DE10333523B4

DE10333523B4 - Wärmetauscheranordnung zur Übertragung von Reformatenergie an Dampf und Luft

Info

Publication number: DE10333523B4
Application number: DE10333523A
Authority: DE
Inventors: Steven D. Burch; Matthew J. Beutel; Kevin Stukey
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2002-07-25
Filing date: 2003-07-23
Publication date: 2007-01-18
Anticipated expiration: 2023-07-24
Also published as: US20040262167A1; US20040018403A1; US7497881B2; US6899861B2; DE10333523A1

Abstract

Verfahren zum Synthetisieren von Wasserstoffgas aus einem Brennstoff, umfassend, dass ein Brennstoffstrom in eine Mischkammer (46) einer kombinierten Anordnung (12) aus Primärreaktor und Wärmetauscher geführt wird; wobei ein Wärmetauscherabschnitt (28) ringförmig um einen Primärreaktorabschnitt (30) der kombinierten Anordnung (12) aus Primärreaktor und Wärmetauscher herum angeordnet ist; der Brennstoffstrom und ein sauerstoffhaltiger Strom in der Mischkammer (46) gemischt werden; der Brennstoffstrom und der sauerstoffhaltige Strom einer Reformierungsreaktion in Anwesenheit eines Katalysatorbettes (56) unterzogen werden, der in dem Primärreaktorabschnitt (30) enthalten ist, wodurch Produktgase gebildet werden, von denen eines Wasserstoff ist; wobei der sauerstoffhaltige Strom durch eine Vielzahl von Einlasskanälen (40) des Wärmetauscherabschnittes (28) der kombinierten Anordnung (12) aus Primärreaktor und Wärmetauscher in die Mischkammer (46) geführt wird, und die Produktgase durch eine Vielzahl von Auslasskanälen (41) des Wärmetauscherabschnittes (28) geführt werden, wobei die Produktgase durch die Vielzahl von Auslasskanälen (41) in einer Richtung entgegen der Strömung des sauerstoffhaltigen Stromes durch die...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Brennstoffzellensysteme und insbesondere eine Gegenstrom-Wärmetauscheranordnung, um Reformatenergie für einen effizienten Betrieb von Verarbeitungseinheiten (Prozessoren) für Kohlenwasserstoff-Brennstoffe auf Dampf und Luft zu übertragen. Die vorliegende Erfindung kann in kleinräumigen, hochintegrierten Brennstoffzellensystemen verwendet werden, wie solchen, die in Kraftfahrzeugen oder Gebäuden verwendet werden.

Zwei Probleme tragen zu dem beschränkten Gebrauch von Wasserstoffgas beim Betrieb von kleinräumigen hochintegrierten Brennstoffzellensystemen bei, die z. B. in Kraftfahrzeugen oder Gebäuden verwendet werden. Einerseits besitzt Wasserstoffgas (H₂) eine niedrige Volumenenergiedichte im Vergleich zu herkömmlichen Kohlenwasserstoffen, was bedeutet, dass eine gleichwertige Menge an Energie, die als Wasserstoff gespeichert ist, mehr Volumen benötigt, als dieselbe Menge an Energie, die als ein herkömmlicher Kohlenwasserstoff gespeichert ist. Dies ist ein Problem, das eine Beschränkung der für Kraftfahrzeuge und Gebäude verfügbaren Brennstoffspeicherung zur Folge hat. Andererseits existiert derzeit keine weit verbreitete nationale Infrastruktur zur Wasserstoffversorgung, die eine große Anzahl von mit Brennstoffzellen betriebenen Kraftfahrzeugen oder Gebäuden versorgen könnte.

Jedoch ist in der Molekularstruktur von verschiedenen Kohlenwasserstoff- und Alkohol-Brennstoffen eine attraktive Wasserstoffquelle für derartige Brennstoffzellensysteme enthalten. Derzeitige kleinräumige hochintegrierte Brennstoffzellensysteme verwenden einen Reformer oder einen Brennstoffprozessor, um die Moleküle eines Primärbrennstoffes aufzubrechen und einen wasserstoffreichen Gasstrom zu erzeugen, der in der Lage ist, die Brennstoffzellen zu betreiben. Allgemein muss für den effizienten Betrieb derartiger Prozessoren für Kohlenwasserstoff-Brennstoffe der Primärreaktor eine hohe Reformatabgastemperatur typischerweise im Bereich von etwa 700°C bis etwa 750°C besitzen. Ein Absenken der Reformatabgastemperaturen unter den oben erwähnten Bereich resultiert in einer erheblichen Methanbildung, was die Nettowasserstofferzeugung verringert. Demgemäß werden, um diese hohe Reformatabgastemperatur zu erreichen und beizubehalten, die Reaktorzufuhrströme (d.h. Brennstoff, Dampf und Luft) vorerhitzt. Das Vorerhitzen minimiert auch die Menge an Luft, die erforderlich ist, was seinerseits den Wirkungsgrad maximiert.

Bei derzeitigen Konstruktionen stellen das den Primärreaktor verlassende Reformat und gegebenenfalls der Austrag von dem Abgasbrenner die einzigen beiden Quellen für Abwärme dar, die heiß genug sind, um beim Vorerhitzen der Dampf- und Lufteingänge in den Primärreaktor verwendet werden zu können. Um derartige Abwärme gewinnen zu können, verwenden Brennstoffprozessoren nach dem Stand der Technik einen Wärmetauscher in Reihe (Inline) mit dem den Primärreaktor verlassenden Reformat, um die Dampf- und Lufteingänge vorzuerhitzen. Typischerweise ist dieser Wärmetauscher in Reihe zwischen dem Primärreaktor und dem Wasser-Gas-Shift-Reaktor angeordnet. Das Reformat strömt in derselben Strömungsrichtung durch diese drei Einheiten wie auch andere unterstromige Einheiten.

Um einen Druckabfall zu minimieren und eine gleichförmige Geschwindigkeitsverteilung über die verschiedenen Systemreaktoren und Wärmetauscher sicherzustellen, ist die Stirnfläche des Wärmetauschers in Kontakt mit der Reformatströmung typischerweise so ausgebildet, dass sie mit der der Reaktoren übereinstimmt. Zusätzlich muss, um die Masse und das Volumen zu minimieren, wie auch die Gesamtlänge des Brennstoffprozessors zur Packung klein zu halten, die Distanz der Reformatströmung durch den Wärmetauscher klein gehalten werden, typischerweise < 50 % des diagonalen Maßes der Stirnfläche. Dieses geringe Aspektverhältnis (Schlankheits- bzw. Längenverhältnis) hat bei derartigen Brennstoffzellensystemen nach dem Stand der Technik zu der Verwendung einer Kreuzstrom-Wärmetauscherkonstruktion geführt.

