DE10207536A1

DE10207536A1 - Vorrichtung zum Mischen von Brennstoff und einem Oxidationsmittel

Info

Publication number: DE10207536A1
Application number: DE10207536A
Authority: DE
Inventors: Steven G Goebel
Original assignee: General Motors Corp
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2001-03-30
Filing date: 2002-02-22
Publication date: 2002-10-10
Also published as: JP2002356304A; US6596424B2; US7384702B2; US20020142199A1; US20040175665A1

Abstract

Es ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Mischen von Brennstoff und einem Oxidationsmittel zum Gebrauch in einem autothermen Reformer vorgesehen, der Wasserstoff an eine Brennstoffzelle liefert. Die Vorrichtung umfasst einen Mischbehälter, einen ersten Einlass zu dem Mischbehälter zur Bewegung eines gasförmigen Brennstoffes oder Oxidationsmittels durch diesen, einen zweiten Einlass zur Bewegung eines gasförmigen Brennstoffes oder Oxidationsmittels durch diesen und einen Auslass von dem Behälter benachbart des autothermen Reformers. Die Austragsenden der Einlässe sind voneinander und von dem Auslass beabstandet, der in der Nähe eines POX-Reaktors vorgesehen ist, der die Mischung aus Brennstoff und Oxidationsmittel, die den Mischbehälter verlässt, verbrennt. Der erste Einlass besteht aus einer Platte mit einer Vielzahl von Rohren, die sich davon erstrecken und durch welche der Brennstoff oder das Oxidationsmittel läuft. Die Rohre erstrecken sich in den Mischbehälter und in Richtung des Auslasses des Behälters, so dass der Brennstoff solange nicht in Kontakt mit dem Oxidationsmittel kommt, bis der gasförmige Brennstoff oder das Oxidationsmittel von den Enden der Rohre ausgetragen wird, wodurch der Brennstoff mit dem Oxidationsmittel in dem gasförmigen Zustand vor einem Leiten zu dem POX-Reaktor gemischt wird.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffprozessoren zur Lieferung von Wasserstoff an Brennstoffzellen und insbesondere das Mischen von Brennstoff und einem Oxidationsmittel zum Gebrauch in einem auto thermen Reformer.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung zur kontinuier lichen Umwandlung von Chemikalien - einem Brennstoff und einem Oxidationsmittel - in elektrischen Gleichstrom. Sie besteht aus zwei elekt risch leitfähigen Elektroden, die durch ein ionenleitendes Elektrolyt ge trennt sind, wobei Vorkehrungen für die kontinuierliche Bewegung von Brennstoff, Oxidationsmittel und Reaktionsprodukt in die Zelle und aus der Zelle vorgesehen sind. Brennstoffzellen unterscheiden sich von Batte rien darin, dass Elektrizität aus chemischen Brennstoffen erzeugt wird, die diesen nach Bedarf zugeführt werden, so dass ihre Betriebslebensdau er theoretisch unbegrenzt ist. Brennstoff wird an der Anode (negative Elektrode) oxidiert, wobei Elektronen an eine externe Schaltung abgege ben werden. Das Oxidationsmittel nimmt Elektronen von der Anode auf und wird an der Kathode reduziert. Simultan mit der Übertragung von Elektronen vervollständigt ein Ionenstrom in dem Elektrolyt die Schal tung. Die Brennstoffe liegen im Bereich von Wasserstoff und kohlenstoff haltigen Materialien bis zu Redox-Verbindungen, Alkalimetallen und biochemischen Materialien. Brennstoffzellen auf Grundlage von Wasser stoff und Sauerstoff besitzen als eine Primärenergiequelle eine bedeutsame Zukunft. Zellen dieses Typs werden derzeit zum Gebrauch als eine Ener giequelle für Elektrofahrzeuge entwickelt, wobei der Wasserstoff aus Me thanol, Benzin, Dieselkraftstoff oder dergleichen abgeleitet wird.

