DE10393240T5

DE10393240T5 - Autothermer Reformer mit mehreren Durchlässen

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Publication number: DE10393240T5
Application number: DE10393240T
Authority: DE
Inventors: William H. Pettit; Mohammed E.H. Sennoun; Gerald E. Voecks
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2002-09-05
Filing date: 2003-09-03
Publication date: 2005-09-29
Also published as: WO2004022214A3; WO2004022214A2; US20040047777A1; US7261749B2; AU2003278761A1; AU2003278761A8

Abstract

Autothermer Reformer zum Reformieren eines Kohlenwasserstoff-Brennstoffes, mit:
einem Gehäuse, das eine Reformierkammer definiert;
einem Brennstoffeinlass in Verbindung mit der Reformierkammer;
einem Wasserdampfeinlass in Verbindung mit der Reformierkammer; und
einer Vielzahl von Lufteinlässen in Fluidverbindung mit der Reformierkammer, wobei einer der Vielzahl von Lufteinlässen in der Startbetriebsart ein Luftvolumen an die Reformierkammer liefert, und ein zweiter der Vielzahl von Lufteinlässen in einer Normalbetriebsart ein Luftvolumen an die Reformierkammer liefert.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Brennstoffzellensystem, das ein einzelnes Volumen für den Betrieb eines Brennstoffreformers verwendet. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen autothermen Reformer mit einer thermischen Partialoxidation (POX) und einem katalytischen autothermen Reformer, die durch dasselbe Volumen unter Verwendung mehrerer Einlassdurchlässe gespeist werden.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

H₂-O₂-(Luft-)Brennstoffzellen sind in der Technik gut bekannt und sind für viele Anwendungen als Energie- bzw. Antriebsquelle vorgeschlagen worden. Es existieren mehrere verschiedene Typen von H₂-O₂-Brennstoffzellen, die den Säuretyp, Alkalityp, Typ mit geschmolzenem Carbonat und Festoxidtyp umfassen. So genannte PEM-Brennstoffzellen (Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran) [auch bekannt als SPE-Brennstoffzellen (Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzellen)] sind vom Säuretyp, die potentiell eine hohe Leistung und ein niedriges Gewicht aufweisen und daher für mobile Anwendungen, wie beispielsweise in Elektrofahrzeugen, geeignet sind. PEM-Brennstoffzellen sind in der Technik gut bekannt und umfassen eine "Membranelektrodenanordnung" oder MEA mit einem dünnen, protonendurchlässigen Festpolymermembranelektrolyten mit einer Anode auf einer seiner Seiten und einer Kathode auf der entgegengesetzten Seite. Üblicherweise ist eine Vielzahl einzelner Zellen miteinander gebündelt, um einen PEM-Brennstoffzellenstapel zu bilden.

Bei PEM-Brennstoffzellen ist Wasserstoff der Anodenreaktand oder Brennstoff und Sauerstoff der Kathodenreaktand oder das Oxidationsmittel. Der Sauerstoff kann entweder in reiner Form als O₂ oder Luft als O₂ gemischt mit N₂ vorliegen.

Bei Fahrzeuganwendungen ist es erwünscht, einen flüssigen Brennstoff, wie beispielsweise Alkohol mit niedrigem Molekulargewicht (beispielsweise Methanol oder Ethanol) oder Kohlenwasserstoffe (beispielsweise Benzin) als den Brennstoff für das Fahrzeug aufgrund der Speicherung flüssiger Brennstoffe an Bord und der Existenz einer breiten Infrastruktur zur Lieferung flüssiger Brennstoffe zu verwenden. Jedoch müssen derartige Brennstoffe durch chemischen Umwandlungsprozessen unterzogen werden, um ihren Wasserstoffgehalt zur Belieferung der Brennstoffzelle freizugeben. Der Anfangsprozess wird in einem Reformer erreicht, der Wärmeenergie nach Bedarf an eine Katalysatormasse liefert und ein Reformatgas erzielt, das hauptsächlich Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid umfasst.

Die Wärme, die erforderlich ist, um Wasserstoff zu erzeugen, variiert mit dem elektrischen Bedarf, der an das Brennstoffzellensystem zu einem beliebigen geeigneten Zeitpunkt angelegt wird. Demgemäß muss die Wärmequelle für den Reformer in der Lage sein, über einen breiten Bereich von Wärmeabgaben zu arbeiten. Das Aufheizen der Reformer mit Wärme, die entweder von einem Flammenbrenner oder einem katalyti schen Brenner erzeugt wird, ist bekannt. Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Flammenbrennereinlasssystem und seine Integration in ein Brennstoffzellensystem, in dem ein einzelnes gegebenes Volumen dazu verwendet wird, zwei verschiedene Betriebsabläufe auszuführen, nämlich einen während der Startphase und einen während des Normalbetriebs.

