EP2421638A1 - Vorrichtung zum mischen von gasströmen - Google Patents

Vorrichtung zum mischen von gasströmen

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EP2421638A1
EP2421638A1 EP10714192A EP10714192A EP2421638A1 EP 2421638 A1 EP2421638 A1 EP 2421638A1 EP 10714192 A EP10714192 A EP 10714192A EP 10714192 A EP10714192 A EP 10714192A EP 2421638 A1 EP2421638 A1 EP 2421638A1
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EP
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mixing
premixing chamber
natural gas
inlet line
reformer
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Withdrawn
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EP10714192A
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Gordon Folkerts
Matthias Kraus
Marc Schellen
Stefan Schweitzer-De-Bortoli
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Vaillant GmbH
Original Assignee
Vaillant GmbH
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    • C01B2203/1604—Starting up the process

Definitions

  • the invention relates to a device for mixing gas streams for the production of hydrogen, in particular in the reformer of a fuel cell system.
  • reformers are used to obtain the required hydrogen from hydrocarbon fuels. All substances required by the reformer for the course of the reaction, such as e.g. Air, natural gas or water are preferably supplied to the reformer in the gaseous state. In this case, a good mixing in terms of speed and concentration of the gas streams must be done to ensure an optimally running reforming process. Burners or afterburner facilities are available to provide the optimum reaction temperature.
  • the object of the present invention is to provide a device for mixing gas streams (eg air and natural gas) of a fuel cell system which ensures optimal mixing of these gas streams.
  • the mixing device should be made compact and small, and have low pressure losses.
  • This object is achieved by the device according to the invention for mixing at least two gaseous media, preferably air and natural gas in a fuel cell system in that the one medium via a first inlet line and the other medium via a further inlet line with a section which is in a premixing chamber of a Reformers opens, be merged and the inlet pipes are arranged perpendicular to each other, wherein the opening in the premixing inlet pipe along its portion of a casing with holes, mounted on the section facing side, axially surrounded.
  • gas streams eg air and natural gas
  • Fig. 1 shows a cross section of the device according to the invention
  • Fig. 2 is a schematic representation of a vacuum chamber of a
  • FIG. 1 shows the mixing device according to the invention, in which a volumetric flow of air and natural gas passes via inlet regions 1 and 2 into a premixing chamber 5 of a reformer 8.
  • the inlet regions 1, 2 are preferably formed as a tube.
  • the air in the inlet pipe 1 is supplied perpendicular to the natural gas inlet pipe 2 and then redirected to an outer pipe 3.
  • the natural gas inlet pipe 2 has, before the mouth into the premixing chamber 5, a section 4 which is axially enclosed as an inner pipe 4 by a casing 3.
  • the jacket 3 is preferably formed as a tube and forms together with the section 4 of the natural gas inlet tube 2 a double tube consisting of inner tube 4 and outer tube.
  • the natural gas and air stream is passed immediately before entering the premixing chamber 5 via an extension jump 6 in the premixing chamber 5, in which a further mixing takes place.
  • an extension jump 6 in the premixing chamber 5 in which a further mixing takes place.
  • Possible shapes for the catalyst structure 7 are ball, pellets, cylinders, honeycombs, spirals, granules or rings.
  • the catalyst may be applied to the surface of a monolithic carrier material, e.g. As on ceramics, metals, honeycomb, foams or corrugated laminates.
  • FIG. 2 shows schematically a vacuum chamber 14, preferably made of metal, which is inter alia a reformer 8, a fuel cell stack 10, an afterburner 11, a starting burner 12 and a heat exchanger 13 includes.
  • the air supply to the vacuum chamber 14 is made via a connection to the airway of the air exhaust accessory of a fuel cell micro-cogeneration apparatus.
  • the mixing device according to the invention is part of the reformer 8, which is supplied simultaneously with desulfurized natural gas and preheated air, wherein the total amount and the mixing ratio for process optimization can be varied. You can do this variable conveyors such as pumps and blowers or valves are provided.
  • the process quality is determined directly by means of suitable gas sensors and / or indirectly eg via mass or volume flows and process-relevant temperatures.
  • the required preheating of the air takes place depending on the operating state by the energy of the starting burner or afterburner exhaust gas in a heat exchanger 13, so that the reforming process can proceed optimally.
  • the resulting reformate has a temperature which is suitable for supplying the reformate to the fuel cell stack 10 without further relevant energy supply or removal.
  • the device for mixing gas streams such as air and natural gas ensures optimal mixing of the gas streams.
  • the design of the mixing device allows a compact and small design. A uniform velocity distribution before entry into the catalyst honeycomb structure of the premixing chamber with the lowest possible pressure loss is also ensured.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Vermischen von mindestens zwei gasförmigen Medien, vorzugsweise Luft und Erdgas in einem Brennstoffzellensystem, bei der das eine Medium über eine erste Einlassleitung und das andere Medium über eine weitere Einlassleitung mit einem Abschnitt, der in eine Vormischkammer eines Reformers mündet, zusammengeführt werden, wobei die Einlassleitungen senkrecht zueinander angeordnet sind, wobei die in der Vormischkammer mündende Einlassleitung entlang ihres Abschnitts von einer Ummantelung mit Bohrungen, angebracht auf der des Abschnitts zugewandten Seite der Ummantelung, axial umgeben ist.

