Установка риформинга топливного элемента

010329 Установка риформинга топливного элемента Изобретение касается установки риформинга топливного элемента, содержащей камеру, имеющую входное устройство для впуска газовой смеси реагентов и выходное устройство для выпуска риформированного газа, при этом в камере размещена каталитически действующая среда. Установки риформинга согласно родовому понятию находят применение в многочисленных областях. В частности, они служат для того, чтобы подводить к топливному элементу обогащенную водородом газовую смесь, из которой затем на основе электрохимических процессов может быть выработана электроэнергия. Топливные элементы такого типа используются, например, в области безрельсовых транспортных средств в качестве дополнительных источников энергии, так называемых ВСУ (вспомогательных силовых установок). Конструктивное выполнение установок риформинга зависит от многочисленных факторов. Наряду с учетом свойств реакционной системы имеют значение, например, экономические аспекты, в частности,также внедрение установки риформинга в окружающую ее среду. Последнее касается также того обстоятельства, каким образом обрабатываются потоки вещества и энергии, поступающие в установку риформинга и выходящие из нее. Таким образом, в зависимости от применения и окружения установки риформинга используются различные способы риформинга, следовательно, требуются различные конструкции установок риформинга. Примером риформинг-процесса может служить так называемый каталитический риформинг, при котором смесь из воздуха и топлива с помощью каталитически действующей среды в экзотермической реакции преобразуется в обогащенный водородом продукт риформинга, с которым может использоваться топливный элемент (КНО=каталитическое неполное окисление). При этом каталитическом преобразовании топливно-воздушной смеси реакция в направлении потока может быть разделена на две разные зоны. При поступлении в каталитически действующую среду происходят сначала сильно экзотермические окислительные реакции. Затем образующиеся промежуточные продукты в последующей зоне каталитически действующей среды подвергаются риформингу. Риформинг-процесс является эндотермической реакцией, при которой происходит сильное падение температуры, и вследствие этого возникают конверсионные потери. Активное теплообразование при риформинг-процессе каталитически неполного окисления во входной зоне установки риформинга настолько велико, что там может произойти повреждение участвующих в процессе материалов. Так, например, каталитически действующая среда может быть дезактивирована или могут быть разрушены материалы-носители. Поскольку освобождающаяся реакционная теплота не может быть перенесена из зоны окисления в зону риформинга, то возникают проблемы в управлении риформинг-процессом, так что, как правило, невозможно избежать проведения политропной реакции,которая, однако, имеет более низкую степень превращения. Для того, чтобы добиться улучшенного превращения газовой смеси реагентов в риформированный газ согласно изобретению, установка риформинга содержит тепловую трубу с наружной цилиндрической стенкой трубы и внутренней цилиндрической ограничительной стенкой, при этом камера расположена между наружной стенкой трубы и внутренней ограничительной стенкой. Основная идея изобретения заключается в том, чтобы с помощью тепловой трубы, характеризующейся быстрым переносом тепла, достигать как радиального, так и аксиального изотермического распределения температуры в каталитически действующей среде. В предпочтительной форме выполнения входное устройство камеры расположено вблизи первого аксиального конца тепловой трубы, а выходное устройство камеры расположено вблизи второго аксиального конца тепловой трубы, благодаря чему выравнивание температуры может происходить по как можно большему аксиальному участку тепловой трубы. Особо предпочтительно, если камера между ее входным и выходным устройствами выполнена в форме спирали. Тем самым благодаря небольшой площади проточного поперечного сечения могут быть минимизированы также температурные градиенты в радиальном направлении. Другие формы выполнения изобретения следуют из зависимых пунктов формулы изобретения. Ниже изобретение подробнее поясняется на основании примеров выполнения, при этом делается ссылка на чертежи. На чертежах изображают: фиг. 1 - поперечный разрез через установку риформинга в первой форме выполнения изобретения,фиг. 2 - аксиальная температурная характеристика в установке риформинга при политропном(пунктирная кривая) и, соответственно, изотермическом (сплошная линия) технологическом процессе, и фиг. 3 система топливных элементов с установкой риформинга в схематическом изображении. На фиг. 1 изображена установка 10 риформинга представленной ниже системы топливных элементов, при этом установка 10 риформинга содержит тепловую трубу 12 с наружной цилиндрической стенкой 14 трубы и внутренней, также цилиндрической, ограничительной стенкой 16. На первом аксиальном конце 18 тепловой трубы 12 находится входное устройство 20 камеры, через которое газовая смесь реагентов, состоящая, например, из воздуха и испаренного топлива, может поступать в установку риформинга. На втором аксиальном конце 22 тепловой трубы 12 расположено выходное устройство 24 камеры,через которое риформированный газ может покидать установку 10 риформинга. Наружная стенка 14-1 010329 трубы и внутренняя ограничительная стенка 16 ограничивают