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    Die Erfindung betrifft einen Reformer (10) zum Umsetzen von Brennstoff (12, 14) und Oxidationsmittel (16, 18) zu Reformat (20), mit einer Reaktionszone (22), der Brennstoff (12) und Oxidationsmittel (16) zuführbar sind. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass mindestens eine weitere Reaktionszone (24) vorgesehen ist, der Brennstoff (14) und Oxidationsmittel (18) zuführbar sind, und dass in jeder Reaktionszone (22, 24) Brennstoff (12, 14) und Oxidationsmittel (16, 18) zu Reformat (20) umgesetzt werden können. DOLLAR A Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Umsetzen von Brennstoff (12, 14) und Oxidationsmittel (16, 18) zu Reformat (20).The invention relates to a reformer (10) for converting fuel (12, 14) and oxidizing agent (16, 18) to reformate (20), having a reaction zone (22) to which fuel (12) and oxidizing agent (16) can be fed. DOLLAR A According to the invention it is provided that at least one further reaction zone (24) is provided, the fuel (14) and oxidizing agent (18) can be supplied, and that in each reaction zone (22, 24) fuel (12, 14) and oxidizing agent (16 , 18) can be converted to reformate (20). DOLLAR A The invention further relates to a method for converting fuel (12, 14) and oxidizing agent (16, 18) to reformate (20).
    公开号:DE102004010014A1
    申请号:DE102004010014
    申请日:2004-03-01
    公开日:2005-09-29
    发明作者:Matthias Jahn；Stefan Kah；Sena Kavurucu；Andreas Lindermeir；Marco Muehlner
    申请人:Webasto SE；
    IPC主号:B01J8-04
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft einen Reformer zum Umsetzen von Brennstoff undOxidationsmittel zu Reformat, mit einer Reaktionszone, der Brennstoff undOxidationsmittel zuführbarsind.TheThe invention relates to a reformer for converting fuel andOxidant to reformate, with a reaction zone, the fuel andOxidizing agent fedare.
    [0002] DieErfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Umsetzen von Brennstoffund Oxidationsmittel zu Reformat in einem Reformer mit einer Reaktionszone,bei dem der Reaktionszone Brennstoff und Oxidationsmittel zugeführt werden.TheThe invention further relates to a method of reacting fueland oxidant to reformate in a reformer having a reaction zone,in which the reaction zone fuel and oxidant are supplied.
    [0003] Gattungsgemäße Reformerund gattungsgemäße Verfahrenhaben zahlreiche Anwendungsbereiche. Insbesondere dienen sie dazu,einer Brennstoffzelle ein wasserstoffreiches Gasgemisch zuzuführen, ausdem dann auf der Grundlage elektrochemischer Vorgänge elektrischeEnergie erzeugt werden kann. Derartige Brennstoffzellen kommen beispielsweiseim Kraftfahrzeugbereich als Zusatzenergiequellen, sogenannte APUs("auxiliary power unit"), zum Einsatz.Generic reformerand generic methodshave numerous applications. In particular, they serveTo supply a hydrogen-rich gas mixture to a fuel cellthen on the basis of electrochemical processes electricalEnergy can be generated. Such fuel cells come for examplein the automotive sector as additional energy sources, so-called APUs("auxiliary power unit"), used.
    [0004] DieAuslegung der Reformer ist von zahlreichen Faktoren abhängig. Nebender Berücksichtigungder Eigenschaften des Reaktionssystems sind zum Beispiel ökonomischeAspekte von Bedeutung, insbesondere auch die Einbindung des Reformersin seine Umgebung. Letzteres betrifft auch den zeitlichen Verlaufder in den Reaktor ein- und austretenden Stoff- und Energieströme. In Abhängigkeitder Applikation und der Umgebung des Reformers kommen somit unterschiedlicheReformierungsverfahren zum Einsatz, was unterschiedliche Reformerkonstruktionennach sich zieht.TheThe design of the reformers depends on numerous factors. Nextthe considerationThe properties of the reaction system are, for example, economicAspects of importance, in particular the involvement of the reformerin his environment. The latter also affects the time coursethe material and energy flows entering and leaving the reactor. Dependent onThe application and the environment of the reformer are thus differentReforming method used, what different reformer designspulls.
    [0005] Beispielsweiseist die katalytische Reformierung bekannt, bei der ein Teil desBrennstoffs in einer exothermen Reaktion oxidiert wird. Nachteiligan dieser katalytischen Reformierung ist die hohe Wärmeerzeugung,die Systemkomponenten, insbesondere den Katalysator, irreversibelschädigenkönnen.For exampleThe catalytic reforming is known in which part of theFuel is oxidized in an exothermic reaction. adverselythis catalytic reforming is the high heat generation,the system components, in particular the catalyst, irreversibledamagecan.
    [0006] Eineandere Möglichkeitzur Erzeugung eines Reformats aus Kohlenwasserstoffen ist das "Steam-Reforming". Dabei werden Kohlenwasserstoffemit Hilfe von Wasserdampf in einer endothermen Reaktion zu Wasserstpffumgesetzt.Adifferent possibilityto produce a reformate from hydrocarbons is the "steam reforming". These are hydrocarbonswith the help of water vapor in an endothermic reaction to Wasserstpffimplemented.
    [0007] EineKombination dieser beiden Prinzipien, das heißt der Reformierung auf derGrundlage einer exothermen Reaktion und der Erzeugung von Wasserstoffdurch eine endotherme Reaktion, bei der die Energie für die Dampfreformierungaus der Verbrennung der Kohlenwasserstoffe gewonnen wird, wird alsautotherme Reformierung bezeichnet. Hierbei kommt es jedoch zu denzusätzlichenNachteilen, dass eine Zuführmöglichkeitfür Wasserbereitgestellt werden muss. Hohe Temperaturgradienten zwischen derOxidationszone und der Reformierungszone stellen weitere Problemeim Temperaturhaushalt des gesamten Systems dar.ACombination of these two principles, that is, the reforming on theBasis of an exothermic reaction and the generation of hydrogenthrough an endothermic reaction, in which the energy for steam reformingobtained from the combustion of hydrocarbons is calledcalled autothermal reforming. Here it comes to theadditionalDisadvantages that a feed optionfor watermust be provided. High temperature gradients between theOxidation zone and the reforming zone pose further problemsin the temperature budget of the entire system.
