Beim Betrieb von Brennstoffzellen mit Polymermembranen, kurz PEM-Brennstoffzellen genannt, insbesondere für mobile Anwendungen, kann ein wasserstoffreiches Gas aus einem flüssigen Rohkraftstoff durch Reformierung von flüssigen Kohlenwasserstoffen, z. B. Benzin oder Diesel erzeugt wer- den.

Diese Reaktion kann vorteilhaft in einem autothermen Reak- tor durchgeführt werden. Darin wird durch eine exotherme Verbrennung Energie freigesetzt, die zur Beheizung der en- dothermen Reformierungsreaktion eingesetzt wird. Im Ideal- fall ist die exotherme Reaktionszone der endothermen Reak- tionszone überlagert. Es ist aber auch möglich, die exo- therme Reaktion der endothermen Reaktion vorzuschalten. In der endothermen Reaktionszone erfolgt die Umsetzung des zu- dosierten Wasser/Luft/Kohlenwasserstoff-Gemischs in ein H2- reiches Gas, das neben CO2 auch CO enthält. Um am Ende des Reaktors eine Rückreaktion des CO-Gases im Gasgemisch in elementaren Kohlenstoff (Ruß) zu verhindern, muß das Gasge- misch schnell auf ein niedriges Temperaturniveau herabge- kühlt werden. Dies wird durch Wasserzugabe erreicht und wird als Quenchen bezeichnet. Für den Fall der partiellen Oxidation von Kohlenwasserstoffen ist dieser Vorgang zum Beispiel in der US 5,358,696 oder der US 2,664,402 be- schrieben.

Durch den Quenchvorgang entsteht im Reaktor ein der Abküh- lung entsprechendes Temperaturgefälle. Dies ist unver- wünscht, da sich durch den damit einher gehenden Wärmever- lust im hinteren Bereich der endothermen Zone eine zu niedrige Temperatur einstellt. Diese Temperatur ist bestimmend für die Gaszu- sammensetzung, da das thermodynamische Gleichgewicht der Reformierungsreaktion temperaturabhängig ist.

Aus der DE 197 11 044 A1 ist ein Reaktor zur Klärschlamm- verbrennung beschrieben. Er ist vertikal ausgerichtet, wo- bei die Verbrennungszone zur Verbrennung des Klärschlamms sich im unter Bereich befindet, und die innerhalb des Reak- tors aufsteigenden Verbrennungsgase zur Trocknung des von oben in den Reaktor eintretenden Klärschlamms eingesetzt werden. Zwischen der Trocknungszone und der Verbrennungszo- ne ist ein Festkörperstrahler angeordnet, der strahlenför- mig angeordnete geneigte Schaufeln ähnlich einem Lüfterrad aufweist. Die Schaufeln sind um 30°C gegen die Strömungs- richtung der Verbrennungsgase geneigt. Beim Durchtritt durch den Festkörperstrahler geben die Verbrennungsgase ei- nen Teil ihrer Wärme an den Festkörperstrahler ab. Ein Teil der aufgenommenen Energie wird als Festkörperstrahlung in die Verbrennungszone zurückgestrahlt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Temperatur- verteilung im autothermen Reaktor derart zu optimieren, daß die Reaktionszonen von der Quenchzone thermisch möglichst gut abgekoppelt werden. Eine Abkühlung im hinteren Bereich der endothermen Zone sollte vermieden, eine möglichst gute Energierückkopplung in die vorgeschaltete endotherme Zone jedoch erreicht werden. Dabei sollte der entstehende Druck- verlust des Gasvolumenstroms im Reaktor möglichst gering sein.