Die Akzeptanz von Brennstoffzellen durch Fahrzeugeigentümer wird teilweise durch deren Erfahrung mit Fahrzeugen bestimmt, die durch Verbrennungsmotoren angetrieben werden. Verbraucher haben sich an die relativ schnellen Startzeiten von Motoren gewöhnt. Somit besteht eine Herausforderung, der sich Brennstoffzellenkonstrukteure gegenübersehen, darin, eine ähnliche relativ schnelle Startzeit für Brennstoffzellen vorzusehen. Dies ist aufgrund der relativ hohen Betriebstemperatur einiger der Komponenten in den Brennstoffzellen schwierig, wie beispielsweise dem Primärreaktor in dem Brennstoffprozessor.

Um die Startzeit zu verringern, die erforderlich ist, um den Katalysator auf seine Anlasstemperatur (zwischen 150°C bis 250°C) aufzuheizen, ist es bekannt, einen thermischen Brenner zu verwenden. Unglücklicherweise erfordern derartige thermische Brennersysteme eine separate Kammer für die Verbrennungsreaktion, was die Masse, die Kosten wie auch die Größe des Brennstoffzellensystems erhöht.

Demgemäß besteht in der Technik von Brennstoffzellen ein Bedarf, ein kostengünstiges thermisches Brennersystem zum Vorheizen des Katalysators in einem autothermen Reformer mit verringerter Masse und verringertem Volumen zu entwickeln.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung sieht ein Einlasssystem für einen Brennstoffprozessor vor, der ein gemeinsames Volumen und mehrere Einlässe für sowohl thermische Verbrennung als auch katalytische autothermische Reformierung verwendet. Der thermische Brenner verwendet einen Satz von Einlässen, um den Katalysator schnell auf eine Anlasstemperatur aufzuheizen und diesen damit für einen Normalbetrieb vorzubereiten. Die Einlässe bringen Luft und Brennstoff in das gemeinsame Volumen zur thermischen Verbrennung. Sobald der Katalysator auf seine Anlasstemperatur gebracht worden ist, bringt ein anderer Satz von Einlässen Wasser, Luft und Brennstoff in das gemeinsame Volumen zum Mischen und Verteilen durch den Katalysator hindurch. Die Vielzahl von Einlässen erlaubt, dass ein einzelnes Volumen sowohl für den Start- als auch Normalbetrieb verwendet werden kann.

Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend detaillierter beschrieben. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung wie auch spezifische Beispiele, während sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellen, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einem autothermen Reformer mit mehreren Durchlässen gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine Schnittansicht einer Ausführungsform eines autothermen Reformers mit mehreren Durchlässen gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung ist;
3 eine Schnittansicht einer Tangentialverwirbelungseinrichtung entlang Linie 3-3 von 2 ist;
4 eine detaillierte schematische Ansicht des Normalbetriebssystems der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
5 eine Schnittansicht eines autothermen Reformers mit einem Einlass mit mehreren Durchlässen gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
6 eine schematische Ansicht des Brennstoffprozessorsystems ist, das den autothermen Reformer mit einem Einlass mit mehreren Durchlässen gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Normalbetrieb verwendet; und
7 eine Schnittansicht eines autothermen Reformers mit einem Einlass mit mehreren Durchlässen gemäß einer zweiten alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung oder Benutzung zu beschränken.
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Einlasssystem für einen Brennstoffprozessor eines Brennstoffzellensystems. Diesbezüglich wird die Erfindung in Verbindung mit einem Brennstoffzellensystem beschrieben, das mit Benzin beliefert wird. Es sei jedoch zu verstehen, dass die hier ausgeführten Grundsätze gleichermaßen auf Brennstoffzellen anwendbar sind, die durch andere reformierbare Brennstoffe beliefert werden, wie beispielsweise durch Propan, Erdgas, Ethanol oder Methanol.
In 1 ist eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines Primärreformierreaktors 10 mit mehreren Durchlässen, wie beispielsweise einem autothermen Reformer gezeigt. Der autotherme Reformer 10 besitzt ein Einlasssystem 12, das in Fluidverbindung mit einem Reformierabschnitt 14 über ein gemeinsames Volumen 22 steht. Das Einlasssystem 12 umfasst ein Startsystem 16 und ein Normalbetriebssystem 18, die beide in Fluidverbindung mit dem gemeinsamen Volumen 22 stehen.
In 2 stehen ein Startlufteinlass 24 und ein Brennstoffeinlass 20, die das Startsystem 16 von 1 bilden, beide in Fluidverbindung mit dem gemeinsamen Volumen 22. Im Startbetrieb werden Brenn stoff und Luft an das gemeinsame Volumen 22 durch den Startlufteinlass 24 und den Brennstoffeinlass 20 geliefert, in dem sie gemischt und verbrannt werden, um ein erhitztes Abgas zu bilden, das durch den Reformierabschnitt 14 geführt wird.
Luft tritt in das Startsystem 16 durch den Startlufteinlass 24 ein. Der Startlufteinlass 24 umfasst einen Durchlass 25, der an einem Gehäuse 510 definiert ist, wie am besten in 3 zu sehen ist. Der Durchlass 25 steht in Fluidverbindung mit einem Ringvolumen 26. Das Ringvolumen 26 ist in einem Gehäuse 510 definiert und steht in Fluidverbindung mit einem porösen Material 28, durch das Luft von dem Ringvolumen 26 strömt. Das poröse Material 28 ist in dem Ringvolumen 26 radial einwärts von dem Durchlass 25 angeordnet. Das poröse Material 28 kann beispielsweise eine mit Löcher versehene Platte oder ein gesintertes Metall sein und dazu dienen, eine geringfügige Beschränkung auf die Strömung in dem Ringvolumen 26 vorzusehen, um eine gleichförmige Verteilung sicherzustellen. Das poröse Material 28 steht ferner in Fluidverbindung mit einer Verwirbelungseinrichtung oder Flügeln 30. Luft von dem porösen Material 28 gelangt durch die Verwirbelungseinrichtung 30, die in dem Gehäuse 510 definiert ist, radial einwärts von dem porösen Material 28 und symmetrisch bezüglich der Zentrallinie C. Die Verwirbelungseinrichtung 30 steht in Fluidverbindung mit dem gemeinsamen Volumen 22 und wird dazu verwendet, ein gewünschtes flaches tangentiales Geschwindigkeitsprofil für die Luft zu bewirken, bevor die Luft in das gemeinsame Volumen 22 eintritt. Die gezeigte Ausgestaltung der Verwirbelungseinrichtung 30 ist lediglich ein Beispiel von vielen möglichen Ausgestaltungen der Verwirbelungseinrichtung. Alternativ dazu könnten radiale Einspritzdurchlässe verwendet werden, um das gewünschte tangentiale Geschwindigkeitsprofil herzustellen.
Wie in 2 gezeigt ist, führt der Brennstoffeinlass 20 Brennstoff in das Startsystem 16 ein. Der Brennstoffeinlass 20 umfasst eine Brennstoffzumessvorrichtung 21 in Fluidverbindung mit dem gemeinsamen Volumen 22, um Brennstoff in das gemeinsame Volumen 22 zu übertragen. Die Brennstoffzumessvorrichtung 21 ist in einem Gehäuse 500 entlang der Zentrallinie C definiert. Die Brennstoffzumessvorrichtung 21 ist bevorzugt eine Kraftfahrzeug-Brennstoffeinspritzeinrichtung mit gepulstem Durchfluss (5–200 ms Pulsbreite), könnte jedoch auch eine fixierte Öffnung mit oberstromigen Zumessen, eine fixierte Öffnung mit Solenoidabschaltung oder eine variable Öffnung mit kontinuierlichem Durchfluss sein.
