DE60217200T2

DE60217200T2 - Brennstoffreformersystem

Info

Publication number: DE60217200T2
Application number: DE60217200T
Authority: DE
Inventors: Karl Jacob Fairport Haltiner Jr.; Malcolm James Fairport Grieve; Peter Rochester Hendler; John Fairport Noetzel
Original assignee: Delphi Technologies Inc
Current assignee: Delphi Technologies Inc
Priority date: 2001-02-13
Filing date: 2002-01-16
Publication date: 2007-10-18
Anticipated expiration: 2022-01-17
Also published as: EP1231183A3; US20020108309A1; EP1231183A2; US7160342B2; US20070089368A1; EP1231183B1; DE60217200D1

Description

Hintergrund
Alternative Transportkraftstoffe haben sich als Mittel erwiesen, die in der Lage sind, giftige Emissionen im Vergleich zu jenen, die durch herkömmliche Kraftstoffe erzeugt werden, zu verringern. Gleichzeitig haben schärfere Abgasnormen und eine deutliche Innovation von Katalysatorformulierungen und Motorsteuerungen zu dramatischen Verbesserungen in dem Vermögen eines niedrigen Schadstoffausstoßes und der Robustheit von Benzin- und Dieselmotorsystemen geführt. Dies hat zweifellos den ökologischen Unterschied zwischen optimierten herkömmlichen und alternativen Kraftstofffahrzeugsystemen reduziert. Es bleiben jedoch viele technische Herausforderungen, um den auf herkömmliche Weise mit Kraftstoff versorgten Verbrennungsmotor zu einem System mit beinahe null Schadstoffausstoß zu machen, das den notwendigen Wirkungsgrad aufweist, um das Fahrzeug wirtschaftlich brauchbar zu machen.
Alternative Kraftstoffe decken ein breites Spektrum potenzieller Vorteile für die Umwelt ab, die von schrittweisen Verbesserungen von giftigen und Kohlendioxid(CO₂)-Emissionen (neu formuliertes Benzin, Alkohole, etc.) bis zu signifikanten Verbesserungen von giftigen und CO₂-Emissionen (Erdgas etc.) reichen. Wasserstoff besitzt das Potenzial als ein nahezu schadstofffreier Kraftstoff (einschließlich CO₂, wenn er von einer nicht fossilen Quelle stammt) für einen Verbrennungsmotor.
Die Automobilindustrie hat sehr beträchtliche Fortschritte bei der Reduktion von Automobilemissionen gemacht. Dies resultierte in bestimmten zusätzlichen Kosten und Komplexität von Motormanagementsystemen, wobei diese Kosten jedoch durch andere Vorteile von Computersteuerun gen: erhöhte Leistungsdichte, Kraftstoffersparnis, Fahrverhalten, Verlässlichkeit und Echtzeitdiagnostik kompensiert werden.
Zukünftige Initiativen, Fahrzeuge mit null Emissionen zu fordern, scheinen uns in ein neues gesetzliches Paradigma zu bringen, wo asymptotisch kleinere Vorteile für die Umwelt sehr hohe Mehrkosten bedingen. Jedoch kann selbst ein Fahrzeug mit zertifiziertem „ultraniedrigem Schadstoffausstoß" unter begrenzten, extremen Umgebungs- und Betriebsbedingungen oder mit gestörten oder beschädigten Komponenten einen hohen Schadstoffausstoß aufweisen.
Ein Ansatz, der auf das Problem von Emissionen gerichtet ist, besteht in der Verwendung von Brennstoffzellen, insbesondere Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC), in einem Automobil. Eine Brennstoffzelle ist eine Energieumwandlungsvorrichtung, die Elektrizität und Wärme erzeugt, indem sie einen gasförmigen Brennstoff wie z. B. Wasserstoff, Kohlenmonoxid oder einen Kohlenwasserstoff und ein Oxidationsmittel wie z. B. Luft oder Sauerstoff über einen Ionen leitenden Elektrolyten elektrochemisch kombiniert. Die Brennstoffzelle wandelt chemische Energie in elektrische Energie um. Eine Brennstoffzelle besteht allgemein aus zwei Elektroden, die an entgegengesetzten Seiten eines Elektrolyten positioniert sind. Das Oxidationsmittel strömt über die Sauerstoffelektrode (Kathode), während der Brennstoff über die Brennstoffelektrode (Anode) strömt, wodurch Elektrizität, Wasser und Wärme erzeugt wird.
Eine SOFC besteht gänzlich aus festen Materialien und verwendet eine ionenleitfähige Oxidkeramik als Elektrolyt. Eine herkömmliche elektrochemische Zelle in einer SOFC besteht aus einer Anode und einer Kathode mit einem dazwischen angeordneten Elektrolyten. In einer typischen SOFC fließt ein Brennstoff zur Anode, wo er durch die Sauerstoffionen von dem Elektrolyten oxidiert wird und Elektronen erzeugt, die an den äußeren Kreis freigesetzt werden und hauptsächlich Wasser und Kohlendioxid werden in dem Brennstoffstrom entfernt. An der Kathode nimmt das Oxidationsmittel Elektronen von dem äußeren Kreis auf, um Sauerstoffionen zu bilden. Die Sauerstoffionen wandern über den Elektrolyten zur Anode. Der Fluss von Elektronen durch den äußeren Kreis stellt verbrauchbare oder speicherbare elektrische Leistung bereit. Allerdings erzeugt jede einzelne elektrochemische Zelle eine relativ geringe Spannung. Höhere Spannungen werden erzielt, indem eine Vielzahl von elektrochemischen Zellen in Reihe geschaltet werden, um einen Stapel zu bilden.