    [0008] Dievorliegende Erfindung betrifft insbesondere die Reformierung nachdem Verfahren der partiellen Oxidation (POX). Danach kann die Reformierungvon kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoffen beispielsweise Dieseloder Benzin, mit einem Katalysator (CPOX = Catalytic Partial Oxidation)oder ohne Katalysator (TPOX = Thermal Partial Oxidation) durchgeführt werden.Die Nettowärmeproduktion beimReformierverfahren der partiellen Oxidation ist so groß, dassbei entsprechender Auslegung des Systems Temperaturen deutlich oberhalbder erlaubten Materialobergrenzen auftreten können, wenn keine Gegenmaßnahmendurchgeführtwerden. Dies kann zu einer Schädigungder beteiligten Werkstoffe, beispielsweise des Katalysators, führen.TheThe present invention relates in particular to the reforming according tothe process of partial oxidation (POX). After that, the reformingof hydrocarbon fuels, for example, dieselor gasoline, with a catalyst (CPOX = Catalytic Partial Oxidation)or without catalyst (TPOX = Thermal Partial Oxidation).The net heat production atReforming process of partial oxidation is so great thatwith appropriate design of the system temperatures significantly abovethe permitted material limits can occur if no countermeasurescarried outbecome. This can lead to injurythe materials involved, such as the catalyst lead.
    [0009] EinBeispiel füreinen Reformer, bei dem Maßnahmenzur Vermeidung einer Schädigungdes Katalysators durch hohe Temperaturen ergriffen werden ist inder DE 199 55 892C2 beschrieben. Bei diesem Reformer ist der Katalysatoraußerhalbdes Bereichs der Reaktionszone angeordnet, in der die höchsten Temperaturenentstehen, so dass keine Schädigung desKatalysators durch die hohen Temperaturen erfolgen kann.An example of a reformer in which measures to avoid damage to the catalyst by high temperatures are taken in the DE 199 55 892 C2 described. In this reformer, the catalyst is located outside the region of the reaction zone in which the highest temperatures arise, so that no damage to the catalyst can occur due to the high temperatures.
    [0010] Einegenauere Betrachtung der Temperaturverhältnisse innerhalb des Reformersergibt, dass sich beim Verfahren der partiellen Oxidation ein sggenannter "Hot-Spot" innerhalb der Oxidationszone ausbildet.Da sich die Oxidationszone ihrerseits im Bereich des Eingangs, dasheißtder Brennstoffzuführung,der Reaktioszone aufbaut und anschließend eine Abnahme der Temperaturaufgrund endothermer Reformier-Reaktionenstattfindet, ist der Hot-Spot eher im Eingangsbereich der Reaktionszoneangeordnet. Allerdings ist die Lage des Hot-Spot von der Brennstoffleistungbeziehungsweise der Lastmodulation des Reformers abhängig, dadiese die Verweilzeit der reagierenden Substanzen beeinflusst. Somitkann sich der Hot-Spot je nach Brennstoffleistung an unterschiedlichenOrten der Oxidationszone befinden, was den potentiell geschädigten Bereichder Reaktionszone vergrößert. WeitereProbleme hängendamit zusammen, dass sich bei geringer Leistung der Hauptteil derexothermen chemischen Reaktionen auf den Eingangsbereich der Reaktionszonekonzentrieren. Folglich hat das Produktgemisch noch einen weitenWeg durch die Reaktionszone zurückzulegen,auf dem es Wärmeabgeben kann, beispielsweise an den Katalysator. Dies kann dazuführen,dass die Produktgastemperatur am Austritt des Reformers zu geringist, insbesondere fürdie Weiterverarbeitung des Reformats in einer Brennstoffzelle.A closer look at the temperature conditions within the reformer reveals that in the process of partial oxidation, a so-called "hot spot" forms within the oxidation zone. Since the oxidation zone in turn builds up in the region of the inlet, that is to say the fuel feed, of the reaction zone and subsequently a decrease in the temperature takes place due to endothermic reforming reactions, the hot spot is arranged in the input region of the reaction zone. However, the location of the hot spot depends on the fuel power or the load modulation of the reformer, since this influences the residence time of the reacting substances. Thus, the hot spot may be located at different locations in the oxidation zone depending on the fuel output, which increases the potentially damaged area of the reaction zone. Further problems are related to the fact that at low power the bulk of the exothermic chemical reactions concentrate on the entrance area of the reaction zone. Consequently, the product mixture still has to travel a long way through the reaction zone on which it can give off heat, for example to the catalyst. This can lead to the product gas temperature at the outlet of the reformer being too low, in particular for the further processing of the reformate in one Fuel cell.
    [0011] WeitereProbleme aufgrund des Temperaturgefälles in der Reaktionszone hängen damitzusammen, dass durch die niedrigen Temperaturen in der der Oxidationszonenachgelagerten Re formierzone hohe Kohlenwasserstoffemissionen aufgrundgeringer Brennstoffumsätzeund eine erhöhteVerkokungstendenz und Vergiftungstendenz des Katalysators vorliegen.Folglich sind Katalysatoren mit großen Reaktionszonen erforderlich.Will man einen Katalysator aufgrund beispielsweise einer Verkokungregenerieren, muss der Betriebsmodus des Reformers gewechselt werden,indem beispielsweise eine vollständigeOxidation erfolgt. Währenddieses Regenerationsmodus kann kein Reformat zur Verfügung gestelltwerden. Eine nachgelagerte Brennstoffzelle kann in dieser Zeit keineelektrische Energie erzeugen.FurtherProblems due to the temperature gradient in the reaction zone depend on ittogether, that by the low temperatures in the oxidation zonedownstream reforming zone due to high hydrocarbon emissionslow fuel salesand an increasedCoking tendency and poisoning tendency of the catalyst are present.Consequently, catalysts with large reaction zones are required.If you want a catalyst due to, for example, a cokingregenerate, the operating mode of the reformer must be changed,by, for example, a completeOxidation takes place. Whilethis regeneration mode can not provide reformatbecome. A downstream fuel cell can not in this timegenerate electrical energy.