Brennstoffzellen, wie beispielsweise PEM-Brennstoffzellen, sind für viele Anwendungen vorgeschlagen worden, die beispielsweise elektrische An triebsanlagen umfassen, um Verbrennungsmotoren zu ersetzen. PEM- Brennstoffzellen sind in der Technik gut bekannt und umfassen eine "Membranelektrodenanordnung" (auch bekannt als MEA), die einen dün nen protonendurchlässigen Festpolymermembranelektrolyten umfasst, der auf einer seiner Seiten eine Anode und auf der gegenüberliegenden Seite eine Kathode aufweist. Die Festpolymerelektrolyten bestehen typi scherweise aus Ionentauscherharzen, wie beispielsweise perflorierter Sulfonsäure. Die Anode/Kathode umfasst typischerweise fein unterteile katalytische Partikel (oftmals auf Kohlenstoffpartikeln getragen) gemischt mit protonenleitfähigem Harz. Die MEA ist zwischen einem Paar elektrisch leitfähiger Elemente schichtartig angeordnet, die (1) als Stromkollektoren für die Anode und Kathode dienen und (2) Kanäle zur Verteilung der gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle über die Oberflächen der jeweiligen Anode und Kathode umfassen. Bei PEM-Brennstoffzellen ist Wasserstoff der Anodenreaktand (d. h. Brennstoff) und Sauerstoff ist der Kathodenreaktand (d. h. Oxidationsmittel).

Bei Kraftfahrzeuganwendungen ist es erwünscht, einen über Kohlenstoff gebundenen wasserstoffhaltigen Brennstoff (beispielsweise Methan, Ben zin, Methanol, etc.) zu verwenden. Derartige flüssige Brennstoffe sind insbesondere als Quelle für den Wasserstoff, der von der Brennstoffzelle verwendet wird, infolge ihrer einfachen Speicherung an Bord und der Existenz und Verfügbarkeit einer breiten Infrastruktur von Tankstellen vorteilhaft und erwünscht, die derartige Flüssigkeiten geeignet und be quem liefern können. Diese Brennstoffe müssen aufgespalten werden, um ihren Wasserstoffgehalt zur Belieferung der Brennstoffzelle freizugeben. Die Aufspaltungsreaktion wird in einem sogenannten "Primärreaktor" erreicht, der der erste in einer Serie von Reaktoren ist, die der Brennstoff prozessor umfasst. Andere Reaktoren in dem Brennstoffprozessor dienen dazu, CO von dem Wasserstoff zu entfernen, das von dem Primärreaktor erzeugt wird. Ein derartiger bekannter Primärreaktor für Benzin ist bei spielsweise ein zweistufiger chemischer Reaktor, der oftmals als ein "au tothermer Reformer (autothermal reformer)" bezeichnet ist. In einem auto thermen Reformer (ATR) werden Benzin und Wasserdampf (d. h. Dampf) mit Luft gemischt und nacheinander durch zwei Reaktionsabschnitte geführt, d. h. einen ersten "Partialoxidationsabschnitt" (POX-Abschnitt) und einen zweiten Dampfreformierungsabschnitt (SR-Abschnitt). In dem POX-Abschnitt reagiert das Benzin unter Verwendung eines offenen Flam menbrenners (open flameor) oder eines Katalysators exotherm mit einer unterstöchiometrischen Menge an Luft, um Kohlenmonoxid, Wasserstoff und niedrigere Kohlenwasserstoffe, wie beispielsweise Methan, zu erzeu gen. Die heißen POX-Reaktionsprodukte zusammen mit dem Dampf, der mit dem Benzin eingeführt wird, gelangen in einen SR-Abschnitt, in welchem die niedrigeren Kohlenwasserstoffe und ein Anteil des Kohlen monoxids mit dem Dampf reagieren, um ein Reformatgas zu erzeugen, das grundsätzlich Wasserstoff, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid umfasst. Die SR-Reaktion ist endotherm, erhält aber ihre erforderliche Wärme entweder von der Wärme, die in dem exothermen POX-Abschnitt erzeugt und in Richtung des SR-Abschnittes durch den Abfluss des POX-Abschnittes geführt wird, oder von anderen Teilen des Brennstoffzellensystems (bei spielsweise von einem Brenner). Ein derartiger autothermer Reformer ist in der internationalen Patentveröffentlichung Nr. WO 98/08771 beschrie ben, die am 05. März 1998 veröffentlicht wurde.

