EP2054147A1 - Reformer zum umsetzen von gasförmigem brennstoff und oxidationsmittel zu reformat - Google Patents

Reformer zum umsetzen von gasförmigem brennstoff und oxidationsmittel zu reformat

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EP2054147A1
EP2054147A1 EP07785602A EP07785602A EP2054147A1 EP 2054147 A1 EP2054147 A1 EP 2054147A1 EP 07785602 A EP07785602 A EP 07785602A EP 07785602 A EP07785602 A EP 07785602A EP 2054147 A1 EP2054147 A1 EP 2054147A1
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EP
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fuel
reformer
gas
reformer according
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EP07785602A
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Stefan Kah
Johannes EICHSTÄDT
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Enerday GmbH
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Publication date
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    • C01B2203/142—At least two reforming, decomposition or partial oxidation steps in series
    • C01B2203/143—Three or more reforming, decomposition or partial oxidation steps in series

Definitions

  • a disadvantage of the known reformer is the partially incomplete reaction in synthesis gas, especially when using space-saving reformer. By using large reforming zones, the conversion efficiency can be increased; However, especially in the automotive sector, the increased space requirement is undesirable.
  • a reformer according to the preamble of claim 6 is known.
  • the fuel and combustion exhaust gas from the oxidation zone i. the fuel / oxidizer mixture is first mixed in a feed device upstream of the reforming zone and injected together into the reforming zone. This results in an improvement in the homogeneity of the gas to be reacted, which leads to an increase in the efficiency of the reforming.
  • a disadvantage of the known, common feeding device is the technical complexity of the injection device required for this purpose. This requires a complicated mechanism and control electronics, which leads to undesirable cost increase.
  • the invention is based on a reformer according to the preamble of claim 1, characterized in that the reforming zone a in the gas flow direction first and a second gas flow in the second catalytic reaction zone, which are arranged separately from each other and which a non-catalytically active homogenizing zone for homogenizing exiting from the first reaction zone gas components is interposed.
  • the inner surfaces of the or the pore body are coated with catalytically active material. This supports the desired conversion of the starting gases and production of the synthesis gas.
  • the porosity-free homogenization zone serves for thorough mixing of the gas components emerging from the first reaction zone. This mixing is compared to the homogenization before introduction into the first reaction zone by the larger diffusion coefficients of the synthesis gas components, i. of hydrogen and carbon monoxide, as compared to the hydrocarbon
  • the homogenization zone has one or more gas conducting elements for generating turbulence.
  • gas conducting elements for generating turbulence.
  • gas guide elements are suitable, which are known from the flow technology for the generation of turbulence.
  • a ring diaphragm is technically easy and inexpensive to implement.
  • the annular diaphragm also leads to an acceleration of the gas Stream, so that the introduction into the second reaction zone is improved.
  • the invention is based on the reformer according to the preamble of claim 6, characterized in that the feed device is formed as an annular, with its ' end face with the reforming tion zone coupled mixing chamber through openings in their front end fuel or mixture and through openings in their lateral surface mixture or fuel can be supplied.
  • This special embodiment of the common feeder for fuel and fuel / oxidant mixture is technically particularly simple executable and therefore particularly advantageous both in terms of the costs incurred and the required space.
  • the introduction of the mixture via the openings in the lateral surface of the mixing chamber is advantageous.
  • the introduction of fresh fuel via openings in the front end side can be done.
  • the mixing in the mixing zone is particularly effective, since two gas streams meet here substantially perpendicular to one another.
  • the gas flow introduced via the apertures in the inlet end face has a substantially axial orientation, while the gas flow introduced via the apertures in the lateral surface is directed essentially radially inwards.
  • the clear cross section of the mixing zone is reduced from the inlet end side to the outlet end side.
  • the mixing zone can be configured as an annular nozzle.
  • the mixing chamber as a whole has only a very small volume, in particular only a small axial extent, so that the residence times of the gas components in the mixing chamber are in the range of a few milliseconds, which corresponds approximately to typical reaction times for oxidation reactions of relevance here ,
  • the skilled person can make a suitable adjustment of the mixing chamber length to the occurring gas flow rates.