Die Verwendung von Kreuzstrom-Wärmetauschern ist jedoch nicht ohne Konsequenzen. Insbesondere hat die Verwendung von Kreuzstrom-Wärmetauschern bei derartigen Brennstoffzellensystemen nach dem Stand der Technik den maximalen Wirkungsgrad für Wärmetauscher begrenzt und die Gefahr einer ungleichförmigen Reformattemperatur an ihrem Auslass erhöht. Zusätzlich werden der Dampf und die Luft, die derartige Kreuzstrom-Wärmetauscher in Reihenanordnung verlassen, typischerweise in einem Rohr zu dem Primärreaktoreinlass geführt, an dem der Brennstoff eingeführt und gemischt wird. Entlang dieses Rohrabschnittes kann ein erheblicher Wärmeverlust an die Umgebung erfolgen, sogar, wenn dieser im Wesentlichen isoliert ist. Um einen derartigen Wärmeverlust zu minimieren, betreffen Lösungen nach dem Stand der Technik, dass der Durchmesser des Rohrs, das den Wärmetauscher mit dem Einlass des Primärreaktors des Brennstoffprozessors verbindet, so klein wie möglich gehalten wird. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass die Verringerung des Rohrdurchmessers in einer schlechten Verteilung zwischen dem Brennstoff und dem resultierenden, mit einer kleinen Eintritts fläche in Verbindung stehenden Hochgeschwindigkeitsstrom aus Dampf und Luft resultiert. Die ungleichförmige Verteilung von Brennstoff, Luft und Dampf führt dazu, dass Abschnitte des Primärreaktors reicher arbeiten, als gewünscht ist, was in kälteren Temperaturen, einer höheren Methanbildung und einem geringeren Wirkungsgrad des Primärreaktors resultiert, und andere Abschnitte ärmer als gewünscht arbeiten, was in höheren Temperaturen resultiert, was zu einer Verschlechterung des Katalysators des Primärreaktors führt.

Bezüglich der Erhitzung des Dampf- und Lufteinganges zu dem Primärreaktor mit dem Austrag des Abgasbrenners betrifft ein Problem den Bedarf nach einem zusätzlichen Wärmetauscher, um die Brennerzufuhrströme vorzuerhitzen (beispielsweise den Stapelanodenaustrag und entweder den Stapelkathodenaustrag oder die Brennerluft). Dieser zusätzliche Wärmetauscher erhöht die Masse, das Volumen, die Kosten, den Druckabfall, die Komplexität sowie die Startzeit des Brennstoffprozessors. Zusätzlich besteht, da der Abgasbrenner die letzte Komponente in dem Brennstoffzellensystem ist, die Gefahr, dass Übergangsverzögerungen zwischen den mit dem Primärreaktor in Verbindung stehenden Anforderungen und den auf dem Brenner basierenden Reaktionen auftreten können. Schließlich erfordert die Verwendung von Abwärme von dem Abgasbrenner gewöhnlich, dass der Abgasbrenner in der Nähe des Primärreaktors angeordnet werden muss, um einen Wärmeverlust in dem Einlassluftrohr des Primärreaktors zu minimieren, was bei kleinräumigen sowie hochintegrierten Brennstoffzellensystemen nicht immer die bevorzugte Packungsmöglichkeit darstellen muss.

Die DE 197 27 841 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Synthetisieren von Wasserstoffgas aus einem Brennstoff nach dem Oberbegriff der unabhängige Ansprüche.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen mit denen wirksamer und effizienter Reformatenergie an Dampf und Luft übertragen wird.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmetauscherkonstruktion zur optimalen Übertragung von Wärmeenergie zwischen dem den Primärreaktor verlassenden Reformat und dem in den Primärreaktor eintretenden Dampf und Luft. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine einzelne Verwendung eines Hauptflächenwärmetauschers in echter Gegenstromausführung (prime-surface true counter-flow heat exchanger), der um den Katalysator des Primärreaktors positioniert ist, wodurch eine integrierte oder kombinierte Anordnung aus Primärreaktor und Wärmetauscher gebildet wird. Eine enge Kopplung des Wärmetauschers zum Wärmetausch von Reformat zu Dampf und Luft mit dem Primärreaktoreinlass resultiert in einem minimalen Wärmeenergieverlust und einem maximalen dynamischen Ansprechen wie auch einer verbesserten Leistungsfähigkeit des Primärreaktors und auch einer verbesserten Haltbarkeit bzw. Verschleißfestigkeit resultierend aus der verbesserten Mischung des Dampfes und der Luft mit Brennstoff.

Obwohl die vorliegende Erfindung nicht auf spezifische Vorteile oder Funktionsweisen begrenzt ist, sei angemerkt; dass die vorliegende Erfindung einen verringerten Wärmeverlust sowie einen erhöhten Wirkungsgrad des Wärmetauschers vorsieht, was in einem verbesserten Brennstoffwirkungsgrad des Brennstoffprozessors resultiert. Zusätzlich sieht die vorliegende Erfindung eine verbesserte Packung sowie verringerte Masse vor, was in einem schnelleren und effektiveren Start resultiert.

Ferner sieht die vorliegende Erfindung ein verbessertes Mischen von Brennstoff und Luft in dem Primärreaktoreinlass vor, was in einer verbesserten Verschleißfestigkeit und niedrigeren Emissionen resultiert. Überdies sieht die vorliegende Erfindung einen einfacheren Wärmetauscher aufbau mit weniger Teilen und abgedichteten Verbindungen vor, was in geringeren Kosten sowie einer verbesserten Verschleißfestigkeit resultiert.

Bei einer Ausführungsform ist ein Verfahren zum Synthetisieren von Wasserstoffgas aus einem Brennstoff offenbart. Das Verfahren umfasst, dass ein Brennstoffstrom in einen Primärreaktorabschnitt einer kombinierten Anordnung aus Primärreaktor und Wärmetauscher geführt wird und ein sauerstoffhaltiger Strom durch eine Vielzahl von Einlasskanälen eines Wärmetauscherabschnittes der kombinierten Anordnung aus Primärreaktor und Wärmetauscher in den Primärreaktorabschnitt geführt wird. Der Wärmetauscherabschnitt ist ringförmig um den Primärreaktorabschnitt angeordnet. Das Verfahren umfasst ferner, dass der Brennstoffstrom und der sauerstoffhaltige Strom einer Reformierungsreaktion in der Anwesenheit eines Katalysators, der in dem Primärreaktorabschnitt enthalten ist, unterzogen werden, wodurch Produktgase gebildet werden, von denen eines Wasserstoff ist. Das Verfahren umfasst ferner, dass die Produktgase durch eine Vielzahl von Auslasskanälen des Wärmetauscherabschnittes geführt werden, wobei die Produktgase durch die Vielzahl von Auslasskanälen in einer Richtung entgegengesetzt der Strömung des sauerstoffhaltigen Stromes durch die Vielzahl von Einlasskanälen strömen, um Wärmeenergie an den sauerstoffhaltigen Strom zu liefern.

Bei einer anderen Ausführungsform ist ein Verfahren zum autothermischen Synthetisieren von Wasserstoffgas von einem Kohlenwasserstoff-Brennstoff offenbart. Das Verfahren umfasst, dass ein Strom aus Kohlenwasserstoff-Brennstoff mit einer Strömung aus Luft und Dampf gemischt wird, die einen Wärmetauscher verlässt, wodurch ein gemischter Eingangsstrom erzeugt wird. Das Verfahren umfasst ferner, dass der gemischte Eingangsstrom in einem Reaktor, der einen Katalysator aufweist, reformiert wird, um Produktgase zu erzeugen. Der Wärme tauscher ist ringförmig um den Reaktor herum angeordnet. Das Verfahren umfasst ferner, dass Wärme von den Produktgasen auf den Luft- und Dampfstrom dadurch übertragen wird, dass die Produktgase durch den Wärmetauscher in einer Richtung entgegengesetzt zu der Strömung aus Dampf und Luft durch den Wärmetauscher geführt werden.

