WO2002085780A1 - Reformer für eine brennstoffzelle - Google Patents

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    • C01B3/363—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using oxygen or mixtures containing oxygen as gasifying agents characterised by the burner used
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    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
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    • B01J2219/00268—Detecting faulty operations

Definitions

  • the invention relates to a reformer for a fuel cell according to the preamble of patent claim 1.
  • Such a reformer is known from DE 198 60 308 A1.
  • fuel and oxidant are prepared as a homogeneous mixture in an exothermic pre-reaction in the form of a cold flame. Disruptions in the supply of fuel and / or the oxidizing agent can result in the cold flame being broken off.
  • the object of the present invention is to create a reformer whose operational safety is improved.
  • a flame detector projects into the premixing chamber.
  • the operation of the cold flame can be monitored by means of such a flame monitor.
  • a further flame detector projects into the reaction chamber.
  • the reaction process in the reaction chamber can be monitored by means of this further flame monitor.
  • the premixing chamber and the reaction chamber are preferably accommodated in a common housing with appropriate insulation to the outside.
  • a such an arrangement is compact and inexpensive to manufacture. The temperature losses during the transition from the premixing chamber to the reaction chamber are minimized by the compact design.
  • the premixing chamber and the reaction chamber are preferably separated from one another by an orifice arranged on the inner edge of the housing and having a central passage opening.
  • an orifice arranged on the inner edge of the housing and having a central passage opening.
  • a constriction can also be formed in the wall of the housing.
  • the fuel inlet and the oxidant inlet are arranged coaxially on the inlet side of the premixing chamber, the fuel inlet with a nozzle preferably being arranged in the center and the oxidant inlet being arranged in the manner of an annular channel around the fuel inlet.
  • radial or tangential injection of the fuel into the oxidizing agent can also be provided.
  • the flame detector protruding into the premixing chamber is simultaneously designed as a glow plug. This means that not only monitoring, but also initiation or promotion of the formation of the cold flame by the flame monitor, which can also be used as a glow plug, is possible in the heating phase of the reformer, so that a single component has a double benefit.
  • the flame monitor is preferably designed as a thermocouple which, according to a particularly advantageous embodiment, projects with its measuring point into the central region of the cold flame.
  • the flame monitor preferably has a tapered measuring tip.
  • thermocouple is preferably designed as a NiCr-Ni thermocouple or as a type K thermocouple. According to an alternative embodiment, this is Thermocouple designed as a NiCrosil-Nisil thermocouple or as a type N thermocouple. Both types of thermocouples have high measuring accuracy, temperature resistance and service life.
  • thermocouple is designed as a jacket thermocouple, the jacket being preferably made of high-temperature steel, such as Inconel 601 (material no. 2.4851).
  • thermocouple is designed as a thermal wire element with an open measuring tip.
  • Fig. 1 shows a schematic longitudinal section through a reformer.
  • the reformer designated overall by 10 in FIG. 1, is composed of a premixing chamber 12 and a reaction chamber 13 arranged downstream thereof in the flow direction.
  • the premixing chamber 12 and the reaction chamber 13 are surrounded by a common housing 14.
  • an annular diaphragm 15 is provided approximately in the central region, which separates the premixing chamber 12 from the reaction chamber 13 and connects both through a central passage opening 11.
  • a fuel inlet 16 and an oxidizing agent inlet 17 surrounding it in the form of an annular channel are provided coaxially with one another.
  • the fuel inlet 16 has a nozzle, not shown, through which fuel is injected into the premixing chamber 12 when mixed with the oxidizing agent.
  • the preferred fuel is diesel, but also gasoline or a combustible gas.
  • the oxidant consists in The simplest case is air, but can also consist of water vapor or a mixture of water vapor and air. Alternatively or in addition, other substances are also conceivable that contain oxygen.
  • the fuel and the oxidizing agent are mixed to form a homogeneous mixture, optionally using flow-directing internals (not shown).
