DE19947755A1 - Autothermer Reformierungsreaktor - Google Patents

Autothermer Reformierungsreaktor

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen autothermen Reformierungsreaktor, umfassend DOLLAR A - eine endotherme Reaktionszone, in der die Reformierungsreaktion abläuft; DOLLAR A - eine exotherme Reaktionszone, in der für die Reformierungsreaktion benötigte Energie freigesetzt wird; DOLLAR A - eine den Reaktionszonen nachgeschaltete Quenchzone zur Abschreckungskühlung des Reaktorgasvolumenstroms. DOLLAR A Erfindungsgemäß sind endotherme Reaktionszone und Quenchzone durch einen gasdurchlässigen Hitzeschild (HS) getrennt, wobei der Hitzeschild (HS) DOLLAR A - eine Thermalisolation (IS) zur thermischen Isolation von endothermer Reaktionszone und Quenchzone sowie DOLLAR A - einen der endothermen Reaktionszone zugewandten Temperaturstrahler (STR) zur Abstrahlung der vom Reaktorgasvolumenstrom aufgenommenen thermischen Energie DOLLAR A umfaßt.

Description

Die Erfindung betrifft einen autothermen Reformierungsreaktor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Beim Betrieb von Brennstoffzellen mit Polymermembranen, kurz PEM-Brennstoffzellen genannt, insbesondere für mobile Anwendun­ gen, kann ein wasserstoffreiches Gas aus einem flüssigen Roh­ kraftstoff durch Reformierung von flüssigen Kohlenwasserstof­ fen, z. B. Benzin oder Diesel erzeugt werden.
Diese Reaktion kann vorteilhaft in einem autothermen Reaktor durchgeführt werden. Darin wird durch eine exotherme Verbren­ nung Energie freigesetzt, die zur Beheizung der endothermen Re­ formierungsreaktion eingesetzt wird. Im Idealfall ist die exo­ therme Reaktionszone der endothermen Reaktionszone überlagert. Es ist aber auch möglich, die exotherme Reaktion der endother­ men Reaktion vorzuschalten. In der endothermen Reaktionszone erfolgt die Umsetzung des zudosierten Was­ ser/Luft/Kohlenwasserstoff-Gemischs in ein H2-reiches Gas, das neben CO2 auch CO enthält. Um am Ende des Reaktors eine Rück­ reaktion des CO-Gases im Gasgemisch in elementaren Kohlenstoff (Ruß) zu verhindern, muß das Gasgemisch schnell auf ein niedri­ ges Temperaturniveau herabgekühlt werden. Dies wird durch Was­ serzugabe erreicht und wird als Quenchen bezeichnet. Für den Fall der partiellen Oxidation von Kohlenwasserstoffen ist die­ ser Vorgang zum Beispiel in der US 5,358,696 beschrieben.
Durch den Quenchvorgang entsteht im Reaktor ein der Abkühlung entsprechendes Temperaturgefälle. Dies ist unverwünscht, da sich durch den damit einher gehenden Wärmeverlust im hinteren Bereich der endothermen Zone eine zu niedrige Temperatur ein­ stellt. Diese Temperatur ist bestimmend für die Gaszusammenset­ zung, da das thermodynamische Gleichgewicht der Reformierungs­ reaktion temperaturabhängig ist.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die Tempera­ turverteilung im autothermen Reaktor derart zu optimieren, daß die Reaktionszonen von der Quenchzone thermisch möglichst gut abgekoppelt werden. Eine Abkühlung im hinteren Bereich der en­ dothermen Zone sollte vermieden, eine möglichst gute Ener­ gierückkopplung in die vorgeschaltete endotherme Zone jedoch erreicht werden. Dabei sollte der entstehende Druckverlust des Gasvolumenstroms im Reaktor möglichst gering sein.