Bei einer noch weiteren Ausführungsform ist eine Vorrichtung zum Synthetisieren von Wasserstoffgas aus einem Brennstoff offenbart. Die Vorrichtung umfasst einen Primärreaktor mit einem Katalysator, der zwischen einem Einlass, der zur Aufnahme eines Brennstoffstromes und eines sauerstoffhaltigen Stromes ausgebildet ist, und einem Auslass angeordnet ist, der zur Lieferung von Produktgasen ausgebildet ist, von denen eines Wasserstoff ist. Die Vorrichtung umfasst ferner einen Wärmetauscher, der ringförmig um den Primärreaktor herum angeordnet ist. Der Wärmetauscher umfasst eine Vielzahl von Einlasskanälen und eine Vielzahl von Auslasskanälen. Die Einlasskanäle stehen in Fluidverbindung mit dem Einlass des Primärreaktors, und die Auslasskanäle stehen in Fluidverbindung mit dem Auslass des Primärreaktors. Die Einlasskanäle und die Auslasskanäle sind so ausgebildet, um eine Gegenstrom- Übertragung von Wärmeenergie dazwischen vorzusehen.

Bei einer noch weiteren Ausführungsform umfasst ein Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstapei, der mit einer Quelle für Wasserstoffgas versehen ist, sowie eine kombinierte Anordnung aus Primärreaktor und Wärmetauscher in Fluidverbindung mit dem Brennstoffzellenstapel, die dazu vorgesehen ist, um das Wasserstoffgas zu liefern. Die kombinierte Anordnung aus Primärreaktor und Wärmetauscher umfasst einen Primärreaktorabschnitt und einen Wärmetauscherabschnitt, der ringförmig um den Primärreaktorabschnitt herum angeordnet ist. Der Primärreaktorabschnitt sieht einen Katalysator zwischen einem Einlass, der zur Aufnahme eines Brennstoffstromes und eines sauerstoffhaltigen Stromes ausgebildet ist, und einem Auslass vor, der dazu vorgesehen ist, Produktgase zu liefern, von denen eines Wasserstoff ist. Der Wärmetauscherabschnitt umfasst eine Vielzahl von Einlasskanälen und eine Vielzahl von Auslasskanälen, wobei die Einlasskanäle in Fluidverbindung mit dem Einlass des Primärreaktors stehen und die Auslasskanäle in Fluidverbindung mit dem Auslass des Primärreaktors stehen. Die Einlasskanäle und die Auslasskanäle sind derart ausgebildet, um eine Gegenstrom-Übertragung von Wärmeenergie dazwischen vorzusehen.

Diese und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung einiger Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen offensichtlicher. Es sei angemerkt, dass der Schutzumfang der Ansprüche durch den Wortlaut darin und nicht durch die spezifische Beschreibung von Merkmalen und Vorteilen definiert ist, die in der vorliegenden Beschreibung dargelegt sind.