  • the inlet temperature of the mixture is about 300 ° C.
  • the fuel is then cracked into smaller molecules in an exothermic reaction in the form of a cold (blue) flame.
  • a cold flame For example, when using diesel as fuel with the molecular formula C- ⁇ 3 , 66 H 26.03 smaller hydrocarbon molecules in the range of about C 3 to C 7 are generated.
  • the temperature of the mixture rises to about 480 ° C.
  • the heat generated can be used via a heat exchanger arranged on the outside of the housing 14.
  • the reaction chamber 13 is provided with a filling made of ceramic and / or metallic material.
  • This filling can take the form of lattices, plate stacks, honeycombs, tubes, bulk solids or monoliths.
  • the temperature in the reaction chamber 13 rises to approximately 1200 ° C. (without a catalyst) or to approximately 750 to 900 ° C. (with a catalytic reaction).
  • the flame monitor 18 By preheating the premixing chamber 12 by means of the flame monitor 18, which can also be used as a glow plug, a faster formation of the cold flame when the reformer 10 starts can be achieved.
  • the cold flame is monitored permanently or cyclically by the flame monitor 18. Changes in the temperature or color of the flame are reflected in a not shown Control unit transmits and used as a glow plug to correct the fuel delivery and / or oxidant delivery and, if necessary, to switch on the flame monitor 18.
  • a further flame monitor 19 protruding into the reaction chamber 13 monitors the reaction state in the reaction chamber, preferably by detecting the temperature.
  • the waste heat from the reaction chamber 13 can also be used by a heat exchanger (not shown), and part of the heat can be used to heat the oxidizing agent before it enters the oxidizing agent inlet 17.
  • the waste heat can also be used, at least in part, to heat the interior of the vehicle.
  • the flame monitor 18 or 19 is preferably designed as a thermocouple which, according to a particularly advantageous embodiment, projects with its measuring point into the central region of the cold flame.
  • the flame monitor 18 or 19 preferably has a tapered measuring tip.
  • thermocouple of the flame monitor 18 or 19 is preferably designed as a NiCr-Ni thermocouple or as a type K thermocouple. According to an alternative embodiment, the thermocouple is designed as a NiCrosil-Nisil thermocouple or as a type N thermocouple. Both types of thermocouples have high measuring accuracy, temperature resistance and service life.
  • the synthesis gas which can be used in the downstream fuel cell then emerges from a gas outlet 20 arranged at the end of the reaction chamber 13 as hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO), optionally as a mixture with N 2 and by-products such as methane.
  • the synthesis gas is then converted into electric current in the fuel cell (not shown), water (H 2 O) and carbon dioxide (CO 2 ) being released as waste products.
  • An SOFC fuel cell is preferably used as the fuel cell.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Reformer für eine Brennstoffzelle. Der Reformer (10) ist in eine Vormischkammer (12) mit einem Brennstoff-Einlass (16) und einem Oxydationsmittel-Einlass (17) und in eine Reaktionskammer (13) mit einem Gas-Auslass (20) unterteilt, der mit der Brennstoffzelle in Verbindung steht. Zumindest die Vormischkammer (12), bevorzugt auch die Reaktionskammer (13) ist mit einem Flammwächter (18 bzw. 19) versehen, wobei zumindest der in die Vormischkammer ragende Flammwächter (18) auch als Glühstift ausgebildet ist.

Description

Reformer für eine Brennstoffzelle
Die Erfindung betrifft einen Reformer für eine Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine derartiger Reformer ist aus der DE 198 60 308 A1 bekannt. Bei diesem bekannten Reformer werden in einer exothermen Vorreaktion in Form einer kalten Flamme Brennstoff und Oxydationsmittel als homogenes Gemisch aufbereitet. Störungen in der Zufuhr des Brennstoffs und/oder des Oxydationsmittels können zu einem Abbruch der kalten Flamme führen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Reformer zu schaffen, dessen Betriebssicherheit verbessert ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass in die Vormischkammer ein Flammwächter hineinragt. Mittels eines derartigen Flammwächters kann der Betrieb der kalten Flamme überwacht werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass in die Reaktionskammer ein weiterer Flammwächter hineinragt. Mittels dieses weiteren Flammwächters kann der Reaktionsvorgang in der Reaktionskammer überwacht werden.