  • Figure 2 is an enlarged sectional view through a
  • FIG. 3 is a plan view of the mixing chamber central body of FIG. 2.
  • FIG. 1 shows a sectional view through a reformer system 10 according to the invention.
  • the reformer system 10 comprises the actual reformer 12, a mixing chamber 14 connected thereto and a combustion exhaust gas pipe 16 surrounding it.
  • the reformer 12 is equipped with its upstream mixing chamber 14 formed substantially cylindrical, wherein one of a first cylinder jacket 18 enclosed assembly includes the reformer 12 and the upstream mixing chamber 14.
  • the first cylinder jacket 18 is arranged coaxially in a second cylinder jacket 20 of larger diameter.
  • the space 16 between the cylinder jackets 18 and 20 is connected to the outlet of an oxidation zone, not shown, and passes combustion exhaust gas flowing out of the oxidation zone. Due to the flow around the reformer 12th With the hot combustion exhaust gas there is a heat exchange between the combustion exhaust gas and the reformer 12, so that the thermal energy of the combustion exhaust gas can be used to support the endothermic, catalytic reforming.
  • Adjoining the end plate 26 is a truncated cone or hollow truncated conical body 30, the base of which forms the inner region of the outlet end face of the mixing chamber 14 and is coupled to the inlet surface of a first reaction chamber 32 of the reformer 12.
  • the diameter of the base of the cone body 30 is less than the diameter of the first cylinder shell 18 and thus less than the diameter of the mixing chamber 14. From end plate 26, cone body 30 and cylinder shell 18 is thus an annular mixing chamber 14 with decreasing towards its output clear
  • the cover element 38 is gas-tightly connected to a fuel supply line 42, via which gaseous, fresh fuel can be introduced into the gas distribution chamber 38 and then via the openings 28 into the mixing chamber 40.
  • combustion exhaust gas is simultaneously introduced into the mixing chamber 14 via the apertures 34 where it is mixed with the fresh fuel. Due to the reduction in cross-section, which is caused by the conical body 30, there is an acceleration of the gas flow through the mixing chamber 14 into the first reaction zone of the reformer 12.
  • the first reaction zone 32 is completely filled with a pore body whose inner surfaces are covered with catalytic material, at which the synthesis gas production takes place.
  • the output of the second reaction zone 48 is not shown in FIG. In him, in advantageous embodiments of the invention derivatives for skimming the resulting synthesis gas, in particular for supplying the synthesis gas to a downstream fuel cell, are.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Reformer zum Umsetzen von Brennstoff und Oxidationsmittel zu Reformat, mit einer Reformierungszone (12), in die Brennstoff und, aus einer vorgeschalteten Oxidationszone, ein Gemisch aus Oxidationsmittel und wenigstens teilweise oxidiertem Brennstoff zur katalytischen Umsetzung zu dem Reformat zuführbar ist. Um die Effizienz der Reformierung zu steigern, wird vorgeschlagen, dass die Reformierungszone (12) eine in Gasstromrichtung erste (32) und eine in Gasstromrichtung zweite (48) katalytische Reaktionszone aufweist, die getrennt voneinander angeordnet sind und denen eine nicht katalytisch aktive Homogenisierungszone (44) zur Homogenisierung von aus der ersten Reaktionszone (32) austretenden Gaskomponenten zwischengeschaltet ist. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird erreicht, dass nach einer ersten Teilreformierung eine Homogenisierung des Gases erfolgt, die eine effizientere zweite Teilreformierung gestattet.

Description

Reformer zum Umsetzen von gasförmigem Brennstoff und Oxida- tionsmittel zu Reformat
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Reformer zum Umsetzen von gasförmigem Brennstoff und Oxidationsmit- tel zu Reformat, mit einer Reformierungszone, in die Brennstoff und, aus einer vorgeschalteten Oxidationszone, ein Gemisch aus Oxidationsmittel und wenigstens teilweise oxi- diertem Brennstoff zur katalytischen Umsetzung zu dem Reformat zuführbar ist .