Diese Aufgabe wird mit dem autothermen Reaktor nach Patentan­ spruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Gemäß der Erfindung ist ein gasdurchlässiger Hitzeschild vorge­ sehen, der zwischen den Reaktionszonen des Reaktors und der Quenchzone im Reaktorgasvolumenstrom angeordnet ist. Der Hitze­ schild umfaßt im wesentlichen zwei Komponenten:
  • - eine Thermalisolation zur thermischen Isolation von endo­ thermer Reaktionszone und Quenchzone,
  • - einen Temperaturstrahler zur Abstrahlung der aus dem abströ­ menden Reaktorgasvolumenstrom aufgenommenen thermischen Energie. Seine Oberfläche ist der endothermen Reaktionszone zugewandt. Die Strahlungsleistung steigt gemäß dem Stefan- Boltzmann-Gesetz mit der 4. Potenz der Oberflächentempera­ tur. Je heißer die Gastemperatur, um so heißer die Oberflä­ che des Hitzeschilds und um so höher die in Richtung auf die endotherme Reaktionszone abgestrahlte Energie.
Für die Funktionsweise des erfindungsgemäßen temperaturstabili­ sierten Reaktors sind somit im wesentlichen folgende Wärmeüber­ tragungsmechanismen von Bedeutung:
  • - Wärmeübertragung vom Gasvolumenstrom auf den Hitzeschild; hier ist vor allem die konvektive Wärmeübertragung durch er­ zwungene Konvektion von Bedeutung. Die Erzeugung einer tur­ bulenten Strömung ist hierbei vorteilhaft. Diese kann durch entsprechende geometrische Auslegung des Hitzeschilds er­ reicht werden. Darüberhinaus kann die Hitzeschild-Geometrie derart ausgelegt werden, dass der Wärmefluß zu der Oberflä­ che des Temperaturstrahlers optimiert wird.
  • - Strahlungswärmeübertragung vom Hitzeschild zurück auf den in der Reaktionszone befindlichen Reformierungskatalysator. Ty­ pische Temperaturen bei der Durchführung der Reformierungs­ reaktion mit Benzin oder Diesel liegen im Bereich von ca. 900°C. Bei diesen Temperaturen ist die abgestrahlte Leistung bereits relativ hoch. Durch die Art der Oberfläche (idealer­ weise mit der Charakteristik eines schwarzen Strahlers) so­ wie der Oberflächengüte kann eine maximale Effizienz der Ab­ strahlung erreicht werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Hitzeschild wird somit eine sehr gute thermisch Isolation der Quenchzone gegenüber dem autothermen Bereich des Reaktors erreicht. Die endotherme Reaktionszone kann auf Betriebstemperatur gehalten werden, ohne von dem Tem­ peraturabfall in der Quenchzone beeinflusst zu werden.
Gleichzeitig wird eine Energierückkopplung erreicht, in dem die von dem Hitzeschild aufgenommene Wärme des Gasvolumenstroms in die endotherme Zone zurückgestrahlt wird. Somit können die Wär­ meverluste, die durch den abströmenden Gasmassenstrom verur­ sacht werden, wesentlich vermindert werden.
Dem erfindungsgemäßen Hitzeschild besitzt darüberhinaus eine vorteilhafte Wirkung als Energiespeicher bei Lastwechseln, wie im folgenden erläutert wird:
Bei einem Reaktor kann man im wesentlichen zwischen zwei Arten von Wärmeverlusten unterscheiden:
  • - Wandverluste: Wärmeverluste durch die Reaktorisolation hin­ durch und über die Reaktoroberfläche an die Umgebung;
  • - Gasvolumenstromverluste: Wärmeverluste, die durch den ab­ strömende Gasmassenstrom und die Gastemperatur verursacht werden. Die Gasvolumenstromverluste sind abhängig vom Gas­ massenstrom, der Wärmekapazität des strömemden Gasgemischs und des Temperaturgefälles.
Bei Lastwechseln wird die exotherme Energieabgabe proportional der Laständerung verändert. Da die Wandverluste wesentlich von der Innentemperatur abhängen, die Gasvolumenstromverluste sich aber proportional zu der Last ändern, verschieben sich beim Lastwechsel die Anteile der Verlustarten entsprechend. Je ge­ ringer die Last, um so höher der Anteil der Wandverluste und je höher die Last, um so höher der Anteil der Volumenstromverlu­ ste.