Bevorzugt sind die Vormischkammer und die Reaktionskammer in einem gemeinsamen Gehäuse mit einer entsprechenden Isolierung nach außen untergebracht. Eine derartige Anordnung ist kompakt und kostengünstig herstellbar. Die Temperaturverluste beim Übergang von der Vormischkammer in die Reaktionskammer werden durch die kompakte Bauweise minimiert.
Die Vormischkammer und die Reaktionskammer sind bevorzugt durch eine am Innenrand des Gehäuses angeordnete Blende mit einer zentralen Durchlassöffnung voneinander getrennt. An Stelle der Blende kann auch eine Einschnürung in der Wand des Gehäuses ausgebildet sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind der Brennstoff-Einlass und der Oxydationsmittel-Einlass an der Eingangsseite der Vormischkammer koaxial angeordnet, wobei der Brennstoff-Einlass mit einer Düse vorzugsweise mittig und der Oxydationsmittel-Einlass nach Art eines Ringkanals um den Brennstoff-Einlass herum angeordnet ist. An Stelle der koaxialen Anordnung kann auch eine radiale oder tangentiale Einspritzung des Brennstoffs in das Oxydationsmittel vorgesehen sein.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der in die Vormischkammer hineinragende Flammwächter gleichzeitig als Glühstift ausgebildet ist. Somit ist nicht nur eine Überwachung sondern auch eine Initiierung oder Förderung der Ausbildung der kalten Flamme durch den gleichzeitig als Glühstift verwendbaren Flammwächter in der Aufheizphase des Reformers möglich, so dass ein einziges Bauteil einen doppelten Nutzen bringt.
Der Flammwächter ist bevorzugt als Thermoelement ausgebildet, welches gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform mit seiner Meßstelle in den zentralen Bereich der kalten Flamme ragt. Der Flammwächter weist bevorzugt eine verjüngte Meßspitze auf.
Das Thermoelement ist bevorzugt als ein NiCr-Ni-Thermoelement bzw. als ein Thermoelement vom Typ K ausgebildet. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist das Thermoelement als ein NiCrosil-Nisil-Thermoelement bzw. als ein Thermoelement vom Typ N ausgebildet. Beide Typen von Thermoelementen weisen eine hohe Messgenauigkeit, Temperaturfestigkeit und Standzeit auf.
In weiterer vorteilhafter Ausbildung ist das Thermoelement als Mantel-Thermoelement ausgebildet, wobei der Mantel vorzugsweise aus einem Hochtemperaturstahl, wie Inconel 601 (Werkstoff Nr. 2.4851) gebildet ist.
Alternativ dazu ist vorgesehen, dass das Thermoelement als Thermodrahtelement mit offener Meßspitze ausgeführt ist.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen Reformer.
Der in Fig. 1 insgesamt mit 10 bezeichnete Reformer setzt sich zusammen aus einer Vormischkammer 12 und einer in Strömungsrichtung abwärts davon angeordneten Reaktionskammer 13. Die Vormischkammer 12 und die Reaktionskammer 13 sind in der dargestellten Ausführungsbeispiel von einem gemeinsamen Gehäuse 14 umgeben. An der Innenseite des Gehäuses 14 ist etwa im mittleren Bereich eine ringförmige Blende 15 vorgesehen, die die Vormischkammer 12 von der Reaktionskammer 13 trennt und beide durch eine zentrale Durchlassöffnung 11 verbindet.