    [0012] DerErfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Reformer und ein Verfahrenzum Umsetzen von Brennstoff und Oxidationsmittel zu Reformat zurVerfügungzu stellen, so dass es nicht zu einer Schädigung von Bauteilen kommt;zusätzlichsoll der Reformierungsprozess in einfacher und zuverlässiger Weisebeeinflusst werden können.Of theInvention is based on the object, a reformer and a methodfor converting fuel and oxidant to reformate fordisposalso that there is no damage to components;additionallyshould the reforming process in a simple and reliable waycan be influenced.
    [0013] DieseAufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.TheseThe object is achieved by the features of the independent claims.
    [0014] VorteilhafteAusführungsformender Erfindung sind in den abhängigenAnsprüchenangegeben.advantageousembodimentsof the invention are in the dependentclaimsspecified.
    [0015] DieErfindung baut auf dem gattungsgemäßen Reformer dadurch auf, dassmindestens eine weitere Reaktionszone vorgesehen ist, der Brennstoffund Oxidationsmittel zuführbarsind, und dass in jeder Reaktionszone Brennstoff und Oxidationsmittel zuReformat umgesetzt werden können.Durch die Aufteilung des Reaktionsteils des Reformers in beispielsweise zweiReaktionszonen verringert sich der räumliche Bereich, über densich der Hot-Spat aufgrund der Variation der Brennstoffleistungbefinden kann. In guter Näherunghalbiert sich der räumliche Bereichfür denHot-Spot. Die Modulation der Brennstoffleistung kann auf der Grundlageder Aufteilung beispielsweise dadurch erfolgen, dass nur eine der Reaktionszonenin Betrieb genommen wird beziehungsweise dass die Reaktionszonenmit unterschiedlicher Brennstoffleistung arbeiten.TheInvention builds on the generic reformer in thatat least one further reaction zone is provided, the fueland oxidizing agent fedand that in each reaction zone fuel and oxidant tooReformat can be implemented.By dividing the reaction part of the reformer into, for example, twoReaction zones reduces the spatial area over whichthe hot-spat due to the variation in fuel performancecan be located. In a good approximationHalves the spatial areafor theHot spot. The modulation of fuel performance can be based onthe division, for example, take place in that only one of the reaction zonesis put into operation or that the reaction zoneswork with different fuel power.
    [0016] Nützlicherweiseist vorgesehen, dass die Umsetzung nach dem Verfahren der partiellenOxidation (POX) erfolgt. Da bei der partiellen Oxidation besondershohe Temperaturen auftreten, führtdie Erfindung hier zu besonderen Vorteilen.Usefullyis envisaged that the implementation according to the procedure of partialOxidation (POX) takes place. As in the partial oxidation especiallyhigh temperatures occurthe invention here to particular advantages.
    [0017] Diesgilt insbesondere in dem Fall, dass die Umsetzung nach dem Verfahrender katalytischen partiellen Oxidation (CPOX) erfolgt. In diesemFall kann, wie erwähnt,die Schädigungeines Katalysators vermieden werden.Thisespecially in the case that the implementation according to the procedurecatalytic partial oxidation (CPOX). In thisCase can, as mentioned,the damageof a catalyst can be avoided.
    [0018] Besondersnützlichist es, dass die Reaktionszonen in thermischem Kontakt stehen. Hierdurch kannein Temperaturausgleich zwischen den Reaktionszonen erfolgen. Heiße Bereicheeiner Reaktionszone könnenWärme ankühlereBereiche einer benachbarten anderen Reaktionszone abgeben.Especiallyusefulit is that the reaction zones are in thermal contact. This cana temperature compensation between the reaction zones take place. Hot areasa reaction zone canHeat oncoolerDeliver areas of an adjacent other reaction zone.
    [0019] Diesist insbesondere in dem Zusammenhang nützlich, dass die Reaktionszoneneine im Wesentlichen axialsymmetrische Anordnung aufweisen, wobeieine Reaktionszone eine andere umgibt, dass die Hauptströmungsrichtungder miteinander reagierenden Substanzen im Wesentlichen eine axiale Richtung istund dass die Hauptströmungsrichtungen ineinander benachbarten Reaktionszonen entgegengesetzt sind. Man erhält somiteine Vergleichmäßigung desaxialen Temperaturprofils. Die heißen Oxidationsbereiche dereinen Reaktionszone sind den kühlerenReformierzonen einer benachbarten Reaktionszone benachbart. Diesführt einerseitsdazu, dass die Temperatur der Oxidationszone verringert werden kann.Andererseits kann die Temperatur der Reformierungszone auf hohemNiveau gehalten werden. Die Problematik hoher Kohlenwasserstoffemissionenaufgrund geringer Brennstoffumsätzesowie der Verkokungs- und Vergiftungstendenzen des Katalysatorssind somit verringert.Thisis particularly useful in the context that the reaction zoneshave a substantially axisymmetric arrangement, whereinone reaction zone another surrounds that of the main flow directionthe substance reacting with one another is essentially an axial directionand that the main flow directions inare opposite to each other adjacent reaction zones. You get thusa homogenization of theaxial temperature profile. The hot oxidation areas ofa reaction zone are the coolerReforming zones adjacent to an adjacent reaction zone. Thisleads on the one handthat the temperature of the oxidation zone can be reduced.On the other hand, the temperature of the reforming zone at highLevel are kept. The problem of high hydrocarbon emissionsdue to low fuel salesand the coking and poisoning tendencies of the catalystare thus reduced.