Die Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, wobei gleiche Bauteile bzw. Anordnungen mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, wobei:
1 ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystemes ist, das mit einer Ausführungsform einer kombinierten Anordnung aus Primärreaktor und Wärmetauscher gemäß der vorliegenden Erfindung versehen ist;
2 eine teilweise bruchstückhafte sowie Seitenansicht im Schnitt einer kombinierten Anordnung aus Primärreaktor und Wärmetauscher gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
3 eine Ansicht in der Richtung 3-3 von 2 ist;
4A-4F Ansichten in der Richtung 4-4 von 3 von verschiedenen Ausführungsformen einer Hauptfläche gemäß der vorliegenden Erfindung sind; und
5 eine Ansicht in der Richtung 5-5 von 4A ist.
Für Fachleute ist es offensichtlich, dass Elemente in den Figuren zur Vereinfachung und Verdeutlichung dargestellt und nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet sind. Beispielsweise können die Abmessungen von einigen der Elemente in den Figuren bezüglich anderer Elemente übertrieben dargestellt sein, um ein Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unterstützend zu verbessern.
Die 1-3 und 4A-4F offenbaren einige Ausführungsformen einer kombinierten Anordnung aus Primärreaktor sowie Gegenstrom-Wärmetauscher, die zum Reformieren eines Kohlenwasserstoff-Brennstoffs, wie beispielsweise Benzin, in einen Wasserstoffstrom mit hoher Qualität zur Verwendung in einem kleinräumigen hochintegrierten Brennstoffzellensystem geeignet ist. Es sei angemerkt, dass zusätzliche Ausführungsformen in den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung fallen können. Beispielsweise ist es, obwohl die vorliegende Erfindung hinsichtlich eines zylindrisch geformten Wärmetauschers beschrieben ist, der ringförmig um einen zylindrisch geformten Primärreaktor vorgesehen ist, anzumerken, dass Wärmetauscher und Primärreaktoren mit anderen geometrischen Formen ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegen.
1 zeigt ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem 10, das einen Brennstoffprozessor 11 mit einer kombinierten Anordnung aus Primärreaktor und Wärmetauscher ("PR/HX") 12 gemäß der vorliegenden Erfindung, einen Wasser-Gas-Shift-Reaktor 14 sowie einen Endstufengaswäscher (end stage scrubber) 16, wie beispielsweise einen Reaktor für selektive Oxidation oder einen Druckwechselabsorber, umfasst. Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst ferner einen Brennstoffzellenstapel 18 sowie einen Abgasbrenner 20. Bei der kombinierten PR/HX 12 wird ein Luft- und Dampfeingangsstrom 22 vor einem Mischen mit einer Strömung 24 aus Kohlenwasserstoff-Brennstoff erhitzt, um einen konsistenten Betrieb über einen breiten Bereich von Leistungspegeln sicherzustellen. Nach dem Erhitzen und Mischen erzeugt der strömende Brennstoff-Luft-Dampf-Strom über ein Katalysatorbett in einem Primärreaktor der kombinierten PR/HX 12 katalytisch einen wasserstoffreichen Reformatstrom 26. Wie später unter Bezugnahme auf die 2–4 detaillierter erläutert wird, liefert der Reformatstrom 26, der den Primärreaktor der kombinierten PR/HX 12 verlässt, Wärmeenergie an die Dampf- und Lufteingänge vor dem Verlassen der kombinierten PR/HX 12.
Bei einer Ausführungsform umfasst der Reformatstrom 26, der die kombinierte PR/HX 12 verlässt, H₂, CO₂, N₂, CO, Spurenverbindungen sowie Wasser in der Form von Dampf. Um das CO zu verringern und den Wirkungsgrad zu erhöhen, tritt der Reformatstrom 26 dann in den Wasser-Gas-Shift-Reaktor (WGS-Reaktor) 14 ein. Sauerstoff von eingeführtem Wasser wandelt das Kohlenmonoxid in Kohlendioxid um, wodurch zusätzlicher Wasserstoff zurückbleibt. Für einen optimalen Wirkungsgrad arbeitet der WGS-Reaktor 14 mit einer typischen Einlass temperatur des Reformatstromes zwischen etwa 250°C und etwa 400°C. Die Verringerung von Kohlenmonoxid auf akzeptable Konzentrationsniveaus (d.h. unterhalb 20 ppm) erfolgt in dem Endstufenwäscher 16. Bei der Ausführungsform mit einem Reaktor für selektive Oxidation (PrOx) wird Luft hinzugesetzt, um den Sauerstoff zu liefern, der benötigt wird, um den größten Teil des verbleibenden Kohlenmonoxids in Kohlendioxid umzuwandeln. Bei der Ausführungsform mit Druckwechselabsorber wird Kohlenmonoxid durch ein CO absorbierendes Material bzw. CO absorbierende Materialien absorbiert und durch ein Spülgas mit variablem Druck ausgespült. Die Betriebstemperaturen in dem Endstufenwäscher 16 liegen im Bereich von etwa 50°C bis etwa 200°C.
Der CO-gespülte Reformatstrom 26', der den Wäscher 16 verlässt, wird dann in den Brennstoffzellenstapel 18 zugeführt. Der Begriff "Brennstoffzellenstapel bzw. Brennstoffzellenstack", wie hier verwendet, betrifft eine Serie von Brennstoffzellen, die gemäß eines Sandwich-Prinzips angeordnet sind, und bezeichnet einen Wandler für elektrochemische Energie, der zu Veranschaulichungszwecken eine Anodenseite 19 und eine Kathodenseite 21 besitzt, die durch eine Diffusionsbarrierenlage 23 getrennt sind. Der CO-gespülte Reformatstrom 26' wird in die Anodenseite 19 des Brennstoffzellenstapels 18 zugeführt. Gleichzeitig wird Sauerstoff (beispielsweise Luft) von einem Oxidationsmittelstrom 27 in die Kathodenseite 21 des Brennstoffzellenstapels 18 zugeführt. Der Wasserstoff von dem CO-gespülten Reformatstrom 26' und der Sauerstoff von dem Oxidationsmittelstrom 27 reagieren in dem Brennstoffzellenstapel 18, um Elektrizität zum Betrieb einer Last 29 zu erzeugen. Der Austrag oder Abfluss 31 von der Anodenseite 19 des Brennstoffzellenstapels 18 enthält einen gewissen Anteil von nicht reagiertem Wasserstoff. Der Austrag oder Abfluss 33 von der Kathodenseite 21 des Brennstoffzellenstapels 18 enthält einen gewissen Anteil von nicht reagiertem Sauerstoff. Der gesamte nicht verwendete Wasserstoff in dem Austrag oder Abfluss 31, der den Brennstoffzellenstapel 18 verlässt, wird zusammen mit dem nicht reagierten Sauerstoff in dem Austrag oder Abfluss 33 in dem Abgasbrenner 20 verbraucht, der bei einer Temperatur zwischen etwa 300°C und etwa 800°C arbeitet. Nun folgt eine Erläuterung der kombinierten PR/HX.
Die kombinierte Anordnung aus Primärreaktor und Wärmetauscher (PR/HX) 12 der vorliegenden Erfindung verwendet einen Hauptflächen-Wärmetauscher vom Gegenstromtyp, der über einen Primärreaktor eingepasst ist. Diese Anordnung resultiert in einem erheblich höheren Wirkungsgrad des Wärmetauschers für eine gleiche oder kleinere Masse und ein gleiches oder kleineres Volumen und einer wesentlich kürzeren Gesamtbrennstoffprozessorlänge. Zusätzlich resultiert die Tatsache, dass der Primärreaktor von einem Wärmetauscher mit einer durchschnittlichen Temperatur von etwa 400°C umgeben ist, darin, dass der Primärreaktor weniger Wärme verliert, und versieht den Brennstoffprozessor 11 mit einer kühleren Außenflächentemperatur. Wie in den 2 und 3 gezeigt ist, umfasst eine Ausführungsform der kombinierten PR/HX 12 einen ringförmig geformten Wärmetauscherabschnitt 28, der einen zylindrischen Primärreaktorabschnitt 30 umgibt. Bei anderen Ausführungsformen können andere geometrische Formen ebenfalls für den Wärmetauscherabschnitt 28 und den Primärreaktorabschnitt 30 verwendet werden. Der Luft- und Dampfeingangsstrom 22 wird durch einen ersten konzentrischen Einlass 32 in den Wärmetauscherabschnitt 28 zugeführt; obwohl andere Gaseintrittsmittel vorgesehen sein können. Der Luft- und Dampfeingangsstrom 22 besitzt eine Temperatur von etwa 100°C bis etwa 300°C.