Der erfindungsgemäße Hitzeschild kann unter den geschilderten Bedingungen als Wärmepuffer dienen, um die Betriebstemperatur des Reaktors zu stabilisieren. Im Lastwechsel nach unten gibt er, abhängig von seiner Wärmekapazität, seine zuvor aufgenomme­ ne Energie zeitverzögert ab und verzögert so die Abkühlung. Beim Lastwechsel nach oben wird der proportional steigende Vo­ lumenstromverlust durch die Wärmeaufnahme des Hitzeschilds ge­ mindert.
Darüber hinaus wird durch diesen Dämpfungsvorgang eine konstan­ tere Steuerung des Quenchens erreicht. Auch eine gleichmäßigere Versorgung der einem Reaktor nachgeschalteten Shiftreaktion zur CO-Entfernung wird dadurch ermöglicht.
Der erfindungsgemäße Reformierungskatalysator kann insbesondere für die Reformierung von Kohlenwasserstoffen, z. B. Benzin oder Diesel, eingesetzt werden.
Der erfindungsgemäße Reformierungsreaktor kann insbesondere in einem brennstoffzellenbetriebenen Kraftfahrzeug zur Speisung der Brennstoffzelle mit Wasserstoff dienen.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen unter Be­ zugnahme auf Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1: einen erfindungsgemäßen Reaktor in schematischer Dar­ stellung;
Fig. 2: die Strahlungsleistung (Watt) eines erfindungsgemäßen Hitzeschilds in Abhängigkeit von der Temperatur (°C);
Fig. 3: eine Ausführung des erfindungsgemäßen Hitzeschilds in schematischer Darstellung;
Fig. 4: eine konkrete Ausführung des erfindungsgemäßen Hitze­ schilds;
Fig. 5, 6: weitere konkrete Ausführungen des erfindungsgemäßen Hitzeschilds.
Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen autothermen Reformierungs­ reaktor in schematischer Darstellung. Er umfaßt die autotherme Reaktionszone, in der die exotherme Reaktion zur Energiefrei­ setzung sowie die endotherme Reformierungsreaktion ablaufen. Die zudosierten Kohlenwasserstoffe sowie Luft und H2O werden darin in ein H2-reiches, CO-haltiges Gasgemisch umgesetzt. Der autothermen Reaktionszone nachgeschaltet ist die Quenchzone, in der das Gasgemisch nach Durchströmen des gasdurchlässigen Hit­ zeschilds durch Zugabe einer Flüssigkeit, üblicherweise Wasser, schnell auf ein niedrigeres Temperaturniveau herabgekühlt wird. Das erfindungsgemäße Hitzeschild ist in dieser Ausführung quer zur Strömungsrichtung des Gasvolumenstroms positioniert. Es ist vorteilhaft so strukturiert, dass es eine möglichst hohe Ober­ fläche aufweist. Der erfindungsgemäße Hitzeschild erstreckt sich über den gesamten Querschnitt des Reaktors, so daß der Re­ aktor baulich in zwei Räume getrennt wird.
In Fig. 1 ist zusätzlich eine Temperaturverteilung innerhalb des Reaktors entlang der Strömungsrichtung aufgezeichnet. Die gestrichelten Linien bezeichnen dabei die Werte in einem erfin­ dungsgemäßen Reaktor, die durchgezogenen Linie die Werte in ei­ nem konventionellen Reaktor. Man erkennt, daß bei dem erfin­ dungsgemäßen Reaktor im Bereich des Hitzeschilds ein starkes Temperaturgefälle herrscht, so daß die Quenchzone von den Reak­ tionszonen thermisch gut abgekoppelt ist. Demgegenüber weist der konventionelle Reaktor ein stetes Temperaturgefälle über die gesamte Länge des Reaktors auf. Dadurch ergeben sich Wärme­ verluste im (in Strömungsrichtung gesehen) hinteren Bereich der Reaktionszone mit den in der Beschreibungseinleitung erläuter­ ten Nachteilen.
