit "fri- schem" Verbrennungsgas gemischt und wieder in die Zone zur katalytischen H2-Erzeugung eingeführt. Durch diese Abgas- Rezyklierung können Rußablagerungen, die sich eventuell in der Verdampfungszone und/oder einer gegebenenfalls der Verdampfungszone nachgeschalteten Gasreinigungseinheit gebil- det haben, verbrannt und die entsprechenden Elemente hierdurch regeneriert werden.As explained, the present invention relates to a reformer and a method for producing a Re- formats. It should be noted, however, that the present invention also has advantages in an operating mode of the reformer does not directly produce a reformate. In this mode, here referred to as regeneration mode, the fuel enrichment in the evaporation zone is switched off. Thus, no reformate is formed in the zone for catalytic H 2 production. Rather, combustion exhaust gas from the oxidation zone flows through the zone for catalytic H 2 production. In the regeneration mode, this gas is fed via the recirculation means to the evaporation zone and mixed with "fresh" combustion gas via the mixing and feed means and introduced again into the zone for the catalytic production of H 2 . By means of this exhaust gas recirculation, soot deposits, which may have formed in the evaporation zone and / or a gas purification unit connected downstream of the evaporation zone, may be burned and the corresponding elements thereby regenerated.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen beispiel- haft erläutert. Es zeigen:The invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings with reference to preferred embodiments. Show it:
Figur 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Reformers nach dem Stand der Technik;Figure 1 is a schematic representation of the structure of a reformer according to the prior art;
Figur 2 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines erfindungsgemäßen Reformers mit mehreren optionalen Zusatzelementen; undFigure 2 is a schematic representation of the construction of a reformer according to the invention with several optional additional elements; and
Figur 3 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reformers .Figure 3 is a schematic representation of the structure of an alternative embodiment of the reformer according to the invention.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Reformers nach dem Stand der Technik. In einen Brenner
- S -Figure 1 shows a schematic representation of the structure of a reformer according to the prior art. In a burner - S -
10, der die Oxidationszone umfasst, wird über eine erste Zuführungsleitung 12 Luft und über eine zweite Zuführungs- leitung 14 flüssiger Brennstoff, z.B. Diesel zugeführt. Der Brenner 10 weist typischerweise eine nicht gesondert darge- stellte Mischzone zur Bildung eines zündfähigen Gasgemischs aus der Verbrennungsluft und dem Brennstoff auf. Diese Mischzone ist der eigentlichen Oxidationszone vorgelagert. Das bei der Verbrennung im Brenner 10 entstehende Abgas, das auch bei der Verbrennung nicht umgesetzten Sauerstoff enthält, wird in einen Verdampfer 16 eingespeist und dient dort als Verdampfergas . Der Verdampfer 16 weist eine Zuführleitung 18 für weiteren flüssigen Brennstoff auf, mit dem das Verdampfergas angereichert wird. Aufgrund der hohen Temperaturen wird der über die Zuführleitung 18 zugeführte flüssige Brennstoff verdampft. Das angereicherte Gas, d.h. das Gemisch aus Verdampfergas und verdampftem Brennstoff bildet ein zündfähiges Reformationsgasgemisch, das in die nachgeschaltete Zone 20 zur katalytischen H2-Erzeugung, die insbesondere einen CPOX-Katalysator umfasst, eingespeist wird. In der Zone 20 zur katalytischen H2-Erzeugung wird auf katalytischem Wege wasserstoffhaltiges Reformat erzeugt, das einer nachgeschalteten Brennstoffzelle 22 zugeführt werden kann. Die Abgase der Brennstoffzelle werden je nach Aufbau des Systems geeignet behandelt, was in Fig. 1 als Ableitung "zum System" angedeutet ist.10, which comprises the oxidation zone, is supplied via a first feed line 12 and air via a second supply line 14 liquid fuel, such as diesel. The burner 10 typically has a mixing zone (not separately shown) for forming an ignitable gas mixture from the combustion air and the fuel. This mixing zone is upstream of the actual oxidation zone. The resulting during combustion in the burner 10 exhaust gas, which also contains unreacted oxygen during combustion, is fed into an evaporator 16 and serves as the evaporator gas there. The evaporator 16 has a supply line 18 for further liquid fuel, with which the evaporator gas is enriched. Due to the high temperatures of the supplied via the supply line 18 liquid fuel is evaporated. The enriched gas, ie the mixture of the evaporator gas and vaporized fuel forms an ignitable Reformation gas mixture which is fed into the downstream zone 20 for the catalytic H 2 production, which in particular comprises a CPOX catalyst. In the zone 20 for the catalytic production of H 2 hydrogen-containing reformate is generated by catalytic means, which can be supplied to a downstream fuel cell 22. The exhaust gases of the fuel cell are suitably treated depending on the structure of the system, which is indicated in Fig. 1 as a derivative "to the system".