Eine interne konzentrische ringförmige Röhre 34 umgibt die PR/HX 12 benachbart eines ersten Endes 36. Die Röhre 34 verteilt den Luft- und Dampfeingangsstrom 22 gleichmäßig um einen Eingang 38 und gibt diesen an jede einer Vielzahl von Einlasskanälen 40 des Wärmetauscherabschnittes 28 ab. Die Vielzahl von Einlasskanälen 40 ist zwischen äußeren und inneren konzentrischen zylindrischen Schalen 42 bzw. 44 ausgebildet. Die äußeren und inneren Schalen 42 und 44 des Wärmetauscherabschnitts 28 können aus einem beliebigen Material bestehen, das in der Lage ist, die Betriebstemperaturen im Bereich von etwa 400°C bis etwa 500°C auszuhalten, wie beispielsweise Metalle und Verbundstoffe.
Oftmals wird die kombinierte PR/HX 12 bei erhöhten Drücken betrieben, zum Beispiel typischerweise zwischen etwa 1,5 bis etwa 4 Atmosphären absolut. Somit ist die Außenschale 42 dazu in der Lage, den erhöhten Druck des Dampfes, der Luft und des Reformates aufzunehmen. Um jedoch die Masse des Primärreaktorabschnitts und des Wärmetauscherabschnitts sowie die Startzeit zu minimieren, kann die Innenschale 44 dünner als die Außenschale 42 ausgebildet sein, da der relative Druck über diese ziemlich klein ist. Die Außenschale 42 kann dicker ausgebildet sein, um den gesamten erhöhten Systemdruck zu stützen. Bei einer Ausführungsform besitzt die Außenschale 42 eine Dicke des etwa 3- bis etwa 20-fachen derjenigen Dicke der Innenschale 44. Zusätzlich kann, um einen Wärmeverlust an die Umgebung zu minimieren, die Gesamtabmessung der kombinierten PR/HX 12 bei einer Ausführungsform ein Verhältnis von Länge L zu Durchmesser D von etwa 0,5 bis etwa 2 besitzen. Die kombinierte PR/HX 12 besitzt typischerweise eine auf die Spitzenwasserstoffabgabeleistung bezogene Masse von etwa 0,04 bis etwa 0,14 kg/kW sowie ein auf die Spitzenwasserstoffleistung bezogenes Volumen von etwa 0,02 bis etwa 0,07 Liter/kW. Demgemäß liegt die typische Spitzenwasserstoffabgabeleistung des Brennstoffprozessors 11 auf einer Basis mit geringerem Heizwert zwischen etwa 3 bis etwa 500 kW, was der elektrischen Nettoleistungsabgabe des Brennstoffzellensystems von etwa 1 bis etwa 200 kW entspricht.
Der Luft- und Dampfeingangsstrom 22, der in den Wärmetauscherabschnitt 28 von dem Eingang 38 durch die Vielzahl von Einlasskanälen 40 strömt, nimmt Wärmeenergie auf und expandiert frei in Richtung einer kegelförmigen oder ringförmigen Mischkammer 46 zu dem Primärreaktorabschnitt 30. Eine poröse Struktur 48 ist zwischen einem Auslass 50 der Vielzahl von Einlasskanälen 40 und der Mischkammer 46 des Primärreaktorabschnittes 30 vorgesehen. Die poröse Struktur 48 dient dazu, den erhitzten Luft- und Dampfstrom 22 zu verteilen und eine gleichförmigere Mischung mit dem Brennstoffstrom 24 vorzusehen. Die poröse Struktur 48 sieht eine gleichförmige Mischung vor, indem der Brennstoffstrom 24 durch ein zweites Ende 52 der kombinierten PR/HX 12 in die Mischkammer 46 durch einen Einlass 54 geführt wird.
Die Mischkammer 46 ist so geformt, dass der Brennstoffstrom 24 beim Verlassen des Einlasses 54 frei in den Innenraum expandiert, der durch die Mischkammer 46 vorgesehen ist, um sich mit dem erhitzten Luft- und Dampfstrom 22 zu mischen. Der Brennstoffstrom 24, der den Einlass 54 verlässt, liegt typischerweise bei einer Temperatur von etwa 20°C bis etwa 80°C. Nach dem Mischen und Expandieren in dem Innenraum der Mischkammer 46 besitzt der Luft-Dampf-Brennstoffstrom typischerweise eine Temperatur von etwa 350°C bis etwa 500°C.
Nach dem Mischen führt die Mischkammer 46 den Luft-Dampf-Brennstoff-Strom dem Primärreaktorabschnitt 30 zu. Ein Bett 56 aus Katalysatormaterialien ist in dem Innenraum des Primärreaktorabschnittes 30 vorgesehen, wie am besten in 3 gezeigt ist. Der strömende Luft-Dampf-Brennstoff-Strom reagiert in dem Bett 56 bei einer typischen durchschnittlichen Temperatur von etwa 750°C, wobei in der Anwesenheit des Katalysators die Reaktion zwischen Brennstoff, Luft und Dampf zu der Bildung von freiem Wasserstoff führt. Typische Katalysatormaterialien umfassen eines oder mehrere Basismetalle bzw. Grundmetalle und/oder Metalle aus der Gruppe VIII des Periodensystems. Zusätzlich zu dem Katalysator umfasst der Primärreaktor 30 ferner eine wabenförmige Keramik, einen metallischen Monolithen oder einen porösen Schaumträger und/oder anorganische feuerbeständige Oxidpartikel, um dem Katalysatorbett 56 eine Abstützung zu verleihen und dem Primärreaktorabschnitt 30 seine Form zu geben. Insbesondere kann das Katalysatorbett 56 Nickel, Kobalt, Platin, Palladium, Rhodium, Ruthenium, Iridium, Magnesium, Magnesiumaluminat, Aluminiumoxid, Siliziumdioxid, Zirkondioxid, Kalium und deren Kombinationen umfassen.
Um die Innenwand der inneren Schale 44 ist eine Isolierungsauskleidung 60 angeordnet, die einen Behälter bildet, der den Primärreaktor 30 enthält. Der Reformatstrom 26 wird an dem Boden des Bettes 56 über einen kreisförmigen Raum 58 gesammelt, der zwischen dem Primärreaktorabschnitt 56 und der Isolierungsauskleidung 60 vorgesehen ist. Wie in 3 gezeigt ist, besitzt der kreisförmige Raum 58 einen Durchmesser B, der größer als der des primären Reaktorabschnitts 30 ist, wodurch ausreichend Fläche für den Reformatstrom 26 vorgesehen wird, so dass dieser um den Primärreaktorabschnitt 30 herum in Richtung des zweiten Endes 52 der kombinierten PR/HX 12 strömen kann. Der Reformatstrom 26 strömt in diesem ringförmigen Raum 58 bei einer Temperatur von etwa 725°C. Eine dazwischen liegende Isolierungslage 62, die das Bett 56 des Primärreaktorabschnittes 30 umgibt, dient dazu, den Aufprall des heißen strömenden Reformatstromes 26 zu dämpfen, und dient somit dazu, das Katalysatorbett 56 vor einem Abplatzen bzw. Abblättern infolge eines thermischen Schockes zu schützen. Es sei angemerkt, dass die dazwischen liegende Isolierungslage 62 optional ist und bei Ausführungs formen mit metallischem Monolithen für den Primärreaktorabschnitt 30 nicht erforderlich sein muss.
Der heiße strömende Reformatstrom 26 wird durch die Außenform der Mischkammer 46 in eine Vielzahl von Auslasskanälen 41 des Wärmetauscherabschnittes 28 geführt und durch den Luft- und Dampfeingangsstrom 22 gekühlt, der entgegen dem Reformatstrom 26 in der Vielzahl von Einlasskanälen 40 strömt. Die äußere Isolierungslage 64, die die kombinierte PR/HX 12 umgibt, stellt sicher, dass ein Hauptteil der Wärmeenergie von dem Reformatstrom 26 in der Vielzahl von Auslasskanälen 41 an den Luft- und Dampfstrom 22 in der Vielzahl von Einlasskanälen 40 übertragen wird. Der gekühlte Reformatstrom 26 verlässt die Vielzahl von Auslasskanälen 41 in einen zentralen Auslass 66, der teilweise von der ringförmigen Röhre 34 umgeben ist, und durch das erste Ende 36 der kombinierten PR/HX 12 nach außen. Es sei angemerkt, dass die Auskleidung 60 auch den gekühlten Reformatstrom 26, der den Wärmetauscher 28 verlässt, vor dem heißen Reformatstrom 26 isoliert, der den Primärreaktorabschnitt 30 verlässt, um einen Wärmeübergang auf den gekühlten Reformatstrom 26 zu minimieren.