Die Erfindung bezieht sich weiter auf einen Reformer zum Umsetzen von Brennstoff und Oxidationsmittel zu Reformat, mit einer Reformierungszone, in die Brennstoff und, aus einer vorgeschalteten Oxidationszone, ein Gemisch aus Oxidationsmittel und wenigstens teilweise oxidiertem Brennstoff zur katalytischen Umsetzung zu dem Reformat zuführbar ist, wobei der Brennstoff und das Gemisch über eine gemeinsame, der Reformierungszone vorgeschaltete Zuführeinrichtung der Reformierungszone zuführbar sind.
Die DE 103 95 205 Al offenbart einen Reformer gemäß dem O- berbegriff von Anspruch 1.
Derartige Reformer haben zahlreiche Anwendungsgebiete. Insbesondere dienen sie dazu, einer Brennstoffzelle ein was- serstoffreiches Gasgemisch zuzuführen, aus dem dann auf der Grundlage elektrochemischer Vorgänge elektrische Energie erzeugt werden kann. Derartige Brennstoffzellen kommen beispielsweise bei der Kraft-Wärmekopplung und im Kraftfahr- zeugbereich als Zusatzenergiequellen, so genannte APUs ("Auxilliary Power Unit"), zum Einsatz.
In dem Reformer wird Brennstoff, der insbesondere als koh- lenwasserstoffhaltiges Gas vorliegt oder aus flüssigem oder festem Ausgangsmaterial zu solchem aufbereitet wird, im Rahmen einer partiellen, katalytischen Oxidation in einer endothermen Reaktion zerlegt, wobei insbesondere die Gewinnung von Wasserstoff und Kohlenmonoxid, die gemeinsam als "Synthesegas" bezeichnet werden, angestrebt wird. Insbesondere ist es bekannt, zur Bereitstellung der für die endotherme Reaktion erforderlichen Wärme Energie aus einer vorgeschalteten, exothermen Oxidation von Brennstoff zu nutzen. Aus einer vorgeschalteten Oxidationszone, in der Brennstoff mit Oxidationsmittel wenigstens teilweise oxi- diert wird, wird heißes Verbrennungsabgas, das noch unverbrauchtes Oxidationsmittel, z.B. Sauerstoff, enthält, zusammen mit frischem Brennstoff in die Reformierungszone eingespeist, wo die katalytische Erzeugung von Synthesegas erfolgt.
Nachteilig bei dem bekannten Reformer ist die zum Teil unvollständige Umsetzung in Synthesegas, insbesondere bei Verwendung bauraumgünstiger Reformer. Durch Verwendung gro- ßer Reformierungszonen lässt sich zwar die Umsetzungseffizienz steigern; insbesondere im Kraftfahrzeugbereich ist der erhöhte Platzbedarf jedoch unerwünscht.
Aus der DE 102 30 149 Al ist ein Reformer bekannt, dessen Reformierungszone weitgehend von einem porösen Material ausgefüllt ist. An den inneren Oberflächen des porösen Materials findet eine verstärkte katalytische Reaktion statt. Zudem wird die Gasstromgeschwindigkeit in der Reformierungszone reduziert. Auf diese Weise kann eine Effizienz- Steigerung der Reformierung erzielt werden, wobei jedoch weiterer Verbesserungsbedarf besteht.
Aus der DE 199 47 312 Al ist ein Reformer gemäß dem Ober- begriff von Anspruch 6 bekannt. Dabei werden der Brennstoff und das Verbrennungsabgas aus der Oxidationszone, d.h. das Brennstoff-/Oxidationsmittelgemisch zunächst in einer der Reformierungszone vorgeschalteten Zuführvorrichtung gemischt und gemeinsam in die Reformierungszone eingespritzt. Hierdurch ergibt sich eine Verbesserung der Homogenität des umzusetzenden Gases, was zu einer Steigerung der Effizienz der Reformierung führt .
Nachteilig bei der bekannten, gemeinsamen Zuführvorrichtung ist jedoch die technische Komplexität der hierfür erforderlichen Einspritzvorrichtung. Diese erfordert eine komplizierte Mechanik und Steuerungselektronik, was zu unerwünschter Kostensteigerung führt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Reformer zum Umsetzen von Brennstoff und Oxidationsmittel zu Refor- mat zur Verfügung zu stellen, bei dem die genannten Probleme zumindest teilweise überwunden werden und bei dem insbesondere unter Vermeidung von Bauraum- und Kostennachteilen eine Effizienzsteigerung der Reformierung erreicht wird.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst .
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung baut auf einem Reformer gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 dadurch auf, dass die Reformierungszone eine in Gasstromrichtung erste und eine in Gasstromrichtung zweite katalytische Reaktionszone aufweist, die getrennt voneinander angeordnet sind und denen eine nicht kataly- tisch aktive Homogenisierungszone zur Homogenisierung von aus der ersten Reaktionszone austretenden Gaskomponenten zwischengeschaltet ist.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine mangelnde Effizienz der Reformierung wenigstens teilweise durch mangelnde Homogenität der Gase in der Reformierungs- zone zugrunde liegt. Dies kann selbst bei sehr guter Homogenität des in die Reformierungszone eingeleiteten Aus- gangsgemischs geschehen, da der Reformierungsprozess in der Reformierungszone selbst räumlich ungleichmäßig ablaufen und somit zur Entstehung von Inhomogenitäten innerhalb der Reformierungszone führen kann. Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, die Reformierung in einer ersten Reaktionszone zunächst teilweise ablaufen zu lassen und die hierbei entstehenden Gaskomponenten, d.h. insbesondere Synthesegas und noch nicht reformierter Brennstoff sowie Brennstoff-
/Oxidationsmittelgemisch im Anschluss zu homogenisieren, um dieses homogenisierte Gasgemisch in einer zweiten Reaktionszone der endgültigen Reformierung zuzuführen.
Vorteilhalfterweise ist vorgesehen, dass wenigstens eine der Reaktionszonen, vorzugsweise jedoch beide, von einem katalytisch aktivierten Monolithen weitgehend ausgefüllt sind. Die Vorteile der Ausgestaltung einer Reaktionszone in der Reformierungszone als katalytisch aktivierten Monolit- hen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie bestehen insbesondere in der Vergrößerung der katalytisch aktiven Oberfläche in der Reaktionszone . Durch Anordnung zweier solcher Porenkörper in Gasstromrichtung hintereinander und unter Zwischenschaltung einer Zone ohne Porenkörper lässt sich die vorliegende Erfindung besonders günstig realisieren, da in den Porenkörpern und der zwischengeschalteten Homogenisierungszone naturgemäß vollkommen unterschiedliche Strömungsverhältnisse herrschen und in der Homogenisie- rungszone eine effiziente Durchmischung der in der ersten Reaktionszone entstehenden Gaskomponenten erfolgt.
Zur weiteren Effizienzsteigerung ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die inneren Oberflächen des bzw. der Po- renkörper mit katalytisch aktivem Material beschichtet sind. Dies unterstützt die erwünschte Umsetzung der Ausgangsgase und Erzeugung des Synthesegases .
Wie erwähnt, dient die porenkörperfreie Homogenisierungszo- ne einer Durchmischung der aus der ersten Reaktionszone austretenden Gaskomponenten. Diese Durchmischung wird im Vergleich zur Homogenisierung vor Einleitung in die erste Reaktionszone durch die größeren Diffusionskoeffizienten der Synthesegaskomponenten, d.h. von Wasserstoff und Koh- lenmonoxid, im Vergleich zu dem kohlenwasserstoffhaltigen
Brennstoff unterstützt. Zur weiteren Verbesserung der Durchmischung in der Homogenisierungszone ist bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Homogenisierungszone ein oder mehrere Gasleitelemente zur Erzeugung von Turbulenzen aufweist. Hierzu sind grundsätzlich jegliche Gasleitelemente geeignet, die aus der Strömungstechnik für die Erzeugung von Turbulenzen bekannt sind.
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn als
Gasleitelement eine Ringblende vorgesehen ist. Zum einen ist eine Ringblende technisch leicht und kostengünstig realisierbar. Zum anderen führt die Ringblende zusätzlich zur verbesserten Durchmischung zu einer Beschleunigung des Gas- Stroms, so dass die Einleitung in die zweite Reaktionszone verbessert wird.