Unterstromig des ATR wird das Kohlenmonoxid, das in dem SR-Abfluss enthalten ist, entfernt oder zumindest auf sehr niedrige Konzentrationen (d. h. weniger als etwa 20 ppm) verringert, die für den Anodenkatalysator in der Brennstoffzelle nicht toxisch sind. Zu diesem Zweck sind Brenn stoffprozessoren bekannt, die den SR-Abfluss von CO dadurch reinigen, dass dieser zunächst einer sogenannten "Wasser-Gas-Shift"-Reaktion (d. h. CO + H₂O → CO₂ + H₂) unterzogen wird und danach mit Sauerstoff (d. h. als Luft) in einer sogenannten "Reaktion mit selektiver/bevorzugter Oxidation" (d. h. CO + ½ O₂ → CO₂) reagiert wird. Das von CO gereinigte, H₂-reiche Reformat wird anschließend an die Brennstoffzelle geliefert.

Für einen wirksamen Betrieb eines ATR ist es sehr vorteilhaft und er wünscht, wenn der gasförmige Brennstoff und das gasförmige Oxidati onsmittel vor einem Eintritt in den POX-Abschnitt vollständig gemischt werden. Es ist auch insbesondere wichtig, dass die Mischung infolge der Anwesenheit von Oxidationsmittel in der erwärmten Umgebung oberstro mig des POX nicht vorzeitig zu brennen beginnt. Die vorliegende Erfin dung ist auf eine Verbesserung des Mischens von Brennstoff und Oxidati onsmittel gerichtet, die an einen POX-Reaktor geliefert werden, um so ein vorzeitiges Brennen oder Entflammen der Mischung zu verhindern, bevor diese in den POX-Reaktor eintritt, und dadurch die Bildung von Kohlen stoffpartikeln (d. h. Ruß) oberstromig des POX zu beseitigen.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen POX-Reaktor vorzu sehen, der einen Mischbehälter an seinem Einlass aufweist, um Brenn stoff und Oxidationsmittel dadurch zu mischen, dass entweder Brennstoff oder Oxidationsmittel in den Behälter an einem ersten Ort eingeführt wird und anschließend der andere aus Brennstoff oder Oxidationsmittel an einem zweiten Ort eingeführt wird, der ausreichend unterstromig des ersten Ortes angeordnet ist, damit die Mischung in dem Behälter nicht rezirkuliert, sondern vielmehr direkt unverbrannt zu dem Ausgang des Behälters gelangt. Der Brennstoff (oder das Oxidationsmittel) verlässt den Einlass von einer Vielzahl eng beabstandeter Rohre, die sich gut un terstromig dazu, wo das Oxidationsmittel (oder der Brennstoff) in den Mischbehälter eingeführt wird, und in der Richtung des POX-Reaktors erstrecken, wodurch die Zeitdauer verringert wird, während der der gas förmige Brennstoff dem Oxidationsmittel in dem Mischbehälter ausgesetzt ist, bevor die Mischung in den POX-Reaktor gelangt, wodurch ein vorzeiti ges Brennen des Brennstoffes und folglich eine Rußbildung im wesentli chen verhindert wird.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Vorrichtung beschrieben, um Brennstoff und ein Oxidations mittel zur Lieferung an einen ATR zu mischen, der Wasserstoff für eine Brennstoffzelle vorsieht. Die Vorrichtung umfasst einen Mischbehälter mit einem ersten Einlass zur Bewegung eines gasförmigen Brennstoffes (oder Oxidationsmittels) durch diesen und einem zweiten Einlass zur Bewegung von gasförmigem Oxidationsmittel (oder Brennstoff) durch diesen, wobei die Einlässe voneinander in der Richtung der Strömung durch den Behäl ter beabstandet sind, und mit einem Auslass, der von den Einlässen beabstandet und benachbart eines POX-Reaktors angeordnet ist, der die Mischung aus Brennstoff und Oxidationsmittel, die den Mischbehälter verlässt, teilweise verbrennt. Der erste Einlass umfasst eine Platte mit einer Vielzahl von Rohren, die sich von dieser erstrecken und durch wel che der Brennstoff und das Oxidationsmittel gelangt. Die Rohre erstrecken sich in den Mischbehälter, um so Brennstoff (oder Oxidationsmittel) un terstromig des zweiten Einlasses und in der Nähe des Auslasses des Be hälters auszutragen, so dass der Brennstoff solange nicht in Kontakt mit dem Oxidationsmittel kommt, bis der gasförmige Brennstoff (oder das Oxidationsmittel) aus den Rohren austritt, wodurch der Brennstoff mit dem Oxidationsmittel in dem gasförmigen Zustand kurz vor dem Übergang in den POX-Reaktor (beispielsweise in das Katalysatorreaktionsbett eines katalytischen POX-Reaktors) gemischt wird.