    [0020] Eskann weiterhin vorgesehen sein, dass ein Wärmeübertrager zum Abführen vonWärme ausden Reaktionszonen vorgesehen ist. Hierdurch kann insbesondere dieTemperatur des Hot-Spotverringert werden. Als Kühlmediumeignen sich vorzugsweise sowohl Luft als auch mit Dampf oder mitanderen Komponenten angereicherte Luft, zum Beispiel aus Verbrennungsprozessen.Im Falle des Einsatzes eines Reformers in einer APU, die auf derBasis einer Hochtemperaturbrennstoffzelle (zum Beispiel SOFC) arbeitet,eignet sich insbesondere der Luftstrom, welcher zur Kathode derBrennstoffzelle geleitet wird, als Wärmeübertragermedium.Itcan also be provided that a heat exchanger for dischargingHeat offthe reaction zones is provided. As a result, in particular theTemperature of the hot spotbe reduced. As a cooling mediumare preferably both air and with steam or withOther components enriched air, for example, from combustion processes.In the case of the use of a reformer in an APU at theBased on a high temperature fuel cell (for example SOFC),In particular, the air flow, which is the cathode of theFuel cell is passed, as a heat transfer medium.
    [0021] Dererfindungsgemäße Reformerist in besonders vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dassdie Anteile der Reaktionszonen an der Reformerleistung über diezugeführtenMengen von Brennstoff und/oder Oxidationsmittel separat einstellbarsind. Im Allgemeinen hat jede Reaktionszone eine eigene Brennstoffzuführung undeine eigene Oxidations mittelzuführung,wobei die dosierte Zuführmöglichkeitder Substanzen durch Aufteilung einer gemeinsamen Zuführung undin den Verzweigungen vorgesehene Ventile realisiert sein kann.Of theInventive reformeris further developed in a particularly advantageous manner thatthe proportions of reaction zones in the reformer over thesuppliedQuantities of fuel and / or oxidant separately adjustableare. In general, each reaction zone has its own fuel supply andits own oxidation agent feed,wherein the metered Zuführmöglichkeitthe substances by dividing a common feeder andprovided in the branches valves can be realized.
    [0022] DieErfindung baut auf dem gattungsgemäßen Verfahren dadurch auf,dass mindestens eine weitere Reaktionszone vorgesehen ist, der Brennstoffund Oxidationsmittel zuführbarsind, dass in jeder Reaktioinszone Brennstoff und Oxidationsmittel zuReformat umgesetzt werden können,und dass die Anteile der Reaktionszonen an der Reformerleistung über diezugeführtenMengen von Brennstoff und/oder Oxidationsmittel separat eingestelltwerden. Auf diese Weise werden die Vorteile und Besonderheiten deserfindungsgemäßen Reformersauch im Rahmen eines Verfahrens umgesetzt. Dies gilt auch für die nachfolgendangegebenen besonders bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens.TheInvention builds on the generic method thereby,that at least one further reaction zone is provided, the fueland oxidizing agent fedare that in each Reaktioinszone fuel and oxidant tooReformat can be implemented,and that the proportions of the reaction zones in the reformer over thesuppliedSet quantities of fuel and / or oxidizer separatelybecome. In this way, the advantages and peculiarities ofinventive reformeralso implemented as part of a procedure. This also applies to the followingspecified particularly preferred embodiments of the method according to the invention.
    [0023] Diesesist nützlicherweiseso fortgebildet, dass die Umsetzung nach dem Verfahren der partiellenOxidation (POX) erfolgt.Thisis usefulso trained that the implementation according to the procedure of partialOxidation (POX) takes place.
    [0024] Eskann weiterhin vorgesehen sein, dass die Umsetzung nach dem Verfahrender katalytischen partiellen Oxidation (CPOX) erfolgt.Itmay further be provided that the implementation according to the methodcatalytic partial oxidation (CPOX).
    [0025] Esist bevorzugt, dass die Reaktionszonen in thermischem Kontakt stehen.Itit is preferred that the reaction zones are in thermal contact.
    [0026] Besondersnützlichist es, dass die Reaktionszonen eine im Wesentlichen axialsymmetrische Anordnungaufweisen, wobei eine Reaktionszone eine andere umgibt, dass dieHauptströmungsrichtungder miteinander reagierenden Substanzen im Wesentlichen eine axialeRichtung ist und dass die Hauptströmungsrichtungen in einanderbenachbarten Reaktionszonen entgegengesetzt sind.Especiallyusefulit is that the reaction zones have a substantially axisymmetric arrangementhave one reaction zone surrounding another, that theMain flow directionthe substances reacting with one another essentially an axial oneDirection is and that the main flow directions in each otheradjacent reaction zones are opposite.
    [0027] Esist weiterhin vorteilhaft, dass Wärme aus den Reaktionszonenmit einem Wärmeübertragerabgeführtwird.Itis also advantageous that heat from the reaction zoneswith a heat exchangerdissipatedbecomes.
    [0028] DerErfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Bereitstellungmehrer Reaktionszonen einen positiven Einfluss auf den Wärmehaushaltdes Reformers hat. HeißeBereiche können örtlich stabilisiertwerden, auch wenn die Reformerleistung moduliert wird. Weitere Vorteilehängendamit zusammen, dass durch die Aufteilung der Reaktionszonen der Druckverlustim Reformer verringert wird. Dies führt zu einer Erhöhung desWirkungsgrades. Die Erfindung stellt weiterhin positive Auswirkungenauf die Regenerationsmöglichkeitendes Reformers zur Verfügung.Nimmt die Katalysatoraktivitätbeispielsweise durch Rußbildungund/oder Vergiftung ab, so können dieeinzelnen Reaktionszonen unabhängigvoneinander mit dem Oxidationsmittel regeneriert werden. Dies ermöglicht dieRegeration von beispielsweise einer Reaktionszone, während dieandere(n) Reaktionszone(n) unterbrechungsfrei Wasserstoff pxoduzierenkann/können.Dieser Prozess kann so geführt werden,dass kein beziehungsweise nahezu kein Sauerstoff auf die Brennstoffzellen-Anodegelangt. Aus der Reaktionszone austretender Ruß sowie H2 undCO könnenpostkatalytisch verbrannt werden und die Rußbildungsgefahr vermindern.Weiterhin ist als vorteilhaft zu verzeichnen, dass aufgrund derverschiedenen Betriebsmög lichkeitenzur Bereitstellung einer bestimmten Reformerleistung die Anteilevon CO2 und H2Oim Reformat variabel sind. Diese Anteile können somit auf die Bedürfnisseder Brennstoffzelle abgestimmt werden.The invention is based on the finding that the provision of a plurality of reaction zones has a positive influence on the heat balance of the reformer. Hot areas can be locally stabilized, even if the reformer performance is modulated. Further advantages are related to the fact that the distribution of the reaction zones reduces the pressure loss in the reformer. This leads to an increase in the efficiency. The invention further provides positive effects on the regeneration possibilities of the reformer. If the catalyst activity decreases, for example due to formation of soot and / or poisoning, the individual reaction zones can be regenerated independently of one another with the oxidizing agent. This allows the regeneration of, for example, one reaction zone, while the other reaction zone (s) can interrupt hydrogen without interruption. This process can be conducted so that no or almost no oxygen reaches the fuel cell anode. Carbon black exiting from the reaction zone as well as H 2 and CO can be post-catalytically burned and reduce the risk of soot formation. Furthermore, it is to be noted as advantageous that due to the different Betriebsmög possibilities for providing a certain reformer performance, the proportions of CO 2 and H 2 O are variable in the reformate. These proportions can thus be tailored to the needs of the fuel cell.