Die Erfindung baut auf dem Reformer gemäß Oberbegriff von Anspruch 6 dadurch auf, dass die Zuführeinrichtung als ringförmige, mit ihrer' Ausgangsstirnseite mit der Reformie- rungszone gekoppelte Mischkammer ausgebildet ist, der über Durchbrüche in ihrer Eingangsstirnseite Brennstoff oder Gemisch und über Durchbrüche in ihrer Mantelfläche Gemisch oder Brennstoff zuführbar ist.
Diese spezielle Ausgestaltung der gemeinsamen Zuführeinrichtung für Brennstoff und Brennstoff/Oxidations- mittelgemisch ist technisch besonders einfach ausführbar und daher sowohl im Hinblick auf die entstehenden Kosten als auch den benötigten Bauraum besonders vorteilhaft. Insbesondere bei Ausführungsformen, bei denen die Reformie- rungszone von gegenläufig strömendem, heißem Verbrennungsgas umströmt wird, ist die Einleitung des Gemisches über die Durchbrüche in der Mantelfläche der Mischkammer vorteilhaft. In diesem Fall kann die Einleitung frischen Brennstoffs über Durchbrüche in der Eingangsstirnseite erfolgen. Die Durchmischung in der Mischzone ist besonders effektiv, da hier zwei Gasströme im Wesentlichen senkrecht aufeinander treffen. Der über die Durchbrüche in der Eingangsstirnseite eingeleitete Gasstrom hat eine im Wesentlichen axiale Ausrichtung, während der über die Durchbrüche in der Mantelfläche eingeleitete Gasstrom im Wesentlichen radial nach innen gerichtet ist. Durch die ringförmige Aus- gestaltung der Mischzone wird zudem sichergestellt, dass jeder azimutale Mischzonenabschnitt relativ klein ausfällt, was einer effizienten Mischung zugute kommt. Bei einer rein hohlzylindrisch ausgestalteten Mischzone könnte sich ein starker Konzentrationsgradient zwischen achsnahen und achs- fernen Bereichen der Mischzone einstellen.
Günstigerweise ist vorgesehen, dass sich der lichte Quer- schnitt der Mischzone von der Eingangsstirnseite zur Ausgangsstirnseite hin verringert . Mit anderen Worten kann die Mischzone als Ringdüse ausgestaltet sein. Hierdurch wird die Gasstromgeschwindigkeit zum Ausgang der Mischzone hin erhöht, so dass eine weitere Effizienzsteigerung der Durch- mischung erreicht und zudem eine bessere Zuführung in die Reformierungszone gewährleistet wird.
Da durch Mischung von frischem Brennstoff mit dem Oxidati- onsmittel ein zündfähiges Gas entsteht, besteht grundsätz~ lieh die Gefahr der Selbstzündung in der Mischkammer, was zu unerwünschter Rußbildung führen kann. Günstigerweise ist daher vorgesehen, dass die Mischkammer insgesamt nur ein sehr geringes Volumen, insbesondere eine nur geringe axiale Ausdehnung hat, so dass die Verweilzeiten der Gaskomponen- ten in der Mischkammer im Bereich einiger Millisekunden liegen, was in etwa typischen Reaktionszeiten für hier relevante Oxidationsreaktionen entspricht. Durch Berücksichtigung einfacher physikalischer Gesetzmäßigkeiten kann der Fachmann eine geeignete Abstimmung der Mischkammerlänge auf die auftretenden Gasstromgeschwindigkeiten vornehmen.
Bevorzugt wird der zuletzt beschriebene Erfindungsaspekt einer ringförmigen Mischkammer kombiniert mit dem zuvor beschriebenen Erfindungsaspekt einer durch eine Homogenisie- rungszone in zwei Reaktionszonen aufgeteilten Reformierungszone eingesetzt. Dabei sind insbesondere auch die beschriebenen, vorteilhaften Ausführungsformen und Weiterbildungen der einzelnen Erfindungsaspekte frei kombinierbar, wobei sich aus der Kombination eine besondere Effizienz- Steigerung und damit eine besonders günstige Lösung der genannten Aufgabe ergibt.