Es ist auch ein Verfahren beschrieben, um Brennstoff und ein Oxidati onsmittel in einem Behälter zur Lieferung an einen POX-Reaktor zu mi schen, das umfasst, dass gasförmiger Brennstoff und gasförmiges Oxida tionsmittel in dem Behälter dadurch gemischt werden, dass Brennstoff oder Oxidationsmittel durch einen ersten Einlass des Behälters geführt wird; Oxidationsmittel oder Brennstoff durch einen zweiten Einlass des Behälters geführt wird, wobei die Einlässe voneinander und von einem Auslass, der in der Nähe eines POX-Reaktors angeordnet ist, beabstandet sind, der die Mischung aus Brennstoff und Oxidationsmittel, die den Mischbehälter verlässt, teilweise verbrennt; wobei der erste Einlass aus einer Platte mit einer Vielzahl von Rohren besteht, die sich von dieser erstrecken und durch welche der Brennstoff oder das Oxidationsmittel geführt wird; und wobei sich die Rohre in den Mischbehälter in die Nähe des Auslasses des Behälters erstrecken und ihr Gas unterstromig der Austragspunkte des zweiten Einlasses austragen, so dass der Brennstoff solange nicht in Kontakt mit dem Oxidationsmittel kommt, bis der gas förmige Brennstoff oder das Oxidationsmittel aus den Rohren austritt, wodurch der Brennstoff mit dem Oxidationsmittel in dem gasförmigen Zustand, kurz bevor die Mischung aus Kraftstoff und Oxidationsmittel durch den Auslass in dem POX-Reaktor gelangt, gemischt wird.

ZEICHNUNGSKURZBESCHREIBUNG

Fig. 1 ist eine Vorderansicht des Mischbehälters zur Mischung von gasförmigem Brennstoff und gasförmigem Oxidations mittel gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ist eine Draufsicht auf Fig. 1;

Fig. 3 ist eine Seitenschnittansicht von Fig. 1 entlang Linien 3-3;

Fig. 4 ist eine Schnittansicht entlang Linien 4-4 von Fig. 1;

Fig. 5 ist eine teilweise geschnittene Ansicht entlang Linien 5-5 von Fig. 4.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die vorliegende Erfindung wird angesichts der nun folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen bes ser verständlich. In den Zeichnungen sind gleiche Teile mit identischen Bezugszeichen bezeichnet.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Mischung von Brennstoff und einem Oxidationsmittel zum Gebrauch in einem ATR, der Wasserstoff an eine Brennstoffzelle liefert. Die Mischung aus Brennstoff und Oxidationsmittel wird an einen POX-Reaktor in dem ATR zur Verbrennung darin geführt, bevor sich diese oberstromig des POX- Reaktors selbst entzünden kann.