    [0029] DieErfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhandbesonders bevorzugter Ausführungsformenbeispielhaft beschrieben.TheInvention will now be described with reference to the accompanying drawingsparticularly preferred embodimentsdescribed by way of example.
    [0030] Dabeizeigt:thereshows:
    [0031] 1 eineschematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Reformers und 1 a schematic representation of a reformer according to the invention and
    [0032] 2 einFlussdiagramm zur Erläuterungeines erfindungsgemäßen Verfahrens. 2 a flowchart for explaining a method according to the invention.
    [0033] 1 zeigteine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Reformers.Der dargestellte Reformer 10 hat zwei Reaktionszonen 22, 24. DieseReaktionszonen 22, 24 sind im Wesentlichen axialsymmetrischaufgebaut, wobei die eine Reaktionszone 24 die Reaktionszone 22 umgibt.Am Eingang jeder der Reaktionszonen 22, 24 istein Einspritzsystem 28, 30 zum Einspritzen vonBrennstoff 12, 14 in die Reaktionszonen 22, 24 vorgesehen. Weiterhinkann den Reaktionszonen 22, 24 Oxidationsmittel 16, 18 zugeführt werden,das heißtinsbesondere Luft. Hierzu könnenseparate Luftzuführungenvorgesehen sein oder, wie im vorliegenden Beispiel, es kann einezentrale Luftzuführung 32 vorgesehensein, wobei zur Variation der Luftmengen, die den jeweiligen Reaktionszonen 22, 24 zugeführt werden,ein Ventil 34 beziehungsweise mehrere Ventile vorgesehensein können.Innerhalb der Reaktionszonen 22, 24 befindet sichein Katalysator 36 beziehungsweise mehrere Katalysatoren,so dass ein Reformierungsprozess nach dem Prinzip der katalytischenpartiellen Oxidation (CPOX) durchgeführt werden kann. Es sind weiterhinProduktgasführungen 38, 40 vorgesehen,die zu einem Mischpunkt 42 führen. Jenseits dieses Mischpunktes 42 istdem Reformer 20 das Reformat entnehmbar. Weiterhin istein Wärmeübertrager 26 imBereich des Katalysators 36 angeordnet, der mittels einesKühlmediums,dessen Vorlauf 44 und dessen Rücklauf 46 gezeigtsind, zur Kühlungder beteiligten Bauteile und insbesondere des Katalysators 36 vorgesehenist. 1 shows a schematic representation of a reformer according to the invention. The illustrated reformer 10 has two reaction zones 22 . 24 , These reaction zones 22 . 24 are essentially axially symmetric, wherein the one reaction zone 24 the reaction zone 22 surrounds. At the entrance of each of the reaction zones 22 . 24 is an injection system 28 . 30 for injecting fuel 12 . 14 into the reaction zones 22 . 24 intended. Furthermore, the reaction zones 22 . 24 oxidant 16 . 18 be supplied, that is in particular air. For this purpose, separate air supply can be provided or, as in the present example, it can be a central air supply 32 be provided, wherein for varying the amounts of air, the respective reaction zones 22 . 24 be supplied, a valve 34 or more valves can be provided. Within the reaction zones 22 . 24 there is a catalyst 36 or several catalysts, so that a reforming process according to the principle of catalytic partial oxidation (CPOX) can be performed. There are still product gas guides 38 . 40 provided that to a mixing point 42 to lead. Beyond this merge point 42 is the reformer 20 the reformate can be removed. Furthermore, a heat exchanger 26 in the range of the catalyst 36 arranged, by means of a cooling medium, the flow 44 and its return 46 are shown, for cooling the components involved and in particular of the catalyst 36 is provided.