Fig. 2 zeigt die Strahlungsleistung eines erfindungsgemäßen Hit­ zeschilds für einen bestimmten, beispielhaften Durchmesser. Wie man aus der Zeichnung erkennen kann, steigt die Strahlungslei­ stung gemäß Stefan-Boltzmann-Gesetz proportional zur 4 Potenz der Temperatur.
Fig. 3 zeigt eine Ausführung des erfindungsgemäßen Hitzeschilds in schematischer Darstellung. Der Hitzeschild HS ist in dem Re­ aktorgasvolumenstrom zwischen der autothermen Reaktionszone und der Quenchzone angeordnet. Der Hitzeschild HS umfaßt in dieser Ausführung folgende Elemente, die schichtartig nebeneinander angeordnet sind:
  • - Temperaturstrahler STR aus einem Schaum aus Metall oder Ke­ ramik. Er ist der autothermen Reaktionszone zugewandt und strahlt die über Konvektion vom Reaktorgasvolumenstrom auf den Hitzeschild übergegangene Wärme als Temperaturstrahlung in die Reaktionszone zurück.
  • - Thermalisolation IS aus einer thermisch isolierenden Kera­ mikgussmasse oder einem vorgeformten Keramikteil. Sie kann einen schaumartigen Aufbau aufweisen.
  • - Verdampferstruktur VD aus einem Metallschaum mit möglichst hoher Oberfläche. Sie dient dazu, das Quenchen des Reaktorgasvolumenstroms zu unterstützen, in dem die zur Kühlung zu­ gegebene, z. B. eingespritze oder eingedüste Wasser an ihrer Oberfläche möglichst schnell verdampft wird.
Fig. 4 zeigt eine konkrete Ausführung des erfindungsgemäßen Hitzeschilds HS. Er umfaßt den Temperaturstrahler STR, dessen gegen die Reaktionszone gerichtete Oberfläche als Strahlungs­ fläche SF dient, über die die vom Gasvolumenstrom auf den Hit­ zeschild HS übergegangene Wärme als Strahlungsenergie in die Reaktionszone zurückgestrahlt wird. Außerdem ist eine Therma­ lisolation IS vorhanden.
Die konstruktive Auslegung des Hitzeschilds HS ist so ausge­ legt, dass eine möglichst hohe Strahlung in Gegenstromrichtung erzielt wird, und gleichzeitig eine möglichst gute thermische Isolation gegenüber der in Strömungsrichtung nachgeschalteten Quenchzone. Für eine gute Wärmeübertragung aus dem Gasvolumen­ strom auf den Hitzeschild HS ist die Erzeugung einer turbulen­ ten Strömung vorteilhaft, z. B. durch eine geeignete Wahl des Strömungsquerschnitts. In der dargestellten Ausführung sind die Strömungskanäle GK für den Reaktorgasvolumenstrom entweder ko­ nisch oder zylinderförmig ausgebildet. Die Wände der Strö­ mungskanäle GK werden durch den Temperaturstrahler STR gebil­ det. Dadurch wird der Wärmefluß zur strahlungsaktiven Oberflä­ che SF des Temperaturstrahlers STR hin optimiert. Die Therma­ lisolation IS besteht in dieser Ausführung somit aus einer Mehrzahl einzelner, nicht zusammenhängender Bereiche.
Fig. 5 und 6 zeigen weitere Ausführungsformen des erfindungsge­ mäßen Hitzeschilds HS. Dargestellt ist jeweils der Temperatur­ strahler als äußerster Schicht des Hitzeschilds. Jede Ausfüh­ rung ist sowohl in Draufsicht als auch im Querschnitt darge­ stellt. Die obere Abbildung, Fig. 5a, zeigt eine erste Ausfüh­ rung des Temperaturstrahlers als Keramik- oder Metallschaum. Fig. 5b zeigt eine weitere Ausführung, bei der der Temperatur­ strahler als Kreuzkanalstruktur z. B. gemäß der DE 43 34 981 A1, ausgebildet ist. Fig. 5c und Fig. 5d schließlich zeigen Ausfüh­ rungen aus Drahtgitterstrukturen bzw. Lochblechen.