Bei einem autothermen Reformer müssen die Luft-, Brennstoff- und Dampfströme vor einem Eintritt in den POX-Reaktorabschnitt vollständig gemischt werden. Überdies ist es in Bezug auf den Systemwirkungsgrad erwünscht, diese Ströme vor einer Mischung mit Wärme zu beaufschla gen. Jedoch sind bei hohen Temperaturen, die für ATR's typisch sind (etwa 500-600°C), die Selbstentzündungsverzögerungszeiten von Koh lenwasserstoff-Brennstoffen relativ kurz (10-100 ms). Wenn eine Selbst entzündung stattfindet, bevor die Mischung in den POX-Reaktor eintritt, neigen die Gasphasenreaktionen dazu, unerwünschte Kohlenstoffablage rungen (d. h. Ruß) zu bilden, die den POX-Reaktor schädigen. Dies ist insbesondere bei katalytischen POX-Reaktoren schwierig, da der Ruß den Katalysator kontaminiert, was dessen Wirksamkeit verringert und den Druckverlust durch diesen erhöht. Daher ist es erforderlich, den Brenn stoff und das Oxidationsmittel so zu mischen, dass sie eine sehr kurze Verweilzeit in dem Mischer aufweisen, wenn sich die Brennstoffzelle, die beliefert wird, bei voller Leistung befindet, so dass die Verweilzeit, die auftritt, wenn sich die Brennstoffzelle bei niedriger Leistung befindet, immer noch nicht die Selbstentzündungsverzögerungszeit überschreitet. Die Verweilzeit in dem Brennstoffprozessor steigt bei niedrigerer Leistung, da die Strömungsraten verringert sind und der Druck nahezu konstant ist.

Das gewünschte Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verteilte Einführung von entweder dem Brennstoff oder dem Oxidations mittel unterstromig einer Verteilungsplatte zur Verteilung des anderen von Brennstoff oder Oxidationsmittel vorzusehen und damit sicherzustellen, dass der gasförmige Brennstoff oder das Oxidationsmittel nicht in eine Rezirkulationszone in dem Mischbehälter eingeführt wird; was die Ver weilzeit darin erhöhen und dadurch zu einer Selbstentzündung führen würde. Die Aufgabe ist es, ein Mischen des Brennstoffes und des Oxidati onsmittels zu optimieren, während gleichzeitig die Gesamtverweilzeit, die die Mischung in dem Mischbehälter aufweist, verringert wird.