Diese Aufgabe wird mit dem autothermen Reaktor nach Patent- anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Gemäß der Erfindung ist ein gasdurchlässiger Hitzeschild vorgesehen, der zwischen den Reaktionszonen des Reaktors und der Quenchzone im Reaktorgasvolumenstrom angeordnet ist. Der Hitzeschild umfaßt im wesentlichen zwei Komponen- ten : -eine Thermalisolation zur thermischen Isolation von en- dothermer Reaktionszone und Quenchzone, -einen Temperaturstrahler zur Abstrahlung der aus dem ab- strömenden Reaktorgasvolumenstrom aufgenommenen thermi- schen Energie. Seine Oberfläche ist der endothermen Re- aktionszone zugewandt. Die Strahlungsleistung steigt ge- mäß dem Stefan-Boltzmann-Gesetz mit der 4. Potenz der Oberflächentemperatur. Je heißer die Gastemperatur, um so heißer die Oberfläche des Hitzeschilds und um so hö- her die in Richtung auf die endotherme Reaktionszone ab- gestrahlte Energie.

Für die Funktionsweise des erfindungsgemäßen temperatursta- bilisierten Reaktors sind somit im wesentlichen folgende Wärmeübertragungsmechanismen von Bedeutung : -Warmeübertragung vom Gasvolumenstrom auf den Hitze- schild ; hier ist vor allem die konvektive Wärmeübertra- gung durch erzwungene Konvektion von Bedeutung. Die Er- zeugung einer turbulenten Strömung ist hierbei vorteil- haft. Diese kann durch entsprechende geometrische Ausle- gung des Hitzeschilds erreicht werden. Darüberhinaus kann die Hitzeschild-Geometrie derart ausgelegt werden, dass der Wärmefluß zu der Oberfläche des Temperatur- strahlers optimiert wird.

Strahlungswärmeübertragung vom Hitzeschild zurück auf den in der Reaktionszone befindlichen Reformierungskata- lysator. Typische Temperaturen bei der Durchführung der Reformierungsreaktion 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 (idealerweise mit der Charakteristik eines schwarzen Strahlers) sowie der Oberflächengüte kann eine maximale Effizienz der Abstrahlung erreicht werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Hitzeschild wird somit eine sehr gute thermisch Isolation der Quenchzone gegenüber dem au- tothermen Bereich des Reaktors erreicht. Die endotherme Re- aktionszone kann auf Betriebstemperatur gehalten werden, ohne von dem Temperaturabfall in der Quenchzone beeinflusst zu werden.

Gleichzeitig wird eine Energierückkopplung erreicht, in dem die von dem Hitzeschild aufgenommene Wärme des Gasvolumen- stroms in die endotherme Zone zurückgestrahlt wird. Somit können die Wärmeverluste, die durch den abströmenden Gas- massenstrom verursacht werden, wesentlich vermindert wer- den.

Dem erfindungsgemäßen Hitzeschild besitzt darüberhinaus ei- ne vorteilhafte Wirkung als Energiespeicher bei Lastwech- seln, wie im folgenden erläutert wird : Bei einem Reaktor kann man im wesentlichen zwischen zwei Arten von Wärmeverlusten unterscheiden : -Wandverluste : Wärmeverluste durch die Reaktorisolation hindurch und über die Reaktoroberfläche an die Umgebung ; -Gasvolumenstromverluste : Wärmeverluste, die durch den abströmenden Gasmassenstrom und die Gastemperatur verur- sacht werden. Die Gasvolumenstromverluste sind abhängig vom Gasmassenstrom, der Wärmekapazität des stromemden Gasgemischs und des Temperaturgefälles.

Bei Lastwechseln wird die exotherme Energieabgabe propor- tional der Laständerung verändert. Da die Wandverluste we- sentlich von der Innentemperatur abhängen, die Gasvolumen- stromverluste sich aber proportional zu der Last ändern, verschieben sich beim Lastwechsel die Anteile der Ver- lustarten entsprechend. Je geringer die Last, um so höher der Anteil der Wandverluste und je höher die Last, um so höher der Anteil der Volumenstromverluste.

Der erfindungsgemäße Hitzeschild kann unter den geschilder- ten Bedingungen als Wärmepuffer dienen, um die Betriebstem- peratur des Reaktors zu stabilisieren. Im Lastwechsel nach unten gibt er, abhängig von seiner Wärmekapazität, seine zuvor aufgenommene Energie zeitverzögert ab und verzögert so die Abkühlung. Beim Lastwechsel nach oben wird der pro- portional steigende Volumenstromverlust durch die Wärmeauf- nahme des Hitzeschilds gemindert.