Der Brennstoffzellenstapel umfasst auch Leitungen oder Verteiler, um zuzulassen, dass der Brennstoff und das Oxidationsmittel in den Stapel gelangen und Nebenprodukte wie auch überschüssiger/s Brennstoff und Oxidationsmittel aus dem Stapel heraus gelangen. Im Allgemeinen wird Sauerstoff der Struktur von einem Verteiler zugeführt, der auf einer Seite des Stapels angeordnet ist, während Brennstoff von einem Verteiler geliefert wird, der auf einer benachbarten Seite des Stapels angeordnet ist. Der Brennstoff und das Oxidationsmittel werden allgemein durch die Verteiler gepumpt und in ein Strömungsfeld eingeführt, das neben der entsprechenden Elektrode angeordnet ist. Die Strömungsfelder, die den Brennstoff und das Oxidationsmittel zu den entsprechenden Elektroden führen, erzeugen typischerweise Oxidationsmittel- und Brennstoffflüsse über die Elektroden, die rechtwinklig zueinander stehen.
Der erfolgreiche Langzeitbetrieb einer Brennstoffzelle ist primär davon abhängig, dass während stationärer Zustände wie auch transienter Betriebsbedingungen wie z. B. Kaltstarts und Notabstellungen die strukturelle und chemische Stabilität von Brennstoffzellenkomponenten erhalten bleiben. Die Unterstützungssysteme sollen den Brennstoff speichern und steuern, das Oxidationsmittel komprimieren und steuern und ein Wärmeenergiemanagement bereitstellen. Eine SOFC kann in Verbindung mit einem Reformer verwendet werden, der einen Brennstoff zu Wasserstoff und Kohlenmonoxid (das Reformat) umwandelt, die von der Brennstoffzelle verwendet werden können. Typischerweise werden drei Arten von Reformertechnologien verwendet (Dampfreformer, Trockenreformer und Reformer mit partieller Oxidation), um einen Kohlenwasserstoffkraftstoff (Methan, Propan, Erdgas, Benzin etc.) unter achtsamer Verwendung von Wasser, Kohlendioxid und Sauerstoff zu Wasserstoff umzuwandeln, wobei Nebenprodukte demgemäß Kohlendioxid und Kohlenmonoxid umfassen. Diese Reformer arbeiten bei hohen Temperaturen (z. B. etwa 800 °C oder größer). Bei niedrigeren Temperaturen wie z. B. während eines Starts kann eine Ablagerung von Kohlenstoff (oder Ruß) auf dem Katalysator den Wirkungsgrad des Reformers nachteilig beeinflussen und die Lebensdauer des Reformers verringern. Hauptanforderungen an die Reformer sind ein schneller Start, eine dynamische Ansprechzeit, Brennstoffumwandlungseffizienz, Größe und Gewicht.
Da schnelle Start- und Abstellzyklen bei Automobilanwendungen typisch sind und die Brennstofflieferung wiederum schnell und bei der richtigen Temperatur geliefert werden muss, wurde von gelagerten Gasflaschen sauerstoffreiches Gas geliefert. Allerdings erfordert eine Lagerung von Gasflaschen in der Nähe von Brennstoffzellen viel Platz. Dies hat sich auf Grund der höheren Gaskosten, Flaschenmietkosten und Transportkosten als sehr kostspielig erwiesen.
Die EP 1 047 144 offenbart ein Verfahren zum Starten eines Motors. Bei einem Kaltstart werden Kraftstoff und Luft an einen Schnellstartreformer geliefert, um einen Betrieb des Motors mit dem von dem Schnellstartreformer erzeugten Reformat zuzulassen. Während Startbedingungen wird der Motor mit dem Reformat von dem Schnellstartreformer und Luft betrieben. Kraftstoff wird dem Motor auch zugeführt, wenn der Motor nicht mit dem Reformat von dem Schnellstartreformer betrieben wird. Der Motor erzeugt ein Reformat, um eine Festoxid-Brennstoffzelle zu versorgen.
Die US 4 391 794 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff aus Kohlenwasserstoffen, wobei zusätzliche Wärme mit Hilfe einer elektrischen Heizeinrichtung geliefert wird.
Die DE 199 06 672 offenbart eine Vorrichtung zur Durchführung einer katalytischen Reaktion, wobei ein Reformer, in den ein Reaktandengemisch eingeführt wird, Reformierungsplatten enthält, die aus einem keramischen und katalytischen Material bestehen.