In Fig. 1 ist der Mischbehälter 10 zur Mischung von Brennstoff und Oxi dationsmittel zur Verwendung in einem ATR 12 unterstromig des Behäl ters 10 gezeigt. Brennstoff wird in den Behälter 20 über ein Einlassrohr 14 eingeführt. Das Einlassrohr 14 weist eine Serie von Öffnungen 18 in seinem Umfang auf, die eine Verteilung des gasförmigen Brennstoffes über eine Kammer 20 erleichtern, die durch eine Endkappe 22 des Mischbehäl ters 10 definiert ist. Der gasförmige Brennstoff gelangt von der Kammer 20 durch eine Vielzahl von Rohren 24, die über eine erste Verteilungsplatte 26 beabstandet sind, die die Kammer 20 definiert, und tritt durch Öffnun gen 30 an ihren distalen Enden aus, die im wesentlichen in dem Innen raum der Mischkammer 32 angeordnet sind. Das Einlassrohr 14 weist einen damit in Verbindung stehenden Druckanschluss 15 auf. Die Misch kammer 32 weist ähnlicherweise einen zugehörigen Druckanschluss 34 auf.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden Dampf und Luft in den Einlass 40 eingeführt und treten tangential über das Rohr 46 in das kreisringförmige (torische) Verteilermittel 42 ein. Die Luft wird mit Dampf in einer ersten ringförmigen Kammer 41 des Verteilers 42 gemischt und gelangt durch eine poröse (d. h. gesinterte) Metalltrennwand 48, die in dem Innenraum des Verteilers 42 positioniert ist und den Verteiler 42 in erste und zweite Kammern 41 und 43 trennt. Die poröse Platte weist eine durchschnittliche Porengröße von etwa 100 Mikrometer auf und dient dazu, ein Mischen des Dampfes und der Luft in Kammer 41 zu unterstüt zen und die Gasströmung gleichförmig in die Kammer 43 zu verteilen, die durch die Verteilungsplatte 50 definiert ist. Wie in den Fig. 4 und 5 zu sehen ist, weist die Verteilungsplatte 50 eine Vielzahl von Öffnungen 52 auf, deren Durchmesser größer als der der Rohre 24 ist und durch welche die Rohre 24 laufen. Die Mischung aus Dampf und Luft gelangt in die Mischkammer 32 über den ringförmigen Spalt 53, der durch den Außen durchmesser der Rohre 24 und den Innendurchmesser der Öffnung 52 definiert ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Mischung des gasför migen Brennstoffes und des gasförmigen Oxidationsmittels (bevorzugt Luft und Dampf) an einem Ort 33 zwischen den Enden 30 der Rohre 24 und dem Auslassende 60 des Behälters zu erleichtern und zu verhindern, dass die Mischung aus Oxidationsmittel und Brennstoff zurück in Bereich 62 der Mischkammer 32 rezirkuliert. Diesbezüglich kann eine imaginäre Linie an dem Boden der Einlassrohrleitung 46, nämlich bei Bezugszeichen 47 gezogen werden. Der obere Abschnitt 62 der Kammer 32 zwischen der imaginären Linie 47 und der zweiten Verteilungsplatte 50 ist eine Hoch temperaturrezirkulationszone, in der Turbulenzen und Wirbelströme vorherrschen, die die Verweilzeit von darin eingeschlossenen Gasen ver längern können. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, gasförmi gen Brennstoff, der die Enden 30 der Rohre 24 verlässt, daran zu hindern, in die Rezirkulationszone einzutreten, diesen in dem Bereich zwischen den Rohrenden 30 und dem Behälterauslass 60 vollständig mit dem Oxidati onsmittel zu mischen und diese alle zu veranlassen, sich in Richtung des Katalysatorbettes 61 des POX-Reaktors 12 zu bewegen.

Um eine schnelle Mischung zu erreichen, ohne dass die Mischung aus Oxidationsmittel und Brennstoff in den Rezirkulationsbereich bewegt werden muss, wird der Brennstoff in die Luft-Dampf-Strömung durch eine große Anzahl (in der Größenordnung von 100) von Brennstoffrohren 24 mit kleinem Durchmesser (siehe Fig. 4 und 5) verteilt. Eine Verteilung des Brennstoffes in den Luft-Dampf-Strom über eine große Anzahl von Ein führpunkten stellt eine gleichförmige Mischung in der Nähe (d. h. inner halb einer kurzen unterstromigen Distanz von) der Rohrenden sicher. Je kleiner der Abstand zwischen diesen Einführpunkten ist, umso weniger unterstromige Distanz ist erforderlich, um eine gleichförmige Mischung zu erreichen. Diesbezüglich ist die unterstromige Distanz, die zum Mischen erforderlich ist, proportional zu dem Abstand zwischen den Einspritz punkten (d. h. Rohrenden 30). Eine Distanz von etwa dem Sechsfachen des Abstandes der Kraftstoffrohre 24 ist zum Mischen auf Grundlage von Verbreitungsraten mit turbulentem Strahl erwünscht. Um eine kurze Verweilzeit sicherzustellen, müssen brennstoffhaltige Rezirkulationszonen beseitigt werden. Dies wird dadurch erreicht, dass der Brennstoff an dem Ende 30 von kleinen Brennstoffrohren 24 eingeführt wird und diese Rohr enden gut unterstromig der Platte 50 zur Einführung von Luft und Dampf angeordnet sind, um eine Einführung von Brennstoff in die Rezirkulati onszonen in Verbindung mit dieser Platte zu vermeiden. Diese Rezirkulati onszonen erstrecken sich zu einer unterstromigen Distanz von in etwa dem 2,5fachen des Raumes zwischen den Löchern 52 in der Platte 50 zur Einführung von Luft und Dampf. Die Brennstoffrohre 24 sollten nicht übermäßig lang sein (gerade lang genug, um sich an dem Ende der Rezir kulationszonen von der Einführplatte 50 vorbeizuerstrecken), so dass der Brennstoff durch Leitung durch die Brennstoffrohre 24 von der heißen Luft- und Dampfströmung nicht erwärmt wird. Übermäßige Wärme des Brennstoffes (bis etwa 600°C) könnte zu einer unerwünschten Zersetzung des Brennstoffes führen.