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Reformers. Dabei werden die gleichen Bezugszeichen wie in Figur 1 für korrespondierende Elemente ver- wendet. Bei der Ausführungsform von Figur 2 ist der Brennstoffzelle vorgeschaltet eine Gasentnahmeeinheit 24 angeordnet. Man beachte, dass die schematische Darstellung von Figur 2 nicht notwendig die gegenständlichen, sondern im Wesentlichen die funktionellen Elemente aufzeigt. So kann
die Gasentnahmeeinheit 24 auch in die Zone 20 zur katalyti- schen H2-Erzeugung integriert sein. Die Funktion der Gas- entnahmeeinheit 24 besteht darin, einen Teil des in der Zone 20 zur katalytischen H2-Erzeugung erzeugten, wasser- stoffhaltigen Reformats über die Rückführleitung 26 in den Verdampfer 16 zurückzuführen. Als Verdampfergas im Verdampfer 16 wird also im Gegensatz zum Stand der Technik nicht das Abgas aus dem Brenner 10 sondern über die Rückführleitung 26 rückgeführtes Reformat verwendet.FIG. 2 shows a schematic representation of a reformer according to the invention. The same reference numerals as in FIG. 1 are used for corresponding elements. In the embodiment of FIG. 2, a gas extraction unit 24 is arranged upstream of the fuel cell. It should be noted that the schematic representation of Figure 2 does not necessarily show the objective, but essentially the functional elements. So can the gas extraction unit 24 may also be integrated into the zone 20 for the catalytic production of H 2 . The function of the gas extraction unit 24 is to recycle a portion of the hydrogen-containing reformate generated in the zone 20 for the catalytic production of H 2 via the return line 26 into the evaporator 16. As the evaporator gas in the evaporator 16 is thus not used in contrast to the prior art, the exhaust gas from the burner 10 but via the return line 26 recycled reformate.
Das Abgas aus dem Brenner 10 sowie das angereicherte Verdampfergas aus dem Verdampfer 16 werden gemeinsam einem Injektor 28 zugeführt, der vorzugsweise als von dem Abgas aus dem Verbrenner 10 getriebene Düse ausgebildet ist. Im In- jektor 28 erfolgt eine Mischung der beiden Gasströme und eine Einspeisung des resultierenden, zündfähigen Gemischs in die Zone 20 zur katalytischen H2-Erzeugung.The exhaust gas from the burner 10 and the enriched evaporator gas from the evaporator 16 are supplied together to an injector 28, which is preferably designed as a driven by the exhaust gas from the combustor 10 nozzle. In the injector 28, the two gas streams are mixed and the resultant ignitable mixture is fed into the zone 20 for the catalytic production of H 2 .
Bei der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform ist in die Rückführleitung 26 ein optionaler Wärmetauscher 30 integriert. Dieser ist in Figur 2 gestrichelt dargestellt, um auf seinen optionalen Charakter hinzuweisen. Der Wärmetauscher 30 ist vorzugsweise bedarfsgerecht zu- und abschalt- bar und dient insbesondere der Abkühlung des über die Rück- führleitung 26 rückgeführten Reformats. Der WärmetauscherIn the embodiment shown in FIG. 2, an optional heat exchanger 30 is integrated into the return line 26. This is shown in dashed lines in Figure 2 to indicate its optional character. The heat exchanger 30 can preferably be switched on and off as required and in particular serves to cool the reformate recirculated via the return line 26. The heat exchanger
30 kann als aktive Temperatursteuerung verwendet werden, um die Temperatur im Verdampfer 16 in einem optimalen Bereich zu halten. Weiterhin kann durch den Wärmetauscher die Temperatur im Verdampfer so eingestellt werden, daß die Zünd- temperatur des Rußes erreicht wird und die Rußoxidation gezielt einsetzt. Somit kann der Verdampfer von Ruß befreit, d.h. regeneriert werden.