камеру 26, протянувшуюся между входным устройством 20 и выходным устройством 24 камеры. Камера 26 в показанной здесь форме выполнения между входным устройством 20 и выходным устройством 24 камеры выполнена в форме спирали. Это осуществлено благодаря тому, что во внутреннюю цилиндрическую ограничительную стенку 16 врезан канал 28. Размер А канала в радиальном направлении невелик по отношению к радиусу R тепловой трубы 12. Благодаря этому температурный градиент в радиальном направлении в камере 26 весьма мал. В спиралеобразном канале 28 размещена сыпучая масса 30 из каталитически действующей среды, при этом каталитически действующая среда в представленной здесь форме выполнения присутствует в форме окатышей. Благодаря врезанному в ограничительную стенку 16 каналу 28 увеличивается эффективная поверхность теплопередачи между сыпучей массой 30 каталитически действующей среды и внутренней ограничительной стенкой 16, служащей в качестве теплопереносящего устройства, поскольку в совокупности имеются три контактные поверхности для теплопереноса. Внутренняя ограничительная стенка 16 окружает внутреннюю камеру 32, содержащую заливку из жидкого металла. Жидкометаллические заливки весьма пригодны, в частности, для диапазона температур до 1100C. При этом предпочтительно используются литий или натрий. Использование натрия в качестве жидкометаллической заливки предпочтительно, поскольку в этом случае внутренняя ограничительная стенка 16 может быть выполнена из высококачественной стали. В зоне второго аксиального конца 22 тепловой трубы 12 расположен теплообменник 34. С помощью теплообменника 34 тепловая энергия может быть перенесена от тепловой трубы 12 на другие компоненты системы топливных элементов. В частности, тепловая энергия может быть перенесена на протекающую в трубопроводе 36 жидкую или газообразную среду и от нее на другие компоненты системы. Более подробное описание для этого дано в последующем тексте. На фиг. 3 представлено соединение установки 10 риформинга с системой 38 топливных элементов. Подводящий топливопровод 39 соединен с устройством 40 транспортировки среды, подсоединенным к испарителю 42. Подводящий топливопровод 39 и подводящий воздухопровод 46 подсоединены к смесеобразующему устройству 44, которое, в свою очередь, соединено с входным устройством 20 камеры. К выходному устройству 24 камеры установки 10 риформинга примыкает хранилище 48 топливных элементов, к которому подключена камера дожигания 50. Хранилище 48 топливных элементов, кроме соединения с выходным устройством 24 камеры установки 10 риформинга, имеет еще также подводящий катодный воздухопровод 52. Ниже дается пояснение принципа действия как установки 10 риформинга системы 38 топливных элементов, так и соединение установки 10 риформинга со всей системой в целом. По подающему топливопроводу 39 топливо с помощью устройства 40 транспортировки среды подводится к испарителю 42 и переводится там в газообразную фазу. Испаренное топливо перетекает затем в смесеобразующее устройство 44, в которое по подающему воздухопроводу 46 подается воздух и смешивается с испаренным топливом. Затем через входное устройство 20 камеры топливовоздушная смесь вводится в установку 10 риформинга (фиг. 1). Затем топливовоздушная смесь попадает в сыпучую массу 30 с каталитически действующей средой. С помощью сыпучей массы 30 с каталитически действующей средой происходит преобразование топливовоздушной смеси в промежуточные продукты, при этом выделяющаяся в начале теплота реакции из окислительных реакций посредством тепловой трубы 12 переносится на засыпку внутренней камеры 32. Затем теплота реакции, выделяющаяся в зоне первого аксиального конца 18 тепловой трубы 12, через засыпку внутренней камеры 32 переносится в зону второго аксиального конца 22 тепловой трубы 12. Благодаря этому предотвращается локальный перегрев на первом аксиальном конце 18 тепловой трубы 12, обычно происходящий при проведении политропной реакции (см. фиг. 2, пунктирная кривая), и достигается практически постоянный температурный режим по всему осевому протяжению тепловой трубы 12 (см. фиг. 2, сплошная кривая). Промежуточные продукты,образующиеся в зоне первого аксиального конца 18 тепловой трубы 12, транспортируются затем в канале 28 в зоне второго аксиального конца 22 тепловой трубы 12, где происходит риформинг промежуточных продуктов. Полученные риформированные газы отводятся затем с выходного устройства 24 камеры. На фиг. 2 представлено, каким образом можно избежать локального перегрева на первом аксиальном конце 18 тепловой трубы 12 в зоне входного устройства 20 камеры, которое наступает при проведении политропной реакции согласно уровню техники (см. фиг. 2, пунктирная кривая), и благодаря использованию тепловой трубы 12 достигается практически постоянный температурный режим по всему осевому протяжению тепловой трубы 12 между входным устройством 20 камеры и выходным устройством 24 камеры (см. фиг. 2, сплошная кривая). Максимальная температура Тмакс, которая не должна быть превышена, для того чтобы не снизить срок службы каталитически действующей среды и материаловносителей, не превышается ни в одной зоне тепловой трубы 12. Локальные перегревы тем самым исключены. Риформированный газ, выходящий на выходном устройстве 24 камеры, подводится теперь к хранилищу 48 топливных элементов (см. фиг. 3), в котором известным образом освобождается электроэнергия. Выходящие из хранилища 48 топливных элементов газы подводятся теперь еще к камере дожигания 50, в которой они еще дополнительно термически утилизируются.