Description

Vorrichtung zum Mischen von Gasströmen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Mischen von Gasströmen zur Wasserstoffgewinnung insbesondere im Reformer eines Brennstoffzellensystems.
Bei Brennstoffzellensystemen kommen zur Gewinnung des benötigten Wasserstoffs aus kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffen so genannte Reformer zum Einsatz. Alle vom Reformer zum Reaktionsablauf benötigten Stoffe wie z.B. Luft, Erdgas oder Wasser werden dem Reformer vorzugsweise im gasförmigen Zustand zugeführt. Dabei muss eine gute Durchmischung hinsichtlich Geschwindigkeit und Konzentration der Gasströme zur Sicherstellung eines optimal verlaufenden Reformierungsprozesses erfolgen. Zur Bereitstellung der optimalen Reaktionstemperatur stehen Brenner oder Nachbrennereinrichtungen zur Verfügung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Mischen von Gasströmen (z.B. Luft und Erdgas) eines Brennstoffzellensystems zur Verfügung zu stellen, die eine optimale Durchmischung dieser Gasströme sicherstellt. Zugleich soll die Mischvorrichtung kompakt und klein ausgeführt sein, sowie geringe Druckverluste aufweisen. Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Vermischen von mindestens zwei gasförmigen Medien, vorzugsweise Luft und Erdgas in einem Brennstoffzellensystem dadurch gelöst, dass das eine Medium über eine erste Einlassleitung und das andere Medium über eine weitere Einlassleitung mit einem Abschnitt, der in eine Vormischkammer eines Reformers mündet, zusammengeführt werden und die Einlassleitungen senkrecht zueinander angeordnet sind, wobei die in der Vormischkammer mündende Einlassleitung entlang ihres Abschnitts von einer Ummantelung mit Bohrungen, angebracht auf der des Abschnitts zugewandten Seite, axial umgeben ist.
Die Erfindung wird nun anhand der folgenden Figuren detailliert erläutert. Hierbei zeigen
Fig. 1 einen Querschnitt der erfindungsgemäße Vorrichtung und
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Unterdruckkammer eines
Brennstoffzellensystems.
Figur 1 zeigt die erfindungsgemäße Mischvorrichtung, bei der über Einlassbereiche 1 und 2 jeweils ein Volumenstrom an Luft und Erdgas in eine Vormischkammer 5 eines Reformers 8 gelangt. Die Einlassbereiche 1 , 2 sind vorzugsweise als Rohr ausgebildet. Die Luft im Einlassrohr 1 , wird senkrecht zum Erdgas-Einlassrohr 2 zugeführt und dann in ein Außenrohr 3 umgeleitet. Das Erdgas-Einlassrohr 2 weist vor der Mündung in die Vormischkammer 5 einen Abschnitt 4 auf, der als Innenrohr 4 von einer Ummantelung 3 axial umschlossen ist. Die Ummantelung 3 ist vorzugsweise als Rohr ausgebildet und bildet zusammen mit dem Abschnitt 4 des Erdgas-Einlassrohrs 2 ein Doppelrohr bestehend aus Innenrohr 4 und Außenrohr 3. Die Luft im Außenrohr 3, die entgegen der Einströmrichtung des Erdgases strömt, wird durch Öffnungen 9, angebracht an der des Innenrohrs 4 zugewandten Seite des Außenrohrs 3, in das Erdgas-Einlassrohr 2 bzw. in das Innenrohr 4 gelangen und sich mit dem einströmenden Erdgas vermischen. Durch die Öffnungen 9 am Außenrohr 3 wird eine gleicHmäßige Zufuhr und Verteilung der Luft im Erdgas-Einlassrohr 4 vor dem Eintritt in die Vormischkammer 5 des Reformers 8 erreicht.
Der Erdgas- und Luftstrom wird unmittelbar vor dem Eintritt in die Vormischkammer 5 über einen Erweiterungssprung 6 in die Vormischkammer 5 geleitet, in der eine weitere Vermischung erfolgt. Somit wird eine ausreichende Vermischung und Geschwindigkeitsverteilung von Luft und Erdgas vor dem Eintritt in eine Katalysator-Struktur 7 der Vormischkammer 5 des Reformers 8 gewährleistet.
Mögliche Formen für die Katalysator-Struktur 7 sind Kugel, Pellets, Zylinder, Waben, Spirale, Granulat oder Ring. Alternativ kann der Katalysator auf die Oberfläche eines monolithischen Trägermaterials aufgebracht werden, z. B. auf Keramikwerkstoffe, Metalle, Waben, Schäume oder Welllaminate.