Darüber hinaus wird durch diesen Dämpfungsvorgang eine kon- stantere Steuerung des Quenchens erreicht. Auch eine gleichmäßigere Versorgung der einem Reaktor nachgeschalte- ten Shiftreaktion zur CO-Entfernung wird dadurch ermög- licht.

Der erfindungsgemäße Reformierungskatalysator kann insbe- sondere 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 Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 : einen erfindungsgemäßen Reaktor in schematischer Darstellung ; Fig. 2 : die Strahlungsleistung (Watt) eines erfindungsemä- ßen Hitzeschilds in Abhängigkeit von der Temperatur Fig. 3 : eine Ausführung des erfindungsgemäßen Hitzeschilds in schematischer Darstellung ; Fig. 4 : eine konkrete Ausführung des erfindungsgemäßen Hit- zeschilds ; Fig. 5,6 : weitere konkrete Ausführungen des erfindungsgemä- ßen Hitzeschilds.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen autothermen Reformie- rungsreaktor in schematischer Darstellung. Er umfaßt die autotherme Reaktionszone, in der die exotherme Reaktion zur Energiefreisetzung sowie die endotherme Reformierungsreak- tion ablaufen. Die zudosierten Kohlenwasserstoffe sowie Luft und Hz0 werden darin in ein H2-reiches, CO-haltiges Gasgemisch umgesetzt. Der autothermen Reaktionszone nachge- schaltet ist die Quenchzone, in der das Gasgemisch nach Durchströmen des gasdurchlässigen Hitzeschilds durch Zugabe einer Flüssigkeit, üblicherweise Wasser, schnell auf ein niedrigeres Temperaturniveau herabgekühlt wird. Das erfin- dungsgemäße Hitzeschild ist in dieser Ausführung quer zur Strömungsrichtung des Gasvolumenstroms positioniert. Es ist vorteilhaft so strukturiert, dass es eine möglichst hohe Oberfläche aufweist. Der erfindungsgemäße Hitzeschild er- streckt sich über den gesamten Querschnitt des Reaktors, so daß der Reaktor baulich in zwei Räume getrennt wird.

In Fig. 1 ist zusätzlich eine Temperaturverteilung inner- halb des Reaktors entlang der Strömumgsrichtung aufgezeich- net. Die gestrichelten Linien bezeichnen dabei die Werte in einem erfindungsgemäßen Reaktor, die durchgezogenen Linie die Werte in einem konventionellen Reaktor. Man erkennt, daß bei dem erfindungsgemäßen Reaktor im Bereich des Hitze- schilds ein starkes Temperaturgefälle herrscht, so daß die Quenchzone von den Reaktionszonen thermisch gut abgekoppelt ist. Demgegenüber weist der konventionelle Reaktor ein ste- tes Temperaturgefälle über die gesamte Länge des Reaktors auf. Dadurch ergeben sich Wärmeverluste im (in Strömungs- richtung gesehen) hinteren Bereich der Reaktionszone mit den in der Beschreibungseinleitung erläuterten Nachteilen.

Fig. 2 zeigt die Strahlungsleistung eines erfindungsemäßen Hitzeschilds für einen bestimmten, beispielhaften Durchmes- ser. Wie man aus der Zeichnung erkennen kann, steigt die Strahlungsleistung gemäß Stefan-Boltzmann-Gesetz proportio- nal zur 4. Potenz der Temperatur.

Fig. 3 zeigt eine Ausführung des erfindungsgemäßen Hitze- schilds in schematischer Darstellung. Der Hitzeschild HS ist in dem Reaktorgasvolumenstrom zwischen der autothermen Reaktionszone und der Quenchzone angeordnet. Der Hitze- schild HS umfaßt in dieser Ausführung folgende Elemente, die schichtartig nebeneinander angeordnet sind : -Temperaturstrahler STR aus einem Schaum aus Metall oder Keramik. Er ist der autothermen Reaktionszone zugewandt und strahlt die über Konvektion vom Reaktorgasvolumen- strom auf den Hitzeschild übergegangene Wärme als Tempe- raturstrahlung in die Reaktionszone zurück.