-2 010329 Поскольку вся система 38 топливных элементов имеет избыток тепловой энергии, зависящий от массового потока газовой смеси реагентов, то он может быть использован с помощью теплообменника 34 для других системных компонентов системы 38 топливных элементов. Такими компонентами системы могут быть смесеобразующее устройство 44 или катодный воздух подающего катодного воздухопровода 52 хранилища 48 топливных элементов. Трубопровод 36 теплообменника 34 должен быть в этом случае соответствующим образом соединен с подающим воздухопроводом 46 или подающим катодным воздухопроводом 52. Однако при комбинированной системе тепловая энергия из теплообменника 34 для выработки электроэнергии и тепла может быть подведена также непосредственно в систему отопления. Наряду с уже упомянутым изотермическим распределением температуры в тепловой трубе 12 при установке риформинга согласно изобретению существенно упрощается управление процессами преобразования и повышается модулируемость в отношении потоков среды. Существенно повышается выход риформированного газа. Кроме того, благодаря использованию различных каталитически действующих сред в канале 28 дополнительно оптимизируется проведение реакции. Если подходящим образом трубопроводами и клапанами будут соединены между собой две установки 10 риформинга, то может быть реализован чередующийся режим использования и регенерации обеих установок риформинга: в то время как одна из двух установок риформинга регенерируется, вторая установка риформинга может вырабатывать риформированный газ для работы системы 38 топливных элементов. После регенерации первой установки риформинга и истощения второй установки риформинга производят переключение, и первая установка риформинга может опять вырабатывать риформированные газы для системы 38 топливных элементов. Для повышенных расходов газа могут параллельно друг другу эксплуатироваться также несколько установок 10 риформинга. Это позволяет также использовать различное топливо, которое может присутствовать как в жидкой, так и в газообразной форме. Список ссылочных обозначений 10 - установка риформинга; 11 - тепловая труба; 14 - наружная стенка трубы; 16 - внутренняя ограничительная стенка; 18 - первый аксиальный коней тепловой трубы; 20 - входное устройство камеры; 22 - второй аксиальный конец тепловой трубы; 24 - выходное устройство камеры; 26 - камера; 28 - канал; 30 - сыпучая масса; 32 - внутренняя камера; 34 - теплообменник; 36 - трубопровод; 38 - система топливных элементов; 39 - подающий топливопровод; 40 - устройство транспортировки среды; 42 - испаритель; 44 - смесеобразующее устройство; 46 - подающий воздухопровод; 48 - хранилище топливных элементов; 50 - устройство дожигания; 52 - подающий катодный воздухопровод. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Установка (10) риформинга топливного элемента, содержащая камеру (26), имеющую входное устройство (20) для впуска газовой смеси реагентов и выходное устройство (24) для выпуска реформированного газа, при этом в камере (26) размещена каталитически действующая среда, отличающаяся тем,что установка (10) риформинга содержит тепловую трубу (12) с наружной цилиндрической стенкой (14) трубы и внутренней цилиндрической ограничительной стенкой (16), причем камера (26) расположена между наружной стенкой (14) трубы и внутренней ограничительной стенкой (16). 2. Установка (10) риформинга топливного элемента по п.1, отличающаяся тем, что входное устройство (20) камеры расположено вблизи первого аксиального конца (18) тепловой трубы (12), а выходное устройство (24) камеры расположено вблизи второго аксиального конца (22) тепловой трубы (12). 3. Установка (10) риформинга топливного элемента по п.1 или 2, отличающаяся тем, что камера(26) между ее входным устройством (20) и выходным устройством (24) выполнена в форме спирали. 4. Установка (10) риформинга топливного элемента по одному из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что камера (26) образована из канала (28), врезанного во внутреннюю цилиндрическую-3 010329 ограничительную стенку (16). 5. Установка (10) риформинга топливного элемента по одному из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что внутренняя камера (32) окружена внутренней ограничительной стенкой (16), причем внутренняя камера (32) содержит заливку из жидкого металла. 6. Установка (10) риформинга топливного элемента по п.5, отличающаяся тем, что в качестве жидкого металла испльзован литий или натрий. 7. Установка (10) риформинга топливного элемента по одному из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что вблизи второго аксиального конца (22) тепловой трубы (12) расположен теплообменник (34), причем с помощью теплообменника (34) происходит перенос тепловой энергии от тепловой трубы (12) на другие компоненты (44) системы топливных элементов. 8. Установка (10) риформинга топливного элемента по п.7, отличающаяся тем, что топливный элемент имеет смесеобразующее устройство (44) и посредством теплообменника (34) происходит перенос тепловой энергии от тепловой трубы (12) на смесеобразующее устройство (44) топливного элемента. 9. Установка (10) риформинга топливного элемента по п.7 или 8, отличающаяся тем, что к топливному элементу подается катодный воздух и посредством теплообменника (34) происходит перенос тепловой энергии от тепловой трубы (12) к катодному воздуху.