Als weitere Option ist bei der Ausführungsform von Figur 2 eine Gasreinigungseinheit 32 vorgesehen, die zwischen dem Verdampfer 16 und dem Injektor 28 angeordnet ist. Diese Gasreinigungseinheit 32 dient der Entfernung so genannter Katalysatorgifte aus dem Gasstrom bzw. der Umwandlung von schädlichen Verbindungen (Rußvorläufer) zu unschädlichen Verbindungen. Die Umwandlung kann z.B. durch den rückgeführten Wasserstoff erfolgen, z. B. durch Hydrierung von Acetylen, Ethylen, polyzyklische aromatische Verbindungen.30 can be used as an active temperature control to keep the temperature in the evaporator 16 in an optimal range. Furthermore, the temperature in the evaporator can be adjusted by the heat exchanger so that the ignition temperature of the soot is achieved and the soot oxidation is targeted. Thus, the evaporator can be exempt from soot, ie regenerated. As a further option, in the embodiment of FIG. 2 a gas cleaning unit 32 is provided, which is arranged between the evaporator 16 and the injector 28. This gas cleaning unit 32 is used to remove so-called catalyst poisons from the gas stream or the conversion of harmful compounds (soot precursors) to harmless compounds. The conversion can be done for example by the recirculated hydrogen, z. B. by hydrogenation of acetylene, ethylene, polycyclic aromatic compounds.
Figur 3 zeigt im Wesentlichen den gleichen Aufbau wie Figur 2, wobei wiederum gleiche Bezugszeichen korrespondierende Elemente bezeichnen. Figur 3 zeigt im Unterschied zu Figur 2 jedoch, dass die Gasentnahmeeinheit 24 funktionell hinter der Brennstoffzelle 22 angeordnet ist. Mit dieser Variante der Erfindung kann Anodenabgas der Brennstoffzelle 22 re- zykliert werden.FIG. 3 shows essentially the same structure as FIG. 2, with the same reference numbers again designating corresponding elements. In contrast to FIG. 2, however, FIG. 3 shows that the gas extraction unit 24 is functionally arranged behind the fuel cell 22. With this variant of the invention, anode exhaust gas of the fuel cell 22 can be recycled.
Natürlich stellen die in den Figuren gezeigten und in der speziellen Beschreibung diskutierten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Dem Fachmann ist ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten anhand gegeben. Insbesondere ist es denkbar, die Ausführungsformen von Figur 2 und Figur 3 dergestalt zu kombi- nieren, dass sowohl Reformat aus der Zone 20 zur katalyti- schen H2-Erzeugung als auch Brennstoffzellenabgas aus der Brennstoffzelle 22 dem Verdampfer IG als Verdampfergas zugeführt werden.Of course, the embodiments shown in the figures and discussed in the specific description represent only illustrative embodiments of the invention. The skilled person is given a wide range of possible variations. In particular, it is conceivable to combine the embodiments of FIG. 2 and FIG. 3 in such a way that both reformate from zone 20 for the catalytic production of H 2 and fuel cell exhaust gas from fuel cell 22 are supplied to evaporator IG as evaporator gas.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
Bezugszeichenliste :The features of the invention disclosed in the foregoing description, in the drawings and in the claims may be essential to the realization of the invention both individually and in any combination. List of reference numbers:
10 Brenner 12 Luftzuleitung10 burners 12 air supply
14 BrennstoffZuleitung14 fuel supply line
16 Verdampfer16 evaporators
18 BrennstoffZuleitung18 fuel supply line
20 Zone zur katalytischen H2-Erzeugung 22 Brennstoffzelle20 zone for catalytic H 2 production 22 fuel cell
24 Gasentnahmesonde24 gas sampling probe
26 Rückführleitung26 return line
28 Inj ektor28 Inj ector
30 Wärmetauscher 32 Gasreinigungseinheit
30 heat exchanger 32 gas cleaning unit