Die Vielzahl von Einlass- und Auslasskanälen 40 und 41 erstreckt sich in einer axialen Richtung, die entlang der gesamten Länge des Primärreaktorabschnittes 30 verläuft, wie in 2 gezeigt ist. Wie am besten in 3 gezeigt ist, ist die Vielzahl von Einlass- und Auslasskanälen 40 bzw. 41 des Wärmetauscherabschnittes 28 ringförmig um den Primärreaktorabschnitt angeordnet. Die Einlass- und Auslasskanäle 40 und 41 können in verschiedenen Formen aufgebaut sein. Bei einer Ausführungsform ist die Vielzahl von Einlass- und Auslasskanälen aus einer Hauptfläche (prime surface) 68 ausgebildet, wie in 3 gezeigt ist. Bei einer derartigen Ausführungsform besteht die gesamte Oberfläche des Wärmetauscherabschnittes 28 aus einer einzelnen Tafel 68 aus gewelltem Material (beispielsweise Blech), was die Anzahl von Teilen erheblich verringert, die dazu erforderlich sind, den Wärmetauscher aufzubauen. Die gewellte Tafel 68 kann eine Dicke von etwa 0,05 mm bis etwa 0,13 mm besitzen und kann in einer Anzahl von Formen vorgesehen sein, wie in den 4A-4C gezeigt ist. Bei solchen Ausführungsformen mit einzelner Tafel ist die Verschleißfestigkeit dadurch gesteigert, dass die Anzahl von Fertigungsverbindungen verringert ist, die leckdicht hartgelötet oder geschweißt werden müssen, wodurch auch die Herstellkosten verringert sind. Bei anderen Ausführungsformen kann auch eine Konstruktion mit mehreren Tafeln verwendet werden, wie in 4D gezeigt ist, wobei entweder die Einlass- oder die Auslassrohrleitung durch zwei oder mehr Hauptflächen 68A und 68B gebildet ist. Bei einer noch weiteren Ausführungsform kann entweder die Vielzahl von Einlasskanälen 40 oder die Vielzahl von Auslasskanälen 41 eine ringförmige Anordnung von Rohren 70 mit kleinem Durchmesser sein, wie in 4E gezeigt ist. Bei einer derartigen Ausführungsform ist die andere Rohrleitung durch den Raum definiert, der um die Rohre 70 vorgesehen ist, was beispielsweise als Auslassrohrleitung 41 gezeigt ist.
Ferner können auch andere Verbesserungen bezüglich der Hauptfläche 68 in den gezeigten Ausführungsformen der 4A – 4E enthalten sein. Beispielsweise kann ein leicht gewelltes bzw. gekräuseltes Muster mit oder ohne Rippenflächen 69 (4C) in den gezeigten Wellungs-Ausführungsformen der Hauptfläche 68 verwendet werden. Für das leicht gewellte Muster können anstelle eines geraden Strömungsweges für den Reformatstrom 26 und den Luft- und Dampfeingangsstrom 22, wie in den 2 und 3 im Schnitt gezeigt ist, beide Ströme bei jeder der gezeigten Ausführungsformen so gerichtet sein, um in einem wellenförmigen oder leicht sinusförmigen Muster in der axialen Richtung rückwärts und vorwärts zu strömen, wie durch die Hauptfläche 68 definiert ist. Dieses Merkmal ist in 5 gezeigt, das beispielsweise auf das Muster von 4A angewendet ist. Dieses leicht gewellte Muster 72 der Hauptfläche 68 kann durch ein Verhältnis von Amplitude zu Wellenlänge von etwa 0,1 bis etwa 1 definiert sein. Das leicht gewellte Muster 72 steigert das Mischen sowie eine leichte Turbulenz in den Strömungen der heißen und kalten Ströme, wodurch der Wärmeübergangskoeffizient beider Fluidströme erhöht wird. Eine Steigerung des Mischens sowie der Zusatz der leichten Turbulenz erhöht den Wirkungsgrad des Wärmeübergangs oder erlaubt einen gleichen Wirkungsgrad des Wärmeübergangs bei verringerter Masse und verringertem Volumen, wodurch der Brennstoffprozessor die Betriebstemperatur in kürzerer Zeit erreichen kann. Ferner steigert ein Zusatz eines leicht gewellten Musters 72 und/oder ein Zusatz von Rippenflächen 69 zu der Hauptfläche 68 auch die Verschleißfestigkeit dadurch, dass eine gesteigerte Verbiegefähigkeit vorgesehen wird, wenn sie Wärmeausdehnungskräften ausgesetzt wird.
Eine andere Verbesserung besteht darin, eine Wellungsbreite Cw_r der Auslassrohrleitung 41 für den Reformatstrom 26 zu verwenden, die größer als die Wellungsbreite Cw_s der Einlassrohrleitung 40 für den Luft- und Dampfeingangsstrom 22 ist, wie in 4F gezeigt ist. Eine derartige Anordnung minimiert den Gesamtdruckabfall der Fluidströme über den Wärmetauscher. Idealerweise ist das Verhältnis der Wellungsbreiten Cw_r/Cw_s so eingestellt, dass die Strömungsgeschwindigkeiten des Luft- und Dampfeingangsstromes 22 und des Reformatstromes 26 in jeder jeweiligen Rohrleitung gleich sind. Bei einer Ausführungsform ist das Wellungsbreitenverhältnis im Bereich von etwa 1,3 bis etwa 1,6.
Die vorhergehende Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen hat eine Anzahl von Ausführungsformen für einen Wärme tauscher in echter Gegenstromausführung dargelegt, der für sich genommen zu einem erheblich höheren Wirkungsgrad des Wärmetauschers für eine gegebene Masse und ein gegebenes Volumen in Bezug zu einem herkömmlichen Kreuzstrom-Wärmetauscher in Reihe (Inline) führt. Ferner ist mit diesen offenbarten Ausführungsformen, während die Gesamtlänge des Primärreaktorabschnittes kleiner als diejenige von herkömmlichen Brennstoffprozessoren ist, die Länge des Wärmetauscherabschnittes infolge von Raumeinsparungen (was die Packung erleichert) gegenüber herkömmlichen Kreuzstrom-Wärmetauschern in Reihe erheblich erhöht.
Dadurch, dass das den Primärreaktor verlassende Reformat über den Primärreaktor über einen kleinen Ringabschnitt geführt wird, kann der Dampf und die Luft in den Wärmetauscher in der Nähe des Primärreaktorauslasses eintreten und den Wärmetauscher verlassen und direkt in den Primärreaktoreinlass strömen. Dies beseitigt eine Hauptquelle für Wärmeverlust von dem erhitzten Dampf und der erhitzten Luft, was zu einem verbesserten Wirkungsgrad des Brennstoffprozessors führt. Der Dampf und die Luft treten in den Einlass über eine wesentlich größere Fläche um den gesamten Einlass herum anstelle von einem kleinen Rohr auf einer Seite des Einlasses ein, wie es bei herkömmlichen Wärmetauschern in Reihe der Fall ist. Dies steigert die Gleichmäßigkeit des Dampfes, der Luft und des Brennstoffes erheblich, was dazu führt, dass die Leistungsfähigkeit sowie die Verschleißfestigkeit des Primärreaktors verbessert sind. Eine weitere Verringerung des Wärmeverlustes sowie eine Verbesserung des Wirkungsgrades des Primärreaktors wird dadurch erreicht, dass der Primärreaktor, der typischerweise bei Temperaturen zwischen etwa 700°C und etwa 800°C arbeitet, von dem Wärmetauscher umgeben ist, der bei einer durchschnittlichen Temperatur von etwa 400°C arbeitet.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden ist, sei zu verstehen, dass zahlreiche Änderungen innerhalb des Schutzumfangs der beschriebenen erfinderischen Konzepte möglich sind. Insbesondere sei, obwohl die kombinierte PR/HX hinsichtlich einer Ausführung in einem autothermischen Kohlenwasserstoff-Brennstoffzellensystem beschrieben worden ist, zu verstehen, dass die hier ausgeführten Prinzipien gleichermaßen auf Brennstoffzellensysteme anwendbar sind, die durch andere endotherm reformierbare Brennstoffe beliefert werden, wie beispielsweise Methanol, Ethanol oder fossile Brennstoffe (beispielsweise Methan oder Erdgas): Zusätzlich können, obwohl die kombinierte PR/HX als Teil eines Brennstoffprozessors mit einem Wasser-Gas-Shift-Reaktor und einem Endstufenwäscher (d.h. PrOx-Reaktor oder Druckwechselabsorber) gezeigt worden ist, andere CO-Verringerungsmechanismen und -anordnungen mit der kombinierten PR/HX verwendet werden. Demgemäß ist die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt, sondern sie besitzt den vollen Schutzumfang, der durch den Wortlaut der folgenden Ansprüche definiert ist.
Zusammengefasst ist eine Wärmetauscherkonstruktion zur optimalen Übertragung von Wärmeenergie zwischen einen Primärreaktor verlassendem Reformat und in den Primärreaktor eintretendem Dampf und Luft vorgesehen. Insbesondere umfasst eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen Hauptflächenwärmetauscher in echter Gegenstromausführung, der um den Primärreaktor herum positioniert ist.