    [0034] Derdargestellte Reformer 10 arbeitet wie folgt. Soll der Reformer 10 mitmaximaler Reformerleistung arbeiten, so wird beiden Reaktionszonen 22, 24 Brennstoff 12, 14 über diejeweiligen Einspritzsysteme 28, 30 zugeführt. Ebenfallswird jeder Reaktionszone 22, 24 Oxidationsmittel 16, 18 zugeführt. DieGase strömenin entgegengesetzte Richtung durch die Reaktionszonen 22, 24.Daher ist die Oxidationszone der einen Reaktionszone 22, 24 derReformierzone der anderen Reaktionszone 24, 22 benachbart.Es kann somit ein vorteilhafter Wärmeausgleich zwischen den Reaktionszonen 22, 24 stattfinden.Die Produktgase werden überdie Produktgasführung 38, 40 demMischpunkt 42 zugeführt,hinter welchem das fertige Reformat 20 entnommen und weiterenAnwendungen zugeführtwerden kann. Hat der gesamte Reformer beispielsweise einen Leistungsbereichvon 3 bis 15 kW, das heißtdie Leistung kann in einem Verhältnisvon 5:1 moduliert werden, so könnenbeispielsweise beide Reaktionszonen 22, 24 soausgelegt werden, dass sie eine Reformerleistung zwischen 3 und7,5 kW erbringen können.Jede einzelne Reaktionszone muss daher nur ein Modulationsvermögen von2,5:1 aufweisen. Die Maximalleistung des Reformers erhält man durchparallelen Betrieb beider Reaktionszonen 22, 24,währenddie Minimalleistung durch Abschalten einer Reaktionszone 22, 24 undBetreiben der anderen Reaktionszone 22, 24 mitminimaler Leistung erreicht wird. Die geringeren erforderlichenLeistungsmodulationen in den einzelnen Reaktionszonen äußern sichinsbesondere in einer besseren Lokalisierung des Hot-Spots.The illustrated reformer 10 works as follows. Should the reformer 10 working with maximum reformer power, so will both reaction zones 22 . 24 fuel 12 . 14 about the respective injection systems 28 . 30 fed. Also, each reaction zone becomes 22 . 24 oxidant 16 . 18 fed. The gases flow in opposite directions through the reaction zones 22 . 24 , Therefore, the oxidation zone is the one reaction zone 22 . 24 the reforming zone of the other reaction zone 24 . 22 adjacent. It can thus be an advantageous heat balance between the reaction zones 22 . 24 occur. The product gases are passed over the product gas guide 38 . 40 the mixing point 42 fed, behind which the finished reformate 20 removed and can be supplied to other applications. If the entire reformer has, for example, a power range of 3 to 15 kW, ie the power can be modulated in a ratio of 5: 1, then for example both reaction zones 22 . 24 be designed so that they can provide a reformer power between 3 and 7.5 kW. Each individual reaction zone therefore only has to have a modulation capacity of 2.5: 1. The maximum power of the reformer is obtained by parallel operation of both reaction zones 22 . 24 while the minimum power by switching off a reaction zone 22 . 24 and operating the other reaction zone 22 . 24 achieved with minimal power. The lower required power modulations in the individual reaction zones are manifested in particular in a better localization of the hot spot.
    [0035] Imobigen Beispiel ist es erforderlich, eine der Reaktionszonen abzuschalten,wenn der Reformer mit einer niedrigen Leistung von beispielsweise 3kW arbeiten soll. Es ist aber auch denkbar, dass über denkompletten Leistungsbereich, also auch schon bei geringer Leistung,beide Reaktionszonen 22, 24 in Betrieb sind. Dabeiwird allerdings die Verbesserung aufgrund verringerter Lastmodulationzu Gunsten eines homogeneren Temperaturprofis aufgegeben. Geht manwieder von dem Beispiel aus, dass der Reformer insgesamt einen Leistungsbereichvon 3 bis 15 kW haben soll, das heißt ein Modulationsvermögen von5:1, so ist bei gefordertem Parallelbetrieb beider Reaktionszonenauch bei kleiner Leistung jede der Reaktionszonen für eine Reformerleistungzwischen 1,5 und 7,5 kW auszulegen, das heißt jede der Reaktionszonenhat ein Modulationsvermögenvon 5:1.In the above example, it is necessary to shut off one of the reaction zones when the reformer is to operate with a low power of, for example, 3 kW. But it is also conceivable that over the entire power range, so even at low power, both reaction zones 22 . 24 are in operation. However, the improvement due to reduced load modulation is abandoned in favor of a more homogeneous temperature professionals. Assuming again the example that the reformer should have a total power range of 3 to 15 kW, that is a modulation capacity of 5: 1, so is required parallel operation of both reaction zones even at low power each of the reaction zones for a reformer power between 1 , 5 and 7.5 kW, that is, each of the reaction zones has a modulation capacity of 5: 1.
    [0036] WeitereVariationsmöglichkeitenbestehen dadurch, dass beide Reaktionszonen 22, 24 mitunterschiedlichen Luftzahlen betrieben werden, beispielsweise mit λ < 1 oder λ > 1. Dies kann zum Beispielfür eineRegeneration des Katalysators 36 nützlich sein.Further variation possibilities exist in that both reaction zones 22 . 24 be operated with different air ratios, for example, with λ <1 or λ> 1. This can, for example, for a regeneration of the catalyst 36 to be useful.
    [0037] Eskann auch vorgesehen sein, dass der in eine der "Reaktionszonen" 22, 24 eintretendeLuftstrom nur zur Kühlungder anderen Reaktionszone 22, 24 verwendet wird.In diesem Fall kann der verbleibende Luftsauerstoff ab dem Mischpunkt 42 die Komponentendes anderen Teilstroms (beispielsweise H2,CO, Restkohlenwasserstoffe, Ruß)oxidieren. Die resultierende Erhöhungdes S/C-Verhältnisses imReformat kann aufgrund verminderter Rußbildung vorteilhaft für nachgeschalteteKomponenten sein, insbesondere füreine Brennstoffzelle.It may also be envisaged that the person in one of the "reaction zones" 22 . 24 incoming air flow only for cooling the other reaction zone 22 . 24 is used. In this case, the remaining atmospheric oxygen from the mixing point 42 the components of the other partial stream (for example, H 2 , CO, residual hydrocarbons, soot) oxidize. The resulting increase in the S / C ratio in the reformate may be advantageous for downstream components due to reduced soot formation, especially for a fuel cell.