Alternativ dazu kann die Mischung dadurch ausgeführt werden, dass (1) Brennstoff und Dampf durch die Rohre 24 (und Luft durch die Platte 50) eingeführt werden, oder (2) Luft durch die Rohre 24 (und Brennstoff und Dampf durch die Platte 50) eingeführt werden, oder (3) Luft und Dampf durch die Rohre 24 (und Brennstoff durch die Platte 50) eingeführt wer den.

Die Größe der Rohre 24 kann breit variieren abhängig von der Strömung des Oxidationsmittels und des Brennstoffes, wie auch des gewünschten Mischumfangs. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, dass die Rohre 24 einen Außendurchmesser von in etwa 0,0625 Inch (etwa 0,15875 cm) mit einer Wanddicke von 16 mil (etwa 0,04064 cm) aufweisen. Mit derart bemessenen Rohren 24 besitzen die Öffnungen 52 bevorzugt einen Durchmesser von etwa 0,154 Inch (etwa 0,39116 cm), um einen ringför migen Spalt 53 mit einer Querschnittsfläche von etwa 0,0156 Sq.in (etwa 0,100645 cm²) vorzusehen. Die Größe der Komponenten kann, wie ge zeigt, und allgemein als eine Funktion der Strömungsraten der betreffen den Ströme erheblich variieren. Der gasförmige Brennstoff macht im allgemeinen zwischen etwa 10 bis 40% der gesamten gasförmigen Mi schung des Brennstoffes und des Oxidationsmittel aus. Bevorzugt sind etwa 25% der Mischung Brennstoff.

Zusammenfassend ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Mischen von Brennstoff und einem Oxidationsmittel zum Gebrauch in einem auto thermen Reformer vorgesehen, der Wasserstoff an eine Brennstoffzelle liefert. Die Vorrichtung umfasst einen Mischbehälter, einen ersten Einlass zu dem Mischbehälter zur Bewegung eines gasförmigen Brennstoffes oder Oxidationsmittels durch diesen, einen zweiten Einlass zur Bewegung eines gasförmigen Brennstoffes oder Oxidationsmittels durch diesen und einen Auslass von dem Behälter benachbart des autothermen Reformers. Die Austragsenden der Einlässe sind voneinander und von dem Auslass beab standet, der in der Nähe eines POX-Reaktors vorgesehen ist, der die Mischung aus Brennstoff und Oxidationsmittel, die den Mischbehälter verlässt, verbrennt. Der erste Einlass besteht aus einer Platte mit einer Vielzahl von Rohren, die sich davon erstrecken und durch welche der Brennstoff oder das Oxidationsmittel läuft. Die Rohre erstrecken sich in den Mischbehälter und in Richtung des Auslasses des Behälters, so dass der Brennstoff solange nicht in Kontakt mit dem Oxidationsmittel kommt, bis der gasförmige Brennstoff oder das Oxidationsmittel von den Enden der Rohre ausgetragen wird, wodurch der Brennstoff mit dem Oxidati onsmittel in dem gasförmigen Zustand vor einem Leiten zu dem POX- Reaktor gemischt wird.