Claims

Verfahren zum Synthetisieren von Wasserstoffgas aus einem Brennstoff, umfassend, dass ein Brennstoffstrom in eine Mischkammer (46) einer kombinierten Anordnung (12) aus Primärreaktor und Wärmetauscher geführt wird; wobei ein Wärmetauscherabschnitt (28) ringförmig um einen Primärreaktorabschnitt (30) der kombinierten Anordnung (12) aus Primärreaktor und Wärmetauscher herum angeordnet ist; der Brennstoffstrom und ein sauerstoffhaltiger Strom in der Mischkammer (46) gemischt werden; der Brennstoffstrom und der sauerstoffhaltige Strom einer Reformierungsreaktion in Anwesenheit eines Katalysatorbettes (56) unterzogen werden, der in dem Primärreaktorabschnitt (30) enthalten ist, wodurch Produktgase gebildet werden, von denen eines Wasserstoff ist; wobei der sauerstoffhaltige Strom durch eine Vielzahl von Einlasskanälen (40) des Wärmetauscherabschnittes (28) der kombinierten Anordnung (12) aus Primärreaktor und Wärmetauscher in die Mischkammer (46) geführt wird, und die Produktgase durch eine Vielzahl von Auslasskanälen (41) des Wärmetauscherabschnittes (28) geführt werden, wobei die Produktgase durch die Vielzahl von Auslasskanälen (41) in einer Richtung entgegen der Strömung des sauerstoffhaltigen Stromes durch die Vielzahl von Einlasskanälen (40) strömen, um Wärmeenergie an den sauerstoffhaltigen Strom zu liefern; dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscherabschnitt (28) durch eine in einem Zwischenraum zwischen einer Außenschale (42) und einer Innenschale (44) angeordnete Hauptfläche (68) derart ausgebildet wird, dass die Ein lasskanäle (40) und die Auslasskanäle (41) gerade laufende benachbarte Kanäle sind.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass der Brennstoffstrom mit dem sauerstoffhaltigen Strom gemischt wird, bevor der Brennstoffstrom und der sauerstoffhaltige Strom der Reformierungsreaktion unterzogen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der sauerstoffhaltige Strom Luft, Dampf und deren Kombinationen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Brennstoffstrom Kohlenwasserstoff-Brennstoffe, Alkohole und deren Kombinationen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Katalysatorbett (56) Nickel, Kobalt, Platin, Palladium, Rhodium, Ruthenium, Iridium, Magnesium, Magnesiumaluminat, Aluminiumoxid, Siliziumdioxid, Zirkondioxid, Kalium und deren Kombinationen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass die Produktgase einer Wasser-Gas-Shift-Reaktion unterzogen werden, um Kohlenmonoxid und Wasser in den Produktgasen in Kohlendioxid umzuwandeln, wodurch zusätzlicher Wasserstoff zurückbleibt.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass die Produktgase einem Endstufengaswäscher (16) ausgesetzt werden, um die Kohlenmonoxidkonzentration in den Produktgasen zu verringern.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass die Produktgase an einen Brennstoffzellenstapel (18) geliefert werden, um Elektrizität zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei Abflüsse von dem Brennstoffzellenstapel (18) an einen Abgasbrenner (20) geführt werden.
Verfahren zum autothermischen Synthetisieren von Wasserstoffgas von einem Kohlenwasserstoff-Brennstoff, umfassend, dass: ein Strom aus Kohlenwasserstoff-Brennstoff mit einer Strömung aus Luft und Dampf, die einen Wärmetauscher (28) verlassen, in einer Mischkammer (46) gemischt wird, wodurch ein gemischter Eingangsstrom erzeugt wird; der gemischte Eingangsstrom in einem Reaktor (30) reformiert wird, der ein Katalysatorbett (56) aufweist, um Produktgase zu erzeugen, wobei der Wärmetauscher (28) ringförmig um den Reaktor (30) angeordnet ist; und Wärme von den Produktgasen auf den Luft- und Dampfstrom übertragen wird, indem die Produktgase durch den Wärmetauscher (28) in einer Richtung entgegen der Strömung aus Dampf und Luft durch den Wärmetauscher (28) geführt werden; dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscherabschnitt (28) durch eine in einem Zwischenraum zwischen einer Außenschale (42) und einer Innenschale (44) angeordnete Hauptfläche (68) derart ausgebildet wird, dass die Einlasskanäle (40) und die Auslasskanäle (41) gerade laufende benachbarte Kanäle sind.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Übertragen von Wärme umfasst, dass Wärme direkt durch die Hauptfläche (68) geleitet wird, wobei die Produktgase durch die Auslasskanäle (41) und der Dampf und die Luft durch die Einlasskanäle strömen (40).
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Einlasskanäle (40) und die Auslasskanäle (41) ringförmig um den Reaktor (30) in einer axialen Richtung angeordnet sind, die entlang der Länge des Reaktors (30) verläuft.
Vorrichtung (12) zum Synthetisieren von Wasserstoffgas aus einem Brennstoff, wobei die Vorrichtung (12) umfasst: einen Primärreaktor (30) mit einem Katalysatorbett (56), der zwischen einem Einlass, der zur Aufnahme eines Brennstoffstromes und eines sauerstoffhaltigen Stromes ausgebildet ist, und einem Auslass angeordnet ist, der zur Lieferung von Produktgasen ausgebildet ist, wobei eines der Gase Wasserstoff ist, und einen Wärmetauscher (28), der ringförmig um den Primärreaktor (30) angeordnet ist, wobei der Wärmetauscher (28) eine Vielzahl von Einlasskanälen (40) und eine Vielzahl von Auslasskanälen (41) aufweist, wobei die Einlasskanäle (40) in Fluidverbindung mit dem Einlass des Primärreaktors (30) stehen und die Auslasskanäle (41) in Fluidverbindung mit dem Auslass des Primärreaktors (30) stehen, wobei die Einlasskanäle (40) und die Auslasskanäle (41) derart ausgebildet sind, um eine Gegenstrom-Übertragung von Wärmeenergie dazwischen vorzusehen; dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscherabschnitt (28) durch eine in einem Zwischenraum zwischen einer Außenschale (42) und einer Innenschale (44) angeordnete Hauptfläche (68) derart ausgebildet ist, dass die Einlasskanäle (40) und die Auslasskanäle (41) gerade laufende benachbarte Kanäle sind.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei der Auslass des Primärreaktors (30) ein ringförmiger Raum ist, der durch eine Isolierungsauskleidung (60) definiert ist, die zwischen dem Wärmetauscher (28) und dem Primärreaktor (30) vorgesehen ist, wobei die Isolierungsauskleidung (60) einen Wärmeübergang von heißem synthetisiertem Wasserstoffgas, das den Primärreaktor (30) verlässt, zu gekühltem synthetisierten Wasserstoffgas minimiert, das den Wärmetauscher (28) verlässt.