    [0038] Bisherwurde davon ausgegangen, dass beide Reaktionszonen im Hinblick aufihre Leistungsbereiche und ihr Modulationsvermögen gleich ausgelegt sind.Es kann aber auch sinnvoll sein, insbesondere in Verbindung miteinem eingesetzten Wärmeübertrager 26,eine Asymmetrie hinsichtlich der Leistungsbereiche beider Reaktionszonen 22, 24 zurealisieren. Wird die äußere Reaktionszone 24 miteiner höherenmaximalen Reformerleistung ausgestattet, so entsteht der überwiegendeTeil der Wärmedort, von wo er effektiv an den im Außenbereich des Reformers 10 angeordnetenWärmeübertrager 26 abgegebenwerden kann. Geht man wieder von dem Beispiel eines Reformers miteinem Leistungsbereich von 3 bis 15 kW und einem Modulationsvermögen von5:1 aus, so könntebeispielsweise die äußere Reaktionszone 24 miteiner Reformerleistung von 3 bis 9 kW und einem Modulationsvermögen von3:1 ausgestattet sein, währenddie innere Reaktionszone 22 einen Leistungsbereich von3 bis 6 kW und ein Modulations vermögen von 2:1 zur Verfügung stellt.Die äußere Reaktionszone 24 kannalso 60r der Gesamtleistung erbringen, während die innere Reaktionszone 22 nur40% erbringen kann.So far, it has been assumed that both reaction zones are the same in terms of their power ranges and their modulation capacity. But it may also be useful, especially in conjunction with a heat exchanger used 26 , an asymmetry in terms of power ranges of both reaction zones 22 . 24 to realize. Will the outer reaction zone 24 equipped with a higher maximum reforming capacity, so most of the heat is there, from where it is effective to the outside of the reformer 10 arranged heat exchanger 26 can be delivered. Assuming again the example of a reformer with a power range of 3 to 15 kW and a modulation capacity of 5: 1, so could for example the outer reaction zone 24 be equipped with a reformer power of 3 to 9 kW and a modulation capacity of 3: 1, while the inner reaction zone 22 a power range of 3 to 6 kW and a modulation capacity of 2: 1 provides. The outer reaction zone 24 So can provide 60r of the total power, while the inner reaction zone 22 only 40% can provide.
    [0039] Dievorstehenden Beispiele beziehen sich auf eine Realisierung des Reformersmit zwei Reaktionszonen. Sie könnenohne weiteres auf eine Realisierung mit mehr als zwei Reaktionszonen übertragenwerden, wodurch insbesondere die Variationsmöglichkeiten im Hinblick aufdie Auslegung der Leistungs- beziehungsweise Modulationsbereicheerhöht werden.TheThe above examples relate to a realization of the reformerwith two reaction zones. You canreadily transferred to a realization with more than two reaction zoneswhich, in particular, the variation possibilities with regard tothe design of the power or modulation rangesincrease.
    [0040] 2 zeigtein Flussdiagramm zur Erläuterungeines erfindungsgemäßen Verfahrens.Nach dem Start des Reformerbetriebs im Schritt S01 wird die vomGesamtsystem angeforderte Reformerleistung überwacht. Ist diese angeforderteReformerleistung zum Beispiel maximal (Schritt S02), so werden beideReaktionszonen mit ihrer maximalen Reformerleistung betrieben (SchrittS03. Ist die angeforderte Reformerleistung nicht maximal, so wirdgemäß SchrittS04 mindestens eine der Reaktionszonen mit einer verminderten Leistungbetrieben. Durch eine kontinuierliche Überwachung kann so der Reformer seineLeistung in erwünschterWeise und mit den erfindungsgemäßen Vorteilenvariieren. Das dargestellte stark vereinfachte Funktionsprinzipkann insbesondere dadurch verfeinert werden, dass Schritt S02 dahinfortgebildet ist, das je nach angeforderter Reformerleistung unterschiedlicheBetriebszustände imHinblick auf die beteiligten Reaktionszonen eingestellt werden,wobei neben den Leistungsanforderungen auch andere Parameter berücksichtigtwerden können. 2 shows a flowchart for explaining a method according to the invention. After the start of the reformer operation in step S01, the reformer performance requested by the whole system is monitored. If, for example, this requested reformer output is maximal (step S02), then both reaction zones are operated with their maximum reforming performance (step S03). If the requested reformer output is not maximal, then at least one of the reaction zones is operated at a reduced power according to step S04 In this way, the reformer can vary its performance in a desired manner and with the advantages according to the invention. <br/><br/> The greatly simplified operating principle illustrated can be refined, in particular, by the step S02 being adapted to different operating states depending on the required reformer output be adjusted with regard to the participating reaction zones, which in addition to the performance requirements and other parameters can be considered.
    [0041] Diein der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in denAnsprüchenoffenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auchin beliebiger Kombination fürdie Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.Thein the above description, in the drawings and in theclaimsdisclosed features of the invention can both individually and alsoin any combination forthe realization of the invention be essential.
    1010 Reformerreformer 1212 Brennstofffuel 1414 Brennstofffuel 1616 Oxidationsmitteloxidant 1818 Oxidationsmitteloxidant 2020 Reformatreformate 2222 Reaktionszonereaction zone 2424 Reaktionszonereaction zone 2626 WärmeübertragerHeat exchanger 2828 Einspritzsysteminjection 3030 Einspritzsysteminjection 3232 Luftzuführungair supply 3434 VentilValve 3636 Katalysatorcatalyst 3838 ProduktgasführungProduct gas management 4040 ProduktgasführungProduct gas management 4242 Mischpunktmixing point 4444 Vorlaufleader 4646 Rücklaufreturns
    权利要求:
    Claims (13)
    [1]
    Reformer (10) zum Umsetzen von Brennstoff (12, 14)und Oxidationsmittel (16, 18) zu Reformat (20),mit einer Reaktionszone (22), der Brennstoff (12)und Oxidationsmittel (16) zuführbar sind, dadurch gekennzeichnet, – dass mindestenseine weitere Reaktionszone (24) vorgesehen ist, der Brennstoff(14) und Oxidationsmittel (18) zuführbar sind,und – dassin jeder Reaktionszone (22, 24) Brennstoff (12, 14)und Oxidationsmittel (16, 18) zu Reformat (20)umgesetzt werden können.Reformer ( 10 ) for converting fuel ( 12 . 14 ) and oxidizing agents ( 16 . 18 ) to reformat ( 20 ), with a reaction zone ( 22 ), the fuel ( 12 ) and oxidizing agents ( 16 ), characterized in that - at least one further reaction zone ( 24 ), the fuel ( 14 ) and oxidizing agents ( 18 ), and - that in each reaction zone ( 22 . 24 ) Fuel ( 12 . 14 ) and oxidizing agents ( 16 . 18 ) to reformat ( 20 ) can be implemented.