Die Erfindung wird nun in Bezug auf die begleitenden Zeich- nungen anhand bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert .
Dabei zeigt:
Figur 1 eine Schnittdarstellung entlang der Längsachse eines erfindungsgemäßen Reformersystems;
Figur 2 eine vergrößerte Schnittdarstellung durch einen
Mischkammer-Zentralkörper des Reformers in dem System von Figur 1 und
Figur 3 eine Draufsicht auf den Mischkammer-Zentralkörper von Figur 2.
Figur 1 zeigt eine Schnittdarstellung durch ein erfindungs- gemäßes Reformersystem 10. Das Reformersystem 10 besteht aus dem eigentlichen Reformer 12, einer ihm vorgeschalteten Mischkammer 14 und einer ihn umgebenden Verbrennungsabgas- leitung 16. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Reformer 12 mit seiner vorgeschalteten Mischkammer 14 im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet, wobei eine von einem ersten Zylindermantel 18 umschlossene Baugruppe den Reformer 12 und die vorgeschaltete Mischkammer 14 umfasst. Der erste Zylindermantel 18 ist koaxial in einem zweiten Zylin- dermantel 20 größeren Durchmessers angeordnet. Der Zwischenraum 16 zwischen den Zylindermänteln 18 und 20 ist mit dem Auslass einer nicht dargestellten Oxidationszone verbunden und leitet aus der Oxidationszone strömendes Verbrennungsabgas . Durch die Umströmung des Reformers 12 mit dem heißen Verbrennungsabgas kommt es zu einem Wärmeaustausch zwischen dem Verbrennungsabgas und dem Reformer 12, so dass die thermische Energie des Verbrennungsabgases zur Unterstützung der endothermen, katalytischen Reformie- rung genutzt werden kann.
An ihrer Stirnseite 22 ist die Verbrennungsabgasleitung 16 im Wesentlichen gasdicht verschlossen. In der Nähe des Stirnseitenabschlusses 22 liegt die Mischkammer 14. Bei der dargestellten Ausführungsform besteht sie aus einem Abschnitt des ersten Zylindermantels 18 und einem in Figur 2 detaillierter dargestellten Mischkammer-Zentralkörper 24. Der Mischkammer-Zentralkörper 24 umfasst eine als Eingangs- Stirnfläche dienende Abschlussplatte 26, die den Zylinder 18 stirnseitig abschließt und die Eingangsstirnseite der Mischkammer 14 bildet. In einem inneren Bereich weist die Stirnfläche 26, wie in Figur 3 erkennbar, Durchbrüche 28 auf, die bei der gezeigten Ausführungsform als Bohrungen, bei anderen Ausführungsformen beispielsweise als Schlitze ausgeführt sind. An die Abschlussplatte 26 schließt sich ein kegelstumpf- oder hohlkegelstumpfartig ausgebildeter Kegelkörper 30 an, dessen Basis den inneren Bereich der Ausgangsstirnseite der Mischkammer 14 bildet und mit der Eingangsfläche einer ersten Reaktionskammer 32 des Reformer 12 gekoppelt ist. Der Durchmesser der Basis des Kegelkörpers 30 ist geringer als der Durchmesser des ersten Zylindermantels 18 und somit geringer als der Durchmesser der Mischkammer 14. Aus Abschlussplatte 26, Kegelkörper 30 und Zylindermantel 18 wird somit eine ringförmige Mischkammer 14 mit sich zu ihrem Ausgang hin verringerndem lichten
Querschnitt gebildet. Im Bereich des Kegelkörpers 30 weist der Zylindermantel 18 einen oder mehrere Durchbrüche 34 auf, über die die Mischkammer 14 mit der Verbrennungsabgas- leitung 16 in gasaustauschendem Kontakt steht. Der Gasaustausch ist nur in Richtung der Verdampferkammer möglich.