Zusammenfassung
Die Unzulänglichkeiten und Nachteile des Standes der Technik werden durch das Verfahren zum Start eines Hauptreformers, wie in den Ansprüchen dargelegt, überwunden. Das Verfahren umfasst, dass eine erste Lieferung von Brennstoff und eine erste Lieferung von Luft in einen Mikroreformer eingeführt werden. Die erste Lieferung von Brennstoff wird erhöht, um ein erhitztes Reformat in dem Mikroreformer zu erzeugen. Das erhitzte Reformat wird durch einen Hauptreformer geführt, um den Hauptreformer zu erhitzen. Zumindest ein Anteil des erhitzten Reformats wird in dem Hauptreformer verbrannt. Eine zweite Lieferung von Brennstoff und eine zweite Lieferung von Luft werden in den Hauptreformer eingeführt, um eine Hauptlieferung von Reformat zu erzeugen.
Ein Verfahren zum Halten einer Fahrzeugvorrichtung in einem Bereitschaftszustand wird offenbart. Das Verfahren umfasst, dass eine Liefe rung von Brennstoff und eine Lieferung von Luft in einen Mikroreformer eingeführt werden. Die Lieferung von Brennstoff wird erhöht, um ein erhitztes Reformat in dem Mikroreformer zu erzeugen. Zumindest ein Anteil des erhitzten Reformats wird durch die Fahrzeugvorrichtung geleitet. Die Fahrzeugvorrichtung wird bei einer Bereitschaftstemperatur gehalten.
Die oben beschriebenen und weitere Merkmale werden durch die nachfolgende/n Fig. und detaillierte Beschreibung beispielhaft erläutert.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Unter nunmehriger Bezugnahme auf die Fig., wobei gleiche Elemente gleich bezeichnet sind, ist
1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften elektrochemischen Zelle einer SOFC im Betrieb; und
2 eine Seitenansicht eines beispielhaften Brennstoffreformersystems.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Um die Anforderungen von Automobilen zu erfüllen, müssen Brennstoffzellen schnell starten, was eine direkte Quelle von Brennstoff erfordert. Herkömmliche Brennstoffe wie z. B. Benzin müssen in annehmbare SOFC-Brennstoffe wie etwa Wasserstoff und Kohlenmonoxid reformiert werden. Der Reformierungsprozess behandelt den Brennstoff für eine effiziente Nutzung durch das Brennstoffzellensystem vor. Da es verschiedene Arten von Brennstoffzellensystemen gibt, umfassend rohrförmige oder planare, soll jeder Verweis auf Komponenten einer bestimmten Zellenkon figuration auch ähnliche Komponenten in anderen Zellenkonfigurationen darstellen, wo dies zutrifft.
Eine Konfiguration einer Brennstoffzelle umfasst einen Stapel von planaren SOFC mit einer elektrochemischen Zelle 10 eines Stapels, wie in 1 veranschaulicht. Eine Brennstoffelektrode (oder -anode) 20 und eine Sauerstoffelektrode (oder -kathode) 22 sind an entgegengesetzten Seiten eines Feststoffelektrolyten 24 angeordnet, um eine elektrochemische Zelle 10 zu bilden. Im Betrieb erzeugt die elektrochemische Zelle 10 eine Fluss von Elektronen, wie durch Elektronenflusspfeile 25, 26 veranschaulicht ist. Oxidationsmittelgase wie z. B. Sauerstoff oder Luft können in die Kathodenseite der Zelle eingeführt werden, die wie durch den Oxidationsmittelströmungspfeil 27 veranschaulicht fließen. Das Oxidationsmittel nimmt die fließenden Elektronen (e^–) auf und wandelt sie in Sauerstoffionen (O^–2) um, die durch den Elektrolyten 24 zur Anode 20 diffundieren, wie in der folgenden Reaktion dargestellt: O₂ + 4e^– -> 2O^–2
An der Anode reagieren die Sauerstoffionen mit einem Brennstoff wie z. B. Wasserstoff, Kohlenmonoxid oder Methan, der in die elektrochemische Zelle 10 eingeführt wurde, wie durch den Brennstoffströmungspfeil 28 veranschaulicht ist. Die Reaktion des Brennstoffs und der Sauerstoffionen erzeugt Elektronen (e^–), die von der elektrochemischen Zelle 10 zu dem äußeren Kreis 30, um die elektrische Ladung zu erzeugen, und zurück zur Kathode 22 fließen. Die Brennstoff-/Sauerstoffionenreaktion ist in den folgenden Reaktionen dargestellt: H₂ + O^–2 -> H₂O + 2e^– [wenn der Brennstoff Wasserstoff ist] CO + O^–2 -> CO₂ + 2e^– [wenn der Brennstoff Kohlenmonoxid ist] CH₄ + 4O^–2 -> 2H₂O + CO₂ + 8e^– [wenn der Brennstoff Methan ist]
Nicht reagierter Brennstoff und Nebenprodukte wie z. B. Wasser und Kohlenmonoxid und Kohlendioxid verlassen die elektrochemische Zelle 10 in dem Brennstoffstrom, wie durch einen Brennstoffströmungspfeil 32 veranschaulicht ist, während überschüssiges Oxidationsmittel aus der elektrochemischen Zelle 10 austritt, wie durch einen Oxidationsmittelströmungspfeil 34 veranschaulicht ist. Wärmeenergie ist ebenfalls ein Nebenprodukt, das aus der elektrochemischen Zelle 10 in dem Brennstoffstrom 32 austritt.