    [2]
    Reformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die Umsetzung nach dem Verfahren der partiellen Oxidation (POX)erfolgt.Reformer according to claim 1, characterizedthat the reaction is carried out by the process of partial oxidation (POX)he follows.
    [3]
    Reformer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,dass die Umsetzung nach dem Verfahren der katalytischen partiellenOxidation (CPOX) erfolgt.Reformer according to Claim 2, characterizedthat the implementation according to the method of catalytic partialOxidation (CPOX) takes place.
    [4]
    Reformer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass die Reaktionszonen (22, 24)in thermischem Kontakt stehen.Reformer according to one of the preceding claims, characterized in that the reaction zones ( 22 . 24 ) are in thermal contact.
    [5]
    Reformer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, – dassdie Reaktionszonen (22, 24) eine im Wesentlichenaxialsymmetrische Anordnung aufweisen, wobei eine Reaktionszone(24) eine andere (22) umgibt, – dass dieHauptströmungsrichtungder miteinander reagierenden Substanzen im Wesentlichen eine axialeRichtung ist und – dassdie Hauptströmungsrichtungenin einander benachbarten Reaktionszonen (22, 24)entgegengesetzt sind.Reformer according to one of the preceding claims, characterized in that - the reaction zones ( 22 . 24 ) have a substantially axially symmetrical arrangement, wherein a reaction zone ( 24 ) another ( 22 ), that the main flow direction of the substances reacting with one another is essentially an axial direction, and that the main flow directions are in adjacent reaction zones (FIG. 22 . 24 ) are opposite.
    [6]
    Reformer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass ein Wärmeübertrager(26) zum Abführenvon Wärmeaus den Reaktionszonen (22, 24) vorgesehen ist.Reformer according to one of the preceding claims, characterized in that a heat exchanger ( 26 ) for removing heat from the reaction zones ( 22 . 24 ) is provided.
    [7]
    Reformer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass die Anteile der Reaktionszonen (22, 24)an der Reformerleistung überdie zugeführtenMengen von Brennstoff (12, 14) und/oder Oxidationsmittel(16, 18) separat einstellbar sind.Reformer according to one of the preceding claims, characterized in that the proportions of the reaction zones ( 22 . 24 ) on the reforming performance over the supplied amounts of fuel ( 12 . 14 ) and / or oxidizing agent ( 16 . 18 ) are separately adjustable.
    [8]
    Verfahren zum Umsetzen von Brennstoff (12, 14)und Oxidationsmittel (16, 18) zu Reformat (20)in einem Reformer (10) mit einer Reaktionszone (22), beidem der Reaktionszone (22) Brennstoff (12, 14) undOxidationsmittel (16, 18) zugeführt werden,dadurch gekennzeichnet, – dassmindestens eine weitere Reaktionszone 24 vorgesehen ist,der Brennstoff (12, 14) und Oxidationsmittel (16, 18)zuführbarsind, – dassin jeder Reaktionszone (22, 24) Brennstoff (12, 14)und Oxidationsmittel (16, 18) zu Reformat (20)umgesetzt werden können,und – dassdie Anteile der Reaktionszonen (22, 24) an der Reformerleistung über diezugeführtenMengen von Brennstoff (12, 14) und/oder Oxidationsmittel(16, 18) separat eingestellt werden.Method for converting fuel ( 12 . 14 ) and oxidizing agents ( 16 . 18 ) to reformat ( 20 ) in a reformer ( 10 ) with a reaction zone ( 22 ), in which the reaction zone ( 22 ) Fuel ( 12 . 14 ) and oxidizing agents ( 16 . 18 ), characterized in that - at least one further reaction zone 24 is provided, the fuel ( 12 . 14 ) and oxidizing agents ( 16 . 18 ), that - in each reaction zone ( 22 . 24 ) Fuel ( 12 . 14 ) and oxidizing agents ( 16 . 18 ) to reformat ( 20 ), and - that the proportions of the reaction zones ( 22 . 24 ) on the reforming performance over the supplied amounts of fuel ( 12 . 14 ) and / or oxidizing agent ( 16 . 18 ) can be set separately.
    [9]
    Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,dass die Umsetzung nach dem Verfahren der partiellen Oxidation (POX)erfolgt.Method according to claim 8, characterized in thatthat the reaction is carried out by the process of partial oxidation (POX)he follows.
    [10]
    Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,dass die Umsetzung nach dem Verfahren der katalytischen partiellenOxidation (CPOX) erfolgt.Method according to claim 9, characterized in thatthat the implementation according to the method of catalytic partialOxidation (CPOX) takes place.
    [11]
    Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet,dass die Reaktionszonen (22, 24) in thermischemKontakt stehen.Method according to one of claims 8 to 10, characterized in that the reaction zones ( 22 . 24 ) are in thermal contact.
    [12]
    Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, – dass dieReaktionszonen (22, 24) eine im Wesentlichen axialsymmetrischeAnordnung aufweisen, wobei eine Reaktionszone (22) eineandere umgibt, – dassdie Hauptströmungsrichtungder miteinander reagierenden Substanzen im Wesentlichen eine axialeRichtung ist und – dassdie Hauptströmungsrichtungenin einander benachbarten Reaktionszonen (22, 24)entgegengesetzt sind.Method according to one of claims 8 to 11, characterized in that - the reaction zones ( 22 . 24 ) have a substantially axially symmetrical arrangement, wherein a reaction zone ( 22 ) surrounds another, - that the main flow direction of the substances reacting with each other is substantially an axial direction, and - that the main flow directions in adjacent reaction zones ( 22 . 24 ) are opposite.
    [13]
    Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet,dass Wärmeaus den Reaktionszonen (22, 24) mit einem Wärmeübertrager(26) abgeführtwird.Method according to one of claims 8 to 12, characterized in that heat from the reaction zones ( 22 . 24 ) with a heat exchanger ( 26 ) is discharged.
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    优先权:
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