Auf der Einlassseite der Vormischkammer 12 sind koaxial zueinander ein Brennstoff- Einlass 16 und ein diesen in Form eines Ringkanals umgebender Oxydationsmittel- Einlass 17 vorgesehen. Der Brennstoff-Einlass 16 weist eine nicht dargestellte Düse auf, durch die Brennstoff unter Vermischung mit dem Oxydationsmittel in die Vormischkammer 12 eingespritzt wird. Als Brennstoff kommt bevorzugt Diesel, aber auch Benzin oder ein brennbares Gas in Betracht. Das Oxydationsmittel besteht im einfachsten Falle aus Luft, kann aber auch aus Wasserdampf bzw. aus einem Gemisch von Wasserdampf und Luft bestehen. Alternativ dazu oder ergänzend sind auch andere Stoffe denkbar, die Sauerstoff enthalten.
In der Vormischkammer 12 werden der Brennstoff und das Oxydationsmittel gegebenenfalls unter Verwendung nicht dargestellter strömungslenkender Einbauten zu einem homogenen Gemisch vermischt. Die Eintrittstemperatur des Gemisches beträgt dabei etwa 300 ° C. In der Vormischkammer 12 erfolgt nun in einer exothermen Reaktion in Form einer kalten (blauen) Flamme ein Verkräcken des Brennstoffs zu kleineren Molekülen. So werden beispielsweise bei Verwendung von Diesel als Brennstoff mit der Summenformel C-ι3,66 H26,03 kleinere Kohlenwasserstoffmoleküle im Bereich von etwa C3 bis C7 erzeugt. Die Temperatur des Gemisches steigt dabei auf etwa 480 ° C an. Bei Bedarf kann die entstehende Wärme über einen an der Außenseite des Gehäuses 14 angeordneten Wärmetauscher nutzbar gemacht werden. Die kalte Flamme kann auch als unterstöchiometrische Verbrennung bezeichnet werden mit einem Wert λ= 0,3 bis 0,6, während dieser Wert λ bei einer konventionellen Verbrennung etwa 1 ,5 beträgt.
Die Reaktionskammer 13 ist mit einer Füllung aus keramischem und/oder metallischem Material versehen. Diese Füllung kann in Form von Gittern, Platten-Stapeln, Waben, Röhren, Schüttkörpern oder Monolithen ausgebildet sein. Je nachdem, ob eine katalytische Beschichtung verwendet wird oder nicht, steigt die Temperatur in der Reaktionskammer 13 auf etwa 1200 ° C (ohne Katalysator) oder auf etwa 750 bis 900 ° C (mit katalytischer Reaktion) an.
Durch Vorheizen der Vormischkammer 12 mittels des auch als Glühstift verwendbaren Flammwächters 18 kann eine schnellere Ausbildung der kalten Flamme beim Start des Reformers 10 erreicht werden. Während des laufenden Betriebes wird die kalte Flamme permanent oder zyklisch vom Flammwächter 18 überwacht. Veränderungen der Temperatur oder der Farbe der Flamme werden an ein nicht dargestelltes Steuergerät übermittelt und zur Korrektur der Brennstoff-Förderung und/oder Oxydationsmittel-Förderung sowie ggfs. zur Zuschaltung des Flammwächters 18 als Glüh- stift verwendet.
Ein in die Reaktionskammer 13 hineinragender weiterer Flammwächter 19 überwacht den Reaktionszustand in der Reaktionskammer bevorzugt durch Erfassung der Temperatur. Die Abwärme der Reaktionskammer 13 kann ebenfalls durch einen nicht dargestellten Wärmetauscher nutzbar gemacht werden, wobei ein Teil der Wärme zur Aufheizung des Oxidationsmittels vor Eintreten in den Oxidationsmittel- Einlass 17 verwendet werden kann. Die Abwärme kann bei Verwendung des Reformers 10 in einem Fahrzeug zumindest teilweise auch zur Beheizung von dessen Innenraum verwendet werden.