Grundsätzlich leitet der Elektrolyt 24 diese Sauerstoffionen (O^–2) zwischen der Anode 20 und der Kathode 22 und hält ein Gleichgewicht einer elektrischen Gesamtladung aufrecht. Der Zyklus von fließenden Elektronen (e^–) von der Anode 20 durch den äußeren Kreis 30 zur Kathode 22 erzeugt elektrische Energie. Diese elektrische Energie, elektrische Leistung, kann von dem Fahrzeug direkt genutzt werden, um elektrische Vorrichtungen, umfassend, aber nicht begrenzt auf unter anderen: Lichter, Widerstandsheizeinrichtungen, Gebläse, Klimaanlagenkompressoren, Startermotoren, Antriebsmotoren, Computersysteme, Radio-/Stereosysteme und eine Vielzahl von Sensoren und Aktuatoren zu speisen.
Um die Reaktion in der Brennstoffzelle zu ermöglichen, wird eine direkte Lieferung des Brennstoffs wie z. B. Wasserstoff, Kohlenmonoxid oder Methan bevorzugt. Allerdings sind konzentrierte Lieferungen dieser Brennstoffe im Allgemeinen kostspielig und schwierig zu liefern. Daher kann der spezielle Brennstoff geliefert werden, indem eine komplexere Quelle des Brennstoffs verarbeitet wird. Der in dem System verwendete Brennstoff wird typischerweise auf der Basis der Anwendung, Kosten, Verfügbarkeit und Umweltbelange in Bezug auf den Brennstoff ausgewählt. Mögliche Quellen von Brennstoff umfassen herkömmliche Brennstoffe wie z. B. Kohlenwasserstoffbrennstoffe, umfassend, aber nicht begrenzt auf herkömmliche flüssige Brennstoffe wie z. B. Benzin, Diesel, Ethanol, Methanol, Kerosin und andere; herkömmliche gasförmige Brennstoffe wie z. B. Erdgas, Propan, Butan und andere; und alternative Brennstoffe wie z. B. Wasserstoff, Biobrennstoffe, Dimethylether und andere; und synthetische Brennstoffe wie z. B. synthetische Brennstoffe, die aus Methan, Methanol, Kohlevergasung oder Erdgasumwandlung zu Flüssigkeiten erzeugt werden, und Kombinationen, die zumindest eines der vorhergehenden Verfahren umfassen, und dergleichen; und Kombinationen, die zumindest einen der vorhergehenden Brennstoffe umfassen. Der bevorzugte Brennstoff basiert typischerweise auf der Energiedichte des Motors, wobei leichtere Brennstoffe, d. h., solche, die leichter verdampft werden können, und/oder herkömmliche Brennstoffe, die für Konsumenten einfach verfügbar sind, allgemein bevorzugt sind.
Die Verarbeitung oder Reformierung von Kohlenwasserstoffbrennstoffen wie z. B. Benzin wird durchgeführt, um eine direkte Brennstoffquelle für einen schnellen Start der Brennstoffzelle bereitzustellen, wie auch um die Brennstoffzelle zu schützen, indem Verunreinigungen entfernt werden. Eine Brennstoffreformierung kann verwendet werden, um einen Kohlenwasserstoff (z. B. Benzin) oder einen mit Sauerstoff angereicherten Brennstoff (z. B. Methanol) in Wasserstoff (H₂) und Nebenprodukte (z. B. Kohlenmonoxid (CO) und Kohlendioxid (CO₂)) umzuwandeln. Übliche Ansätze umfassen Dampfreformierung, partielle Oxidation und trockene Reformierung. Sowohl die Dampfreformierung wie auch die trockene Reformierung sind endotherme Prozesse, während die partielle Oxidation ein exothermer Prozess ist.