Figur 2 zeigt schematisch eine vorzugweise aus Metall bestehende Unterdruckkammer 14, die u.a. einen Reformer 8, einen Brennstoffzellen-Stack 10, einen Nachbrenner 11 , einen Startbrenner 12 und einen Wärmeübertrager 13 umfasst. Die Luftzufuhr zur Unterdruckkammer 14 ist über eine Verbindung zum Luftweg des Luftabgaszubehörs eines Brennstoffzellen-Mikro-Kraftwärmekopplungsgerätes ausgeführt.
Die erfindungsgemäße Mischvorrichtung ist Bestandteil des Reformers 8, der gleichzeitig mit entschwefeltem Erdgas und vorgewärmter Luft versorgt wird, wobei die Gesamtmenge und das Mischungsverhältnis zur Prozessoptimierung variiert werden können. Hierzu können variable Fördereinrichtungen wie z.B. Pumpen und Gebläse oder Ventile vorgesehen werden. Die Prozessgüte wird direkt mittels geeigneten Gassensoren bestimmt und / oder indirekt z.B. über Massen- oder Volumenströme sowie prozessrelevante Temperaturen.
Die erforderliche Vorwärmung der Luft erfolgt je nach Betriebszustand durch die Energie des Startbrenner- oder Nachbrennerabgases in einem Wärmeübertrager 13, damit der Reformierungsprozess optimal ablaufen kann. Das entstehende Reformat hat eine Temperatur, die geeignet ist, das Reformat ohne weitere relevante Energiezu- oder -abfuhr dem Brennstoffzellen-Stack 10 zuzuführen.
Durch die Vorrichtung zum Mischen von Gasströmen wie Luft und Erdgas wird eine optimale Durchmischung der Gasströme sicherstellt. Gleichzeitig erlaubt die Ausbildung der Mischvorrichtung eine kompakte und kleine Bauform. Eine gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung vor dem Eintritt in die Katalysator-Wabenstruktur der Vormischkammer bei möglichst geringem Druckverlust ist ebenfalls sichergestellt.
Mit der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung wird eine sehr kompakte Bauform zur Verfügung gestellt, die fertigungstechnisch einfach und robust hergestellt werden kann.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Vorrichtung zum Vermischen von mindestens zwei gasförmigen Medien, vorzugsweise Luft und Erdgas in einem Brennstoffzellensystem, bei der das eine Medium über eine erste Einlassleitung (1) und das andere Medium über eine weitere Einlassleitung (2) mit einem Abschnitt (4), der in eine Vormischkammer (5) eines Reformers (8) mündet, zusammengeführt werden dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassleitungen (1 , 2) senkrecht zueinander angeordnet sind, wobei die in der Vormischkammer (5) mündende Einlassleitung (2) entlang ihres Abschnitts (4) von einer Ummantelung (3) mit Bohrungen (9), angebracht auf der des Abschnitts (4) zugewandten Seite der Ummantelung (3), axial umgeben ist.
2. Vorrichtung zum Vermischen von mindestens zwei gasförmigen Medien, vorzugsweise Luft und Erdgas in einem Brennstoffzellensystem, nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung (3) und der Abschnitt (4) des Einlassrohrs (2), der in die Vormischkammer (5) des Reformers (8) mündet, ein Doppelrohr bilden, in dem ein Vormischen der gasförmigen Medien vor dem Eintritt in die Vormischkammer (5) des Reformers (8) erfolgt.
3. Vorrichtung zum Vermischen von mindestens zwei gasförmigen Medien, vorzugsweise Luft und Erdgas in einem Brennstoffzellensystem, nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassleitung (2) mündend in die Vormischkammer (5) einen Erweiterungsvorsprung (6) an der Verbindungsstelle zwischen der Einlassleitung (2) und der Vormischkammer (5) zur weiteren Vermischung der Gasströme aufweist.
4. Vorrichtung zum Vermischen von mindestens zwei gasförmigen Medien, vorzugsweise Luft und Erdgas in einem Brennstoffzellensystem, nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vormischkammer (5) des Reformers (8) eine schaumartige Katalysator-Wabenstruktur (7) mit Öffnungen aufweist.
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