-Thermalisolation IS aus einer thermisch isolierenden Ke- ramikgussmasse oder einem vorgeformten Keramikteil. Sie kann einen schaumartigen Aufbau aufweisen.

-Verdampferstruktur VD aus einem Metallschaum mit mög- lichst hoher Oberfläche. Sie dient dazu, das Quenchen des Reaktorgasvolumenstroms zu unterstützen, in dem die zur Kühlung zugegebene, z. B. eingespritze oder eingedü- ste Wasser an ihrer Oberfläche möglichst schnell ver- dampft wird.

Fig. 4 zeigt eine konkrete Ausführung des erfindungsgemäßen Hitzeschilds HS. Er umfaßt den Temperaturstrahler STR, des- sen gegen die Reaktionszone gerichtete Oberfläche als Strahlungsfläche SF dient, über die die vom Gasvolumenstrom auf den Hitzeschild HS übergegangene Wärme als Strahlungse- nergie in die Reaktionszone zurückgestrahlt wird. Außerdem ist eine Thermalisolation IS vorhanden.

Die konstruktive Auslegung des Hitzeschilds HS ist so aus- gelegt, dass eine möglichst hohe Strahlung in Gegenstrom- richtung erzielt wird, und gleichzeitig eine möglichst gute thermische Isolation gegenüber der in Strömungsrichtung nachgeschalteten Quenchzone. Für eine gute Wärmeübertragung aus dem Gasvolumenstrom auf den Hitzeschild HS ist die Er- zeugung einer turbulenten Strömung vorteilhaft, z. B. durch eine geeignete Wahl des Strömungsquerschnitts. In der dar- gestellten Ausführung sind die Strömungskanäle GK für den Reaktorgasvolumenstrom entweder konisch oder zylinderförmig ausgebildet. Die Wände der Strömungskanäle GK werden durch den Temperaturstrahler STR gebildet. Dadurch wird der Wär- mefluß zur strahlungsaktiven Oberfläche SF des Temperatur- strahlers STR hin optimiert. Die Thermalisolation IS be- steht in dieser Ausführung somit aus einer Mehrzahl einzel- ner, nicht zusammenhängender Bereiche.

Fig. 5 und 6 zeigen weitere Ausführungsformen des erfin- dungsgemäßen Hitzeschilds HS. Dargestellt ist jeweils der Temperaturstrahler als äußerster Schicht des Hitzeschilds.

Jede Ausführung ist sowohl in Draufsicht als auch im Quer- schnitt dargestellt. Die obere Abbildung, Fig. 5a, zeigt eine erste Ausführung des Temperaturstrahlers als Keramik- oder Metallschaum. Fig. 5b zeigt eine weitere Ausführung, bei der der Temperaturstrahler als Kreuzkanalstruktur z. B. gemäß der DE 43 34 981 Al, ausgebildet ist. Fig. 5c und Fig. 5d schließlich zeigen Ausführungen aus Drahtgitter- strukturen bzw. Lochblechen.

In Fig. 6 sind Ausführungen des erfindungegemäßen Hitze- schilds HS dargestellt, der verschiedene Spaltstrukturen als Strömungskanäle GK für den Gasvolumenstrom aufweist.

Fig. 6a zeigt eine Spaltstruktur aus mehreren konzentri- schen Ringspalten. Fig. 6b zeigt eine Spaltstruktur nach Art einer Bienenwabe. Dabei bilden 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 Strö- mungsrichtung, -Temperaturbeständigkeit,<BR> -Temperaturwechselbestandigkeit,<BR> -Verzunderungsfestigkeit.

Letztgenannte Eigenschaft ist aus dem Grunde relevant, da es bei inhomogener Gemischbildung in der Reaktionszone zum Durchbruch von 02 kommen kann.