Claims

1. Vorrichtung zur Mischung von gasförmigem Brennstoff und einem Oxidationsmittel zur Lieferung an einen autothermen Reformer, mit:
einem Mischbehälter zum Mischen des Brennstoffes und des gas förmigen Oxidationsmittels;
ersten und zweiten Einlässen zu dem Behälter, um den Brennstoff und das Oxidationsmittel durch diese bewegen, wobei die ersten und zweiten Einlässe Austragsenden aufweisen, die voneinander in der Strömungsrichtung durch den Behälter beab standet sind; und
einem Auslass von dem Behälter, der von den Einlässen beabstan det und benachbart eines Partialoxidationsreaktors (POX-Reaktor) angeordnet ist, der die Mischung aus Brennstoff und Oxidationsmit tel, die den Mischbehälter verlässt, verbrennt;
wobei der erste Einlass eine Vielzahl von Rohren umfasst, von denen jedes ein Austragsende aufweist, durch welches der Brennstoff oder das Oxidationsmittel strömt, und sich in den Mischbehälter und in Richtung des Auslasses erstreckt, so dass die Austragsenden der Rohre unterstromig des Austragsendes des zweiten Einlasses ange ordnet sind, um den Brennstoff und das Oxidationsmittel ausrei chend nahe bei dem POX-Reaktor zu mischen und damit eine vor zeitige Verbrennung der Mischung aus Brennstoff und Oxidationsmittel in dem Behälter auszuschließen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Einlass so ausgebildet ist, um Brennstoff durch diesen zu leiten.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der zweite Einlass eine Platte mit einer Vielzahl von Öffnun gen umfasst, durch welche sich die Rohre erstrecken.

4. Behälter nach Anspruch 3, wobei der zweite Einlass so ausgebildet ist, um das Oxidationsmittel durch diesen zu leiten.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der zweite Einlass durch eine poröse Trennwand in erste und zweite Kammern unterteilt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der zweite Einlass so ausgebildet ist, um Dampf durch diesen zu leiten.

7. Verfahren zur Lieferung einer Mischung aus Brennstoff und Luft an einen autothermen Reformer, der Wasserstoff an eine Brennstoffzel le liefert, mit den Schritten, dass:

a) eines von entweder Brennstoff oder Luft in einen Mischbehäl ter an einem ersten Ort zugeführt wird;
b) das andere von Brennstoff oder Luft in den einen Brennstoff oder Luft in dem Mischbehälter an einer Vielzahl von Stellen eingeführt wird, die unterstromig des ersten Ortes angeordnet sind, um so eine im wesentlichen gleichförmige Mischung aus Brennstoff und Luft benachbart des autothermen Reformers zu bilden, wobei die Vielzahl von Stellen in einer ausreichen den Anzahl vorhanden ist, um die Mischung in der unmittel baren Nähe der Stellen zu bilden, und ausreichend von dem ersten Ort entfernt ist, um so eine Rezirkulation der Mischung oberstromig der Stellen im wesentlichen auszuschließen; und
c) die Mischung von dem Mischbehälter in den autothermen Re former ausgetragen wird;

wobei eine vorzeitige Verbrennung der Mischung in dem Mischbe hälter oberstromig des autothermen Reformers abgewendet wird.

8. Verfahren zur Lieferung einer Mischung aus Brennstoff und Luft an einen autothermen Reformer, der Wasserstoff an eine Brennstoffzel le liefert, mit den Schritten, dass:

a) Dampf mit einem von entweder Luft oder Brennstoff gemischt wird, um eine erste im wesentlichen gleichförmige Mischung zu bilden,
b) die erste Mischung in einen Mischbehälter an einem ersten Ort zugeführt wird;
c) das andere von Brennstoff oder Luft in die erste Mischung in dem Mischbehälter an einer Vielzahl von Stellen eingeführt wird, die unterstromig des ersten Ortes angeordnet sind, um so eine zweite im wesentlichen gleichförmige Mischung aus Brennstoff, Dampf und Luft benachbart des autothermen Re formers zu bilden, wobei die Vielzahl von Stellen in einer aus reichenden Anzahl vorhanden ist, um die zweite Mischung in der unmittelbaren Nähe der Stellen zu bilden, und ausrei chend von dem ersten Ort entfernt ist, um so eine Rezirkulati on der zweiten Mischung oberstromig der Stellen im wesentli chen auszuschließen; und
d) die zweite Mischung von dem Mischbehälter in den autother men Reformer ausgetragen wird;

wobei eine vorzeitige Verbrennung der zweiten Mischung in dem Mischbehälter oberstromig des autothermen Reformers abgewendet wird.