Der die Durchbrüche 28 aufweisende Innenbereich der Ab- schlussplatte 26 wird von einem Deckelelement 36 so gegen die Verbrennungsabgasleitung 16 abgedichtet, dass vor der Abschlussplatte 26 eine kurze Gasverteilkammer 38 entsteht. Das Volumen der Gasverteilungskammer 38 wird bei der gezeigten Ausführungsform ohne Vergrößerung der Baulänge durch eine kreisförmig Ausnehmung 40 im Innenbereich der Abschlussplatte 26 vergrößert, wobei die Durchbrüche 28 im Bereich der kreisförmigen Ausnehmung 40, jedoch außerhalb des Kegelkörpers 30 liegen.
Das Deckelelement 38 ist gasdicht mit einer Brennstoffzu- führleitung 42 verbunden, über die gasförmiger, frischer Brennstoff in die Gasverteilkammer 38 und dann über die Durchbrüche 28 in die Mischkammer 40 eingeleitet werden kann. Bei Betrieb wird gleichzeitig über die Durchbrüche 34 Verbrennungsabgas in die Mischkammer 14 eingeleitet und dort mit dem frischen Brennstoff vermischt. Durch die Querschnittsverkleinerung, die von dem Kegelkörper 30 bewirkt wird, kommt es zu einer Beschleunigung des Gasstromes durch die Mischkammer 14 hindurch in die erste Reaktionszone des Reformers 12. Hier findet eine wenigstens teilweise Umsetzung der aus der Mischkammer 14 zugeführten Gaskomponenten zu Synthesegas statt. Zur Effizienzsteigerung der Umsetzung ist bei der gezeigten Ausführungsform die erste Reaktionszone 32 mit einem Porenkörper vollständig ausgefüllt, des- sen innere Oberflächen mit katalytischem Material belegt sind, an dem die Synthesegaserzeugung stattfindet. Stromabwärts der ersten Reaktionszone 32 ist eine Homogenisierungszone 44 vorgesehen. Diese ist im Wesentlichen ein Freiraum, der insbesondere nicht von einem Porenkörper aus- gefüllt ist. In dieser Homogenisierungszone 44 erfolgt eine Vermischung sämtlicher aus der ersten Reaktionszone 32 austretenden Gaskomponenten. Die Homogenisierung des Gases wird weiter verbessert durch die Anordnung einer koaxial positionierten Ringblende 46 in der Homogenisierungszone 44. Hierdurch wird eine turbulente Verwirbelung und Gas- strombeschleunigung auf eine sich an die Homogenisierungs- zone 44 anschließende zweite Reaktionszone 48 hin realisiert. In der zweiten Reaktionszone 48, die bei der gezeig- ten Ausführungsform ebenfalls von einem Porenkörper mit ka- talytischer Oberflächenbelegung erfüllt ist, erfolgt die abschließende Umsetzung der Gaskomponenten in das erwünschte Synthesegas. Bei der gezeigten Ausführungsform erstreckt sich die zweite Reaktionszone 48 über einen axial längeren Bereich als die erste Reaktionszone 32.
Der Ausgang der zweiten Reaktionszone 48 ist in Figur 1 nicht dargestellt. An ihn werden sich bei vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung Ableitungen zum Abschöpfen des entstehenden Synthesegases, insbesondere zur Zuführung des Synthesegases zu einer nachgeordneten Brennstoffzelle, befinden.
Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung disku- tierten und in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann sind im Rahmen der hier offenbarten Lehre vielfältige Variationsmöglichkeiten anhand gegeben. Insbesondere wird er die absolute und relative Dirnen- sionierung der einzelnen Elemente der Erfindung und deren
Materialwahl an die Erfordernisse der konkreten Anwendung anzupassen haben. Auch bei der Wahl des Brennstoffs kann der Fachmann auf verschiedene Varianten zurückgreifen, darunter beispielsweise Erdgas, Flüssiggas, Methan, etc. Selbstverständlich kann der Fachmann ein oder mehrere Installationsports zur Anbringung von Messelementen, wie beispielsweise Lambda-Sonden oder Temperaturmesselementen, vorsehen. Bei der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform ist ein solcher Port in der Abschlussplatte 22 vorgesehen und mit dem Bezugszeichen 50 bezeichnet.