Vorrichtung (12) nach Anspruch 13, wobei der Primärreaktor (30) ferner eine wabenförmige Keramik, einen metallischen Monolithen oder einen porösen Schaumträger, anorganische nicht brennbare Oxidpartikel und deren Kombinationen umfasst, um dem Katalysatorbett (56) eine Abstützung zu verleihen.
Vorrichtung (12) nach Anspruch 13, wobei das Katalysatorbett (56) Nickel, Kobalt, Platin, Palladium, Rhodium, Ruthenium, Iridium, Magnesium, Magnesiumaluminat, Aluminiumoxid, Siliziumdioxid, Zirkondioxid, Kalium und deren Kombinationen umfasst.
Vorrichtung (12) nach Anspruch 13, ferner mit einer Mischkammer (46), die vor dem Einlass des Brennstoffprozessors positioniert ist, wobei die Mischkammer (46) derart ausgebildet ist, um für eine gleichmäßige Mischung des Brennstoffstromes mit dem sauerstoffhaltigen Strom zu sorgen.
Vorrichtung (12) nach Anspruch 13, wobei der Primärreaktor (30) in einem Innendurchmesser der Innenschale (44) angeordnet ist.
Vorrichtung (12) nach Anspruch 13, wobei die Hauptfläche (68) eine einzelne gewellte Blechtafel umfasst.
Vorrichtung (12) nach Anspruch 13, wobei die Hauptfläche (68) zumindest eine gewellte Blechtafel umfasst.
Vorrichtung (12) nach Anspruch 20, wobei die Hauptfläche (68) eine erste Wellungsbreite für die Auslassrohrleitung und eine zweite Wellungsbreite für die Einlassrohrleitung aufweist.
Vorrichtung (12) nach Anspruch 20, wobei die Hauptfläche (68) eine erste Wellungsbreite für die Auslassrohrleitung und eine zweite Wellungsbreite für die Einlassrohrleitung aufweist, wobei ein Verhältnis der ersten Wellungsbreite zu der zweiten Wellungsbreite zwischen etwa 1,3 bis zu etwa 1,6 liegt.
Vorrichtung (12) nach Anspruch 21, wobei die erste Wellungsbreite größer als die zweite Wellungsbreite ist.
Vorrichtung (12) nach Anspruch 13, wobei die Hauptfläche (68) ein gerades Strömungsmuster, ein leicht gewelltes Muster, Rippenflächen und/oder deren Kombinationen umfasst.
Vorrichtung (12) nach Anspruch 13, wobei der Wärmetauscher (28) eine Auskleidung (60) umfasst, die um einen Innenraum der Innenschale (44) angeordnet ist, wobei die Auskleidung (60) eine Wärmeübertragung von heißem synthetisierten Wasserstoffgas, das den Primärreaktor (30) verlässt, an kaltes synthetisiertes Wasserstoffgas minimiert, das den Wärmetauscher (28) verlässt.
Vorrichtung (12) nach Anspruch 25, mit einer porösen Struktur in Fluidverbindung mit den Einlasskanälen (40), um den sauerstoffhaltigen Dampf ringförmig in die Mischkammer (46) zu führen.
Vorrichtung (12) nach Anspruch 13, wobei der Wärmetauscher (28) ferner eine ringförmige Röhre (34) umfasst, die einen Einlass zur Aufnahme des sauerstoffhaltigen Stromes besitzt, wobei die ringförmige Röhre in Verbindung mit der Vielzahl von Einlasskanälen (40) steht.
Vorrichtung (12) nach Anspruch 27, wobei der Wärmetauscher (28) ferner einen zentralen Auslass in Fluidverbindung mit der Vielzahl der Auslasskanäle (41) umfasst, wobei der zentrale Auslass teilweise von der ringförmigen Röhre (34) umgeben ist.
Vorrichtung (12) nach Anspruch 13, wobei die Vorrichtung (12) ein Verhältnis von Länge L zu Durchmesser D von etwa 0,5 bis etwa 2 besitzt.
Verwendung einer Vorrichtung (12) zum Synthetisieren von Wasserstoffgas aus einem Brennstoff mit einer Brennstoffstapel (18), der mit einer Quelle für Wasserstoffgas versehen ist, um Elektrizität zu erzeugen, wobei die Vorrichtung (12) umfasst: eine kombinierte Anordnung aus Primärreaktor und Wärmetauscher in Fluidverbindung mit dem Brennstoffzellenstapel (18), die zur Lieferung des Wasserstoffgases ausgebildet ist, wobei die kombinierte Anordnung aus Primärreaktor und Wärmetauscher einen Primärreaktorabschnitt (30) und einen Wärmetauscherabschnitt (28) umfasst, der ringförmig um den Primärreaktorabschnitt (30) angeordnet ist, wobei der Primärreaktorabschnitt (30) ein Katalysatorbett (56) zwischen einem Einlass, der zur Aufnahme eines Brennstoffstromes und eines sauerstoffhaltigen Stromes ausgebildet ist, und einem Auslass vorsieht, der zur Lieferung von Produktgasen ausgebildet ist, wobei eines der Gase Wasserstoff ist, wobei der Wärmetauscherabschnitt (28) eine Vielzahl von Einlasskanälen (40) und eine Vielzahl von Auslasskanälen (41) aufweist, wobei die Einlasskanäle (40) in Fluidverbindung mit dem Einlass des Primärreaktors (30) und die Auslasskanäle (41) in Fluidverbindung mit dem Auslass des Primärreaktors (30) stehen, und wobei die Einlasskanäle (40) und die Auslasskanäle (41) derart angeordnet sind, um eine Gegenstrom-Übertragung von Wärmeenergie dazwischen vorzusehen, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscherabschnitt (28) durch eine in einem Zwischenraum zwischen einer Außenschale (42) und einer Innenschale (44) angeordnete Hauptfläche (68) derart ausgebildet ist, dass die Einlasskanäle (40) und die Auslasskanäle (41) gerade laufende benachbarte Kanäle sind.