Dampfreformierungssysteme beinhalten die Verwendung eines Brennstoffes und von Dampf (H₂O), die in erhitzten Rohren, die mit Katalysatoren gefüllt sind, zur Reaktion gebracht wird, um die Kohlenwasserstoffe hauptsächlich in Wasserstoff und Kohlenmonoxid umzuwandeln. Ein Beispiel der Dampfreformierungsreaktion lautet wie folgt: CH₄ + H₂O -> CO + 3H₂
Reformer mit partieller Oxidation basieren auf einer unterstöchiometrischen Verbrennung, um die Temperaturen zu erreichen, die notwendig sind, um den Kohlenwasserstoffbrennstoff zu reformieren. Die Zerlegung des Brennstoffs in hauptsächlich Wasserstoff und Kohlenmonoxid erfolgt durch thermische Reaktionen bei hohen Temperaturen von etwa 600 °C bis etwa 1200 °C und vorzugsweise etwa 700 °C bis etwa 1050 °C. Die Wärme, die erforderlich ist, um die Reaktion anzutreiben, wird typischerweise von einer Verbrennung eines Anteils des Brennstoffes geliefert. Katalysatoren wurden mit Systemen mit partieller Oxidation verwendet (katalytisch partielle Oxidation), um die Umwandlung von verschiedenen schwefelarmen Brennstoffen in Synthesegas zu begünstigen. Die Verwendung eines Katalysators kann in einer Beschleunigung der Reformierungsreaktionen resultieren und kann diese Wirkung bei niedrigeren Reaktionstemperaturen bereitstellen als jenen, die andernfalls bei Abwesenheit eines Katalysators erforderlich wären. Ein Beispiel der Reformierungsreaktion mit partieller Oxidation lautet wie folgt: CH₄ + ½O₂ -> CO + 2H₂
Die trockene Reformierung beinhaltet die Erzeugung von Wasserstoff und Kohlenmonoxid bei Abwesenheit von Wasser, z. B. durch Verwendung von Kohlendioxid. Ein Beispiel der trockenen Reformierungsreaktion ist in der folgenden Reaktion dargestellt: CH₄ + CO₂ -> 2CO + 2H₂
Wie zuvor festgestellt, können das Reformersystem wie auch verschiedene weitere nachgeschaltete Autosysteme bei erhöhten Temperaturen arbeiten. Demzufolge kann zum Starten dieser katalytischen Systeme (z. B. des Reformersystems, einer Brennstoffzelle, einer Brennervorrichtung zur Rückgewinnung ungenutzter Energie, eines katalytischen Nachbehandlungssystems, eines Brenners, einer brennstoffbeheizten Heizeinrichtung, eines katalytischen Wärmetauschers und weiterer Behandlungsvorrichtungen wie auch Kombinationen, die zumindest eines dieser Systeme umfassen) ein Mikroreformer verwendet werden. Der Mikroreformer, der ein Reformer oder eine katalytische oder Gasphasen-Brennkammer sein kann, ist vorzugsweise ein Reformer mit exothermer partieller Oxidation. Da dieser Mikroreformer Wärme und ein Reformat erzeugt, kann die Kombination verwendet werden, um die verschiedenen Systeme zu erhitzen oder anderweitig auf die gewünschte Temperatur zu bringen.
Der Mikroreformer ist derart dimensioniert, dass er ausreichend Wärme (in einem Vollverbrennungsmodus) und ausreichend Reformat (in dem Reformierungsmodus) bereitstellt, um die nachgeschaltete Vorrichtung in der gewünschten Zeitspanne vorzuwärmen und zu starten. Der Mikroreformer besitzt allgemein einen Bruchteil der Größe des nachgeschalteten Reformers und ist vorzugsweise anders konstruiert als ein Hauptreformer. Ein Mikroreformer kann innere Metallteile (z. B. Heizelemente) verwenden, während für einen Hauptreformer wegen der kontinuierlich hohen Betriebstemperaturen innere Keramikteile bevorzugt werden. Demzufolge ist die normale Betriebstemperatur für einen Mikroreformer kleiner als für einen Hauptreformer (d. h., etwa 825 °C vs. Etwa 950 °C). In dem Fall, in dem ein Hauptreformer verwendet wird, besteht ein Verhältnis von etwa vier zu eins zwischen dem Katalysatorvolumen eines Reformers und dem eines Mikroreformers (d. h., das Katalysatorvolumen des Mikroreformers kann etwa 50 % oder weniger der Größe des Hauptreformers besitzen, wobei in einigen Anwendungen ein Katalysatorvolumen von etwa 35 % oder weniger des Hauptreformers von Nutzen ist und in einigen Anwendungen Katalysatorvolumen von etwa 25 % bis hinunter zu etwa 10 % oder dergleichen der Größe des Hauptreformers bevorzugt werden).
Der Mikroreformer kann einen Verdampfer und ein Inline-Element aufweisen, das Wärmeenergie an den Brennstoff und die Luft in dem Strom des Luft/Brennstoff-Gemisches überträgt, und eine Vorheizeinrichtung ist einem Katalysator vorgeschaltet angeordnet. Im Betrieb treten eine Lieferung von Brennstoff und eine Lieferung von Luft in den Mikroreformer ein und werden gemischt. Das Brennstoff/Luft-Gemisch strömt über einen Verdampfer und gelangt mit diesen in Kontakt und erhält Wärmeenergie. Das Brennstoff/Luft-Gemisch bewegt sich dann unterstromig des Verdampfers zu einer Mischzone, um sorgfältiger gemischt zu werden. Das Brennstoff/Luft-Gemisch gelangt mit dem Katalysator in Kontakt und reagiert, sodass es in ein vorgeheiztes Reformat umgewandelt wird. Das vorgeheizte Reformat wird dann aus dem Mikroreformer ausgetragen.