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
10 Reformersystem
12 Reformer 14 Mischkammer
16 Verbrennungsabgasleitung
18 erster Zylindermantel
20 zweiter Zylindermantel 22 Abschlussplatte von 20 24 Mischkammer-Zentralkörper
26 Abschlussplatte von 24
28 Bohrung in 26
30 Kegelkörper von 24
32 erste Reaktionszone von 12 34 Durchbruch in 18
36 Deckelelement
38 Gasverteilkammer
40 Ausnehmung in 26
42 BrennstoffZuleitung 44 Homogenisierungszone
46 Ringblende
48 zweite Reaktionszone
50 Lambda-Sondenhaiterung
52 Brenngas 54 Verbrennungsabgas

Claims

ANSPRUCHE
1. Reformer zum Umsetzen von Brennstoff und Oxidations- mittel zu Reformat, mit einer Reformierungszone (12) , in die Brennstoff und, aus einer vorgeschalteten Oxidationszo- ne, ein Gemisch aus Oxidationsmittel und wenigstens teil- weise oxidiertem Brennstoff zur katalytischen Umsetzung zu dem Reformat zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Reformierungszone (12) eine in Gasstromrichtung erste (32) und eine in Gasstromrichtung zweite (48) katalytische Reaktionszone aufweist, die getrennt voneinander angeordnet sind und denen eine nicht katalytisch aktive Homogenisierungszone (44) zur Homogenisierung von aus der ersten Reaktionszone (32) austretenden Gaskomponenten zwischengeschaltet ist.
2. Reformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, • dass wenigstens eine der Reaktionszonen (32; 34) von einem Porenkörper weitgehend ausgefüllt ist.
3. Reformer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Oberfläche des Porenkörpers mit einem katalytisch aktiven Material belegt ist.
4. Reformer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Homogenisierungszone (44) ein oder mehrere Gasleitelemente (46) zur Erzeugung von Turbulenzen aufweist.
5. Reformer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Gasleitelement eine Ringblende (46) vorgesehen ist.
6. Reformer zum Umsetzen von Brennstoff und Oxidations- mittel zu Reformat, mit einer Reformierungszone (12) , in die Brennstoff und, aus einer vorgeschalteten Oxidationszone, ein Gemisch aus Oxidationsmittel und wenigstens teilweise oxidiertem Brennstoff zur katalytischen Umsetzung zu dem Reformat zuführbar ist, wobei der Brennstoff und das Gemisch über eine gemeinsame, der Reformierungszone vorgeschaltete Zuführeinrichtung (14) der Reformierungszone (12) zuführbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführeinrichtung als ringförmige, mit ihrer Ausgangsstirnseite mit der Reformierungszone (12) gekoppelte Mischkammer (14) ausgebildet ist, der über Durchbrüche (28) in ihrer Eingangsstirnseite Brennstoff oder Gemisch und über Durchbrüche (34) in ihrer Mantelfläche Gemisch oder Brennstoff zuführbar ist.
7. Reformer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich der lichte Querschnitt der Mischkammer (14) von der Eingangsstirnseite zur Ausgangsstirnseite hin verringert.
8. Reformer nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Mischkammer (14) so auf die Strömungsgeschwindigkeit der Gase abgestimmt ist, dass die mittlere Verweildauer der Gase in der Mischkammer (14) im Bereich von einigen Millisekunden liegt.
9. Reformer nach einem der Ansprüche 6 bis 8 , dadurch gekennzeichnet, dass die Reformierungszone (12) eine in
Gasstromrichtung erste (32) und eine in Gasstromrichtung zweite (48) katalytische Reaktionszone aufweist, die getrennt voneinander angeordnet sind und denen eine nicht ka- talytisch aktive Homogenisierungszone (44) zur Homogenisie- rung von aus der ersten Reaktionszone (32) austretenden Gaskomponenten zwischengeschaltet ist.
10. Reformer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Reaktionszonen (32, 48) von einem Porenkörper weitgehend ausgefüllt ist.
11. Reformer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Oberfläche des Porenkörpers mit einem kata- lytisch aktiven Material belegt ist.
12. Reformer nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Homogenisierungszone (44) ein oder mehrere Gasleitelemente . (46) zur Erzeugung von Turbulenzen aufweist.
13. Reformer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Gasleitelement eine Ringblende (45) vorgesehen ist.
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