Der Flammwächter 18 bzw. 19 ist bevorzugt als Thermoelement ausgebildet, welches gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform mit seiner Meßstelle in den zentralen Bereich der kalten Flamme ragt. Der Flammwächter 18 bzw. 19 weist bevorzugt eine verjüngte Meßspitze auf.
Das Thermoelement des Flammwächters 18 bzw. 19 ist bevorzugt als ein NiCr-Ni- Thermoelement bzw. als ein Thermoelement vom Typ K ausgebildet. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist das Thermoelement als ein NiCrosil-Nisil- Thermoelement bzw. als ein Thermoelement vom Typ N ausgebildet. Beide Typen von Thermoelementen weisen eine hohe Messgenauigkeit, Temperaturfestigkeit und Standzeit auf.
Aus einem am Ende der Reaktionskammer 13 angeordneten Gas-Auslass 20 tritt dann das in der nachgeordneten Brennstoffzelle verwendbare Synthesegas als Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO) , gegebenenfalls als Gemisch mit N2 und Nebenprodukten, wie Methan aus. In der nicht dargestellten Brennstoffzelle erfolgt dann die Umsetzung des Synthesegases in elektrischen Strom, wobei als Abfallprodukte Wasser (H2O) und Kohlendioxid (CO2) abgegeben werden.
Als Brennstoffzelle wird bevorzugt eine SOFC-Brennstoffzelle verwendet.
Bezugszeichenliste
10 Reformer
11 Durchlassöffnung
12 Vormischkammer
13 Reaktionskammer
14 Gehäuse
15 Blende
16 Brennstoff-Einlass
17 Oxydationsmittel-Einlass
18 Flammwächter
19 Flammwächter
20 Gas-Auslass

Claims

Patentansprüche
1. Reformer für eine Brennstoffzelle mit , dadurch gekennzeichnet, dass der Reformer (10) in eine Vormischkammer (12) mit einem Brennstoff-Einlass (16) und einem Oxydationsmittel-Einlass (17) und in eine Reaktionskammer (13) mit einem Gas-Auslass (20) unterteilt ist.
2. Reformer nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in die Vormischkammer (12) ein Flammwächter (18) hineinragt.
3. Reformer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Reaktionskammer (13) ein weiterer Flammwächter (19) hineinragt.
4. Reformer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vormischkammer (12) und die Reaktionskammer (13) von einem gemeinsamen Gehäuse (14) umgeben sind.
5. Reformer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vormischkammer (12) und die Reaktionskammer (13) von einer am Innenrand des Gehäuses (14) angeordneten Blende (15) getrennt werden.
6. Reformer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff-Einlass (16) koaxial zum Oxydationsmittel- Einlass (17) angeordnet ist.
7. Reformer nach Anspruch 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass der in die Vormischkammer hineinragende Flammwächter (18) gleichzeitig als Glühstift ausgebildet ist.
8. Reformer nach Anspruch 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Flammwächter (18, 19) als Thermoelement ausgebildet ist..
9. Reformer nach Anspruch 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Flammwächter (18) mit seiner Meßstelle in den zentralen Bereich der kalten Flamme ragt.
10. Reformer nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Flammwächter (18, 19) eine verjüngte Meßspitze aufweist.
11. Reformer nach Anspruch 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Flammwächter (18, 19) ein NiCr-Ni-Thermoelement bzw. ein Thermoelement vom Typ K ist.
12. Reformer nach Anspruch 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Flammwächter (18, 19) ein NiCrosil-Nisil-Thermoelement bzw. ein Thermoelement vom Typ N ist.
13. Reformer nach Anspruch 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Flammwächter (18, 19) als Mantel-Thermoelement ausgebildet ist.
14. Reformer nach Anspruch 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Flammwächter (18, 19) als Thermodrahtelement mit offener Meßspitze ausgeführt ist.
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