Unter Bezugnahme auf 2 ist ein Beispiel einer Verwendung eines Mikroreformers veranschaulicht. Grundsätzlich können Brennstoff über eine Brennstoffeinspritzdüse 124 und Luft über ein Lufteinlassventil 123 in den Katalysator 128 in dem Mikroreformer 120 eingeführt werden. Reformat 62, das in einen Brennstoffzellenstapel 80 eintritt, kann ein Produkt des Reformersystems 100 sein. Das Brennstoffreformersystem 100 besitzt einen Vorreformer (oder Mikroreformer) 120, der mit einer Brennkammer (oder einem Hauptreformer) 102 gekoppelt sein kann, oder er kann mit einer Nachbehandlungs-(oder nachgeschalteten)Vorrichtung (nicht gezeigt) gekoppelt sein. Da der Hauptreformer 102 eine große Vorrichtung ist, ist es schwierig, zeitintensiv und ineffizient, ihn zu aufzuheizen, um eine schnelle Lieferung von Reformat 62 an den Brennstoffzellenstapel 80 bereitzustellen. Daher wird der Mikroreformer 120 verwendet, um eine Lieferung eines vorbehandelten Reformats 126 an den Hauptreformer 102 bereitzustellen, der dieses vorbehandelte Reformat 126 verbrennt, um den Hauptreformer 102 (und/oder die Nachbehandlungsvorrichtung) schnell auf die gewünschte Temperatur zu bringen. Bei Umgebungstemperatur benötigt der Mikroreformer, abhängig von der Größe des Mikroreformers und der an den Mikroreformer gelieferten Energie, im Allgemeinen weniger als eine Minute bis etwa 5 Minuten, um sich aufzuheizen. Wie unten stehend erläutert, kann der Mikroreformer auch bei einer Zwischentemperatur gehalten werden, um eine sofortige Quelle von Reformat bereitzustellen.
Der Betrieb einer Ausführungsform dieses Systems umfasst ein Einführen von Brennstoff in den Mikroreformer 120 zur Verarbeitung, bevor er in den Hauptreformer 102 eintritt, wie durch einen Pfeil 122 veranschaulicht ist. Der Brennstoff 122 wird durch eine Brennstoffeinspritzdüse 124 an den Mikroreformer 120 geliefert. Ein optionales Entschwefelungselement 127 kann ebenfalls verwendet werden, z. B., wenn der Brennstoff viel Schwefel enthält oder wenn der in der SOFC verwendete Katalysator besonders anfällig gegenüber Schwefel ist, wie z. B. Nickelkatalysatoren. Sobald er dem Mikroreformer 120 zugefügt wurde, kann der Brennstoff 122 mit Luft (oder Sauerstoff) von einem Lufteinlass (oder Lufteinlassventil) 123 zur Reaktion gebracht werden. Da der Betrieb des Mikroreformers 120 (d. h. das Anspringen des Katalysators darin) es erfordert, dass der Katalysator eine bestimmte Temperatur (z. B. typischerweise zumindest etwa 300 °C) erreicht, wird der Mikroreformer 120 vorgeheizt. Das Erhitzen des Mikroreformers kann über ein elektrisches Heizelement 125, durch Erhitzen der einströmenden Luft an oder vor dem Lufteinlassventil 123, Vorheizen des Brennstoffes, Einführen und Verbrennen von Brennstoff in den/dem Mikroreformer, oder andere herkömmliche Heizverfahren wie auch Kombinationen, die zumindest eine der vorhergehenden Techniken umfassen, bewerkstelligt werden.
Sobald der Mikroreformer 120 Betriebstemperatur erreicht hat, können sowohl Brennstoff über die Brennstoffeinspritzdüse 124, wie auch Luft über das Lufteinlassventil 123 in den Katalysator 128 in dem Mikroreformer 120 eingeführt werden. Der Katalysator 128 kann ein beliebiger Katalysator sein, der dazu in der Lage ist, den bestimmten Brennstoff zu Wasserstoff zu reformieren, umfassend, aber nicht begrenzt auf Rhodium, Platin, Palladium und dergleichen sowie Oxide und Mischungen, die zumindest einen der vorhergehenden Katalysatoren umfassen.
In dem Mikroreformer 120 reagiert der Brennstoff mit der Luft in einer exothermen Reaktion, um Wasserstoff und Nebenprodukte zu erzeugen. Auf Grund der exothermen Reaktion kann das vorbehandelte Reformat 126 eine Temperatur von etwa 650 °C bis etwa 900 °C besitzen, wobei etwa 750 °C bis etwa 800 °C bevorzugt sind. Ein Wärmetauscher kann verwendet werden, um die Temperatur des Mikroreformer-Abflusses zur Verträglichkeit mit der gewünschten Einlasstemperatur der nachgeschalteten Vorrichtungen zu verringern.
Wenn der Mikroreformer bei oder nahe an der vollen Betriebstemperatur (d. h. bei etwa 650 °C bis etwa 1000 °C, wobei etwa 750 °C bis etwa 800 °C bevorzugt sind) bei einer sehr niedrigen Durchflussrate von Brennstoff und Luft gehalten wird, kann das Reformat aus diesem Prozess durch den Hauptreformer (oder eine andere nachgeschaltete Vorrichtung) geführt werden. Dieser Strom von Reformat wird den Hauptreformer (oder eine andere nachgeschaltete Vorrichtung) bei einer Schwellenwert (z. B. Bereitschafts- oder Zwischen-) Temperatur halten, bei der Wasserstoff und Kohlenmonoxid aggressiv reagieren (z. B. bei etwa 200 °C bis etwa 400 °C, wobei etwa 250 °C bis etwa 300 °C bevorzugt sind). Unter diesen Bedingungen kann der Start des Reformers (oder einer anderen nachgeschalteten Vorrichtung) im Wesentlichen sofort erfolgen. Durch Erhöhen der Durchflussrate in dem Mikroreformer und Hinzufügen von Luft und dann eines Brennstoffes in dem Mikroreformer erzeugt das System innerhalb einer kurzen Zeitspanne (d. h. von wenigen Sekunden) eine hohe Durchflussrate von Reformat.