In Fig. 6 sind Ausführungen des erfindungsgemäßen Hitzeschilds HS dargestellt, der verschiedene Spaltstrukturen als Strömungs­ kanäle GK für den Gasvolumenstrom aufweist. Fig. 6a zeigt eine Spaltstruktur aus mehreren konzentrischen Ringspalten. Fig. 6b zeigt eine Spaltstruktur nach Art einer Bienenwabe. Dabei bil­ den die "Stege" zwischen den "Waben" die Spalte, während die "Waben" die Oberfläche SF des Temperaturstrahlers darstellen.
Besonders geeignete Materialien für den Hitzeschild HS sind solche, die die folgenden Anforderungen erfüllen:
  • - Minimaler Druckverlust,
  • - Maximale Oberfläche, insbesondere senkrecht zur Strömungs­ richtung,
  • - Temperaturbeständigkeit,
  • - Temperaturwechselbeständigkeit,
  • - Verzunderungsfestigkeit.
Letztgenannte Eigenschaft ist aus dem Grunde relevant, da es bei inhomogener Gemischbildung in der Reaktionszone zum Durch­ bruch von O2 kommen kann.

Claims (9)

1. Autothermer Reformierungsreaktor, umfassend
  • - eine endotherme Reaktionszone, in der die Reformierungs­ reaktion abläuft;
  • - eine exotherme Reaktionszone, in der für die Reformie­ rungsreaktion benötigte Energie freigesetzt wird;
  • - eine den Reaktionszonen nachgeschaltete Quenchzone zur Abschreckungskühlung des Reaktorgasvolumenstroms;
dadurch gekennzeichnet, daß endotherme Reaktionszone und Quenchzone durch einen gas­ durchlässigen Hitzeschild (HS) getrennt sind, wobei der Hit­ zeschild (HS)
  • - eine Thermalisolation (IS) zur thermischen Isolation von endothermer Reaktionszone und Quenchzone, sowie
  • - einen der endothermen Reaktionszone zugewandten Tempera­ turstrahler (STR) zur Abstrahlung der aus dem Reaktorgas­ volumenstrom aufgenommenen thermischen Energie,
umfaßt.
2. Autothermer Reformierungsreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hitzeschild (HS) auf seiner der Quenchzone zugewand­ ten Seite eine Verdampferstruktur (VD), z. B. aus einem Me­ tallschaum umfaßt.
3. Autothermer Reformierungsreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die exotherme Reaktionszone der endothermen Reaktionszo­ ne vorgeschaltet ist.
4. Autothermer Reformierungsreaktor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die exotherme Reaktionszone der endothermen Reaktionszone überlagert ist.
5. Autothermer Reformierungsreaktor nach einem der vorangehen­ den Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Hitzeschild (HS) Strömungskanäle (GK) aufweist, deren Wände durch den Temperaturstrahler (STR) gebildet sind.
6. Autothermer Reformierungsreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Temperaturstrahler (STR) und/oder die Thermalisolation (IS) als Kreuzkanalstruktur, Drahtgit­ terstruktur oder Lochblech ausgebildet sind.
7. Autothermer Reformierungsreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturstrahler (STR) als schaumartige Struktur aus Metall oder Keramik oder aus einem Metall/Keramik- Verbund ausgebildet ist.
8. Autothermer Reformierungsreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermalisolation (IS) als schaumartige Struktur aus Keramik ausgebildet ist.
9. Autothermer Reformierungsreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturstrahler (STR) und/oder die Thermalisola­ tion (IS) Spaltstrukturen in Form von konzentrischen Ring­ spalten oder in Form von Wabenstrukturen aufweisen.
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