Nach der Verarbeitung des Brennstoffes 122 in dem Mikroreformer 120 kann das heiße, vorbehandelte Reformat 126 durch eine Rohrleitung 105 zu dem Hauptreformer 102 geführt werden. In dem Hauptreformer 102 kann das vorbehandelte Reformat verbrannt werden, um den Katalysator auf seine Anspringtemperatur zu erhitzen. Sobald die gewünschte Temperatur erreicht wurde, kann der Fluss von vorbehandeltem Reformat 126 optional angehalten werden oder teilweise oder gesamtheitlich zu einem anderen Automobilsystem (z. B. einer Nachbehandlungs-, nachgeschalteten, oder Fahrzeugvorrichtung) umgeleitet werden. Unterdessen kann auch ein optionales Entschwefelungselement 106 eingebaut sein, um jegliche unerwünschten Schadstoffe zu entfernen.
Wie bei dem Mikroreformer 120 kann auch der Reformer 102 eine beliebige Art von Reformer sein. Hier wird jedoch ein Dampfreformer bevorzugt, da er eine größere Menge an SOFC-Brennstoff pro Einheit von vorreformiertem Brennstoff erzeugt als der Reformer mit partieller Oxidation (z. B. wird doppelt so viel Wasserstoff aus derselben Menge an Kraftstoff er zeugt). Dampf kann in den Reformer durch eine Dampfzuführung 112 eingeführt werden. Brennstoff 103 kann, über eine Brennstoffeinspritzdüse 107 und Luft über ein Einlassventil 108 in den Katalysator 104 eingeführt werden. In dem Hauptreformer 102 reagieren Katalysatoren mit dem unreformierten Brennstoff mit Wasser, um Wasserstoff und Kohlenmonoxid zu erzeugen. Der Katalysator 104 des Hauptreformers 102 kann ein beliebiger von den Katalysatoren sein, die in dem Mikroreformer von Nutzen sind.
Optional kann der Katalysator 104, um die gewünschte Temperatur des Hauptreformers 102 aufrecht zu erhalten, optional von einer Zündvorrichtung (nicht gezeigt) erhitzt werden, und/oder es kann eine Heizvorrichtung verwendet werden. Die Basistemperatur des Hauptreformers 102 wird durch die Gegenwart des vorbehandelten Reformats 126, das in dem Mikroreformer erzeugt wird, und optional durch das Heizelement 110 erhöht. Der Hauptreformer 102 arbeitet typischerweise bei Temperaturen von etwa 650 °C bis etwa 1000 °C, wobei etwa 800 °C bis etwa 900 °C bevorzugt werden.
Auch wenn der Mikroreformer für eine Verwendung mit einem mit einer Brennstoffzelle, insbesondere einer SOFC, gekoppelten Hauptreformer beschrieben wurde, kann der Mikroreformer auch verwendet werden, um eine beliebige anwendbare Nachbehandlungs (oder nachgeschaltete oder Fahrzeug-) Vorrichtung aufzuheizen. Beispielsweise kann die nachgeschaltete Vorrichtung umfassen, ist aber nicht begrenzt auf katalytische Konverter, Brennervorrichtungen zur Rückgewinnung ungenutzter Energie, Reformerträger, Brenner und dergleichen. Im Betrieb wird der Mikroreformer elektrisch vorgeheizt, während ein schwacher Luftstrom in den Mikroreformer eingeführt wird. Wenn die Mikroreformereinlasstemperatur etwa 140 °C oder mehr beträgt und die Mikroreformerkatalysator austrittstemperatur etwa 300 °C oder mehr beträgt, wird dem Mikroreformer Brennstoff zugefügt. An dieser Stelle liegt die Menge an Brennstoff bei einem Äquivalenzverhältnis von etwa 0,4 bis etwa 0,7 (d. h., überstöchiometrisch). Unter normalen Betriebsbedingungen beträgt das Luft-zu-Brennstoff-Äquivalenzverhältnis 14,6 bis 1 (d. h., bis zu dem stöchiometrischen Punkt). Daher ist ein Äquivalenzverhältnis von weniger als 1 mager, während ein Äquivalenzverhältnis von mehr als 1 fett ist.
Wenn die Mikroreformerkatalysatoraustrittstemperatur etwa 500 °C oder mehr beträgt, wird die Menge an Brennstoff, der dem Mikroreformer zugefügt wird, auf fette Bedingungen (d. h. ein Äquivalenzverhältnis von etwa 2,7 bis etwa 2,9) erhöht. An diesem Punkt erzeugt der Reformer ein Reformat, das durch die nachgeschaltete Vorrichtung geführt wird und entweder in dieser Vorrichtung verbrannt wird oder zu der Vorrichtung zur Rückgewinnung ungenutzter Energie geführt wird, um verbrannt zu werden. Das erzeugte Reformat besteht im Allgemeinen aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid und verbrennt sauber mit wenig bis gar keinen Emissionen.
Da der Mikroreformer arbeitet, ist die Temperatur des Mikroreformers stabil, während der Fluss von Reformat die nachgeschaltete Vorrichtung erhitzt. Dieses Erhitzen der nachgeschalteten Vorrichtung erlaubt einen schnelleren Start aus einem Kaltstart oder lässt zu, dass die nachgeschaltete Vorrichtung sich in einem Bereitschaftszustand befindet. Wenn die nachgeschaltete Vorrichtung auf eine Einlasstemperatur von etwa 215 °C oder größer erhitzt wird, wird Luft in die nachgeschaltete Vorrichtung mit dem erhitzten Reformat eingeführt. Das Reformat und die Luft werden in der Katalysatorzone der nachgeschalteten Vorrichtung verbrennen. Das Reformat erhitzt die nachgeschaltete Vorrichtung in Vorbereitung auf die Einführung von Brennstoff, um das Verrußen des Katalysators zu verhin dern. Wenn die Katalysatoraustrittstemperatur der nachgeschalteten Vorrichtung etwa 500 °C oder mehr beträgt, wird Brennstoff in die nachgeschaltete Vorrichtung bei einem Äquivalenzverhältnis von etwa 1,8 bis etwa 2,2 eingeführt. Gleichzeitig wird die Konzentration von Luft in der nachgeschalteten Vorrichtung verringert. An diesem Punkt sind sowohl der Mikroreformer als auch die nachgeschaltete Vorrichtung in Betrieb.
Die Verwendung des Mikroreformers ermöglicht die Verwendung schwererer Kohlenwasserstoffe, ohne ein Verkoken des Systems zu verursachen, verringert oder beseitigt die Notwendigkeit von gespeichertem Wasserstoff zum Erhitzen des Hauptreformers und reduziert die Menge an elektrischer Energie, die bei einem Start benötigt wird. Die Verwendung des Mikroreformers ist energiesparend und kosteneffektiv und sorgt für reduzierte Startzeiten aus einem Kaltstart- und Bereitschaftsmodus.
Während die Erfindung in Bezug auf eine beispielhafte Ausführungsform beschrieben wurde, wird für den Fachmann einzusehen sein, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und Elemente davon durch Äquivalente ersetzt sein können, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen. Darüber hinaus können zahlreiche Abwandlungen vorgenommen werden, um ein/e bestimmte/s Situation oder Material an die Lehre der Erfindung anzupassen, ohne von dem wesentlichen Umfang davon abzuweichen. Daher soll die Erfindung nicht auf die bestimmte Ausführungsform beschränkt sein, die als die beste Art offenbart ist, welche für die Ausführung der Erfindung in Erwägung gezogen wird, sondern die Erfindung soll alle Ausführungsformen umfassen, die in den Umfang der beiliegenden Ansprüche fallen.

Claims

Verfahren zum Start eines Hauptreformers (102), umfassend, dass: eine erste Lieferung von Brennstoff (124) und eine erste Lieferung von Luft (123) in einen Mikroreformer (120) eingeführt werden; ein erhitztes Reformat (126) in dem Mikroreformer (120) erzeugt wird; das erhitzte Reformat (126) durch einen Hauptreformer (102) geführt wird, um den Hauptreformer (102) zu erhitzen; zumindest ein Anteil des erhitzten Reformats (126) in dem Hauptreformer (102) verbrannt wird; und eine zweite Lieferung von Brennstoff (103) und eine zweite Lieferung von Luft (108) in den Hauptreformer (102) eingeführt werden, um eine Hauptlieferung von Reformat (62) zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass: die erste Lieferung von Brennstoff (124) so erhöht wird, dass das Äquivalenzverhältnis von Luft zu Brennstoff von mager nach fett wechselt.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass der Mikroreformer (120) elektrisch vorgeheizt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Mikroreformer (120) eine Einlasslufttemperatur von 140 °C oder größer und eine Katalysatoraustrittstemperatur von 300 °C oder größer aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Mikroreformer (120) ein Katalysatorvolumen von 50 % oder weniger eines Katalysatorvolumens des Hauptreformers (102) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Hauptreformer (102) im Wesentlichen aus einem Katalysator und Keramikkomponenten besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Lieferung von Brennstoff (122) ein Äquivalenzverhältnis von 0,4 bis 0,7 besitzt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erhöhen der ersten Lieferung von Brennstoff (122) bis zu einem Äquivalenzverhältnis von 2,7 bis 2,9 erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Mikroreformer (120) eine Katalysatoraustrittstemperatur von 500 °C oder größer besitzt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zweite Lieferung von Brennstoff (103) ein Äquivalenzverhältnis von 1,8 bis 2,2 besitzt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Hauptreformer (102) eine Katalysatoraustrittstemperatur von 500 °C oder größer besitzt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Mikroreformer (120) ein Katalysatorvolumen gleich 35 % oder weniger eines Katalysatorvolumens des Hauptreformers (102) besitzt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Mikroreformer (120) ein Katalysatorvolumen gleich 25 % bis 10 % eines Katalysatorvolumens des Hauptreformers (120) besitzt.