Der Brennstoffeinlass 20 wird auch von dem Normalbetriebssystem 18, das in 1 gezeigt ist, verwendet. Jedoch tritt bei dem Normalbetriebssystem 18 Wasserdampf durch den Wasserdampfeinlass 40 ein, und Luft tritt durch den Betriebslufteinlass 36 ein. Im Normalbetrieb werden Brennstoff, Luft und Wasserdampf in dem gemeinsamen Volumen 22 vollständig gemischt und dann an den Reformierabschnitt 14 geführt.
Wie in 2 gezeigt ist, tritt Wasserdampf in das Normalbetriebssystem 18 über den Wasserdampfeinlass 40 ein. Der Wasserdampfeinlass 40 umfasst einen Durchlass 41, ein Ringvolumen 42, poröses Material 44 und eine Verwirbelungseinrichtung 46. Der Durchlass 41 ist in einem Gehäuse 520 definiert und steht in Fluidverbindung mit dem Ringvolumen 42, das den Wasserdampf von dem Durchlass 41 aufnimmt. Das Ringvolumen 42 ist auch in dem Gehäuse 520 definiert. Ein poröses Material 44 steht in Fluidverbindung mit dem Ringvolumen 42, und Wasserdampf von dem Ringvolumen 42 gelangt durch das poröse Material 44. Das poröse Material 44 ist in dem Ringvolumen 42 radial einwärts von dem Kanal 41 angeordnet. Das poröse Material 44 kann beispielsweise eine mit Löchern versehene Platte oder gesintertes Metall sein und dazu dienen, um eine geringfügige Beschränkung auf die Strömung in dem Ringvolumen 42 aufzubringen und damit eine gleichförmige Verteilung sicherzustellen. Das poröse Material 44 steht auch in Fluidverbindung mit einer Verwirbelungseinrichtung 46, durch die Wasserdampf von dem porösen Material 44 strömt. Die Verwirbelungseinrichtung 46 ist in dem Gehäuse 520 symmetrisch zu der Zentrallinie C angeordnet. Die Verwirbelungseinrichtung 46 steht in Fluidverbindung mit dem gemeinsamen Volumen 22 und wird dazu verwendet, ein flaches tangentiales Geschwindigkeitsprofil auf den Wasserdampf aufzubringen, bevor der Wasserdampf in das gemeinsame Volumen 22 eintritt. Die gezeigte Ausgestaltung der Verwirbelungseinrichtung 46 stellt lediglich ein Beispiel vieler möglicher Ausgestaltungen von Verwirbelungseinrichtungen dar. Alternativ dazu könnten radiale Einspritzdurchlässe verwendet werden, um das gewünschte tangentiale Geschwindigkeitsprofil herzustellen. Ferner ist die Konstruktion der Verwirbelungseinrichtung 46 spezifisch für die Strömungen in dem Normalbetriebsprozess und die Größe des gemeinsamen Volumens 22 angepasst.
Der Betriebslufteinlass 36 führt im Normalbetrieb Luft an das gemeinsame Volumen 22. Der Betriebslufteinlass 36 umfasst einen Durchlass 37 in Fluidverbindung mit einer Verwirbelungseinrichtung 38.
Der Durchlass 37 und die Verwirbelungseinrichtung 38 sind in einem Gehäuse 500 definiert. Die Verwirbelungseinrichtung 38 steht in Fluidverbindung mit dem gemeinsamen Volumen 22 und liefert Luft mit einem gewünschten tangentialen Geschwindigkeitsprofil. Die gezeigte Konstruktion der radialen Verwirbelungseinrichtung 38 stellt lediglich ein Beispiel vieler möglicher Konstruktionen von Verwirbelungseinrichtungen dar. Alternativ dazu könnten radiale Einspritzdurchlässe verwendet werden, um das gewünschte Geschwindigkeitsprofil herzustellen. Ferner ist die Ausgestaltung der Verwirbelungseinrichtung 38 spezifisch für die Strömungen in dem Normalbetriebsprozess und die Größe des gemeinsamen Volumens 22 angepasst.
Das gemeinsame Volumen 22 dient sowohl als das Mischvolumen für den Normalbetrieb als auch als Ort für die thermische Verbrennung im Startbetrieb. Das gemeinsame Volumen 22 ist in einem konischen Gehäuse definiert, das oberstromig von dem Reformierabschnitt 14 positioniert ist. Das gemeinsame Volumen 22 umfasst eine Zündquelle 32, ein Wärmeschild 50 und einen Temperatursensor 34. Die Zündquelle 32 wird beim Startbetrieb nur dazu verwendet, eine Verbrennung einzuleiten. Luft und Brennstoff mischen sich in dem gemeinsamen Volumen 22 und werden über eine Zündquelle 32 gezündet. Die Zündquelle 32 kann beispielsweise eine Zündkerze sein. Das Wärmeschild 50 bildet die Grenze zwischen dem gemeinsamen Volumen 22 und dem Reformierabschnitt 14, um das Ausmaß der Wärmeübertragung zu steuern. Das Wärmeschild 50 ist z. B. typischerweise eine poröse Struktur, wie beispielsweise ein retikulierter bzw. netzförmiger Schaum. Auf dem Wärmeschild 50 befindet sich ein Temperatursensor 34, der z. B. typischerweise ein Thermoelement 34 ist. Der Temperatursensor 34 steht in Fluidverbindung mit dem Refor mierabschnitt 14, und sobald die Anlasstemperatur des Reformierabschnitts 14 erreicht ist, die durch den Temperatursensor 34 bestimmt wird, beginnt der Normalbetrieb.
Sobald die Anlasstemperatur erreicht worden ist, wie durch den Temperatursensor 34 bestimmt wird, strömt eine Mischung aus Luft, Brennstoff und Wasserdampf für den Normalbetrieb in den Reformierabschnitt 14 von dem gemeinsamen Volumen 22. Wie in 1 gezeigt ist, ist der Reformierabschnitt 14 in einem zylindrischen Gehäuse definiert und umfasst einen ersten Primärreaktor oder ein erstes Katalysatorbett 52 und einen oder mehrere Reaktoren oder Katalysatorbetten, wie beispielsweise 104. Der Primärreaktor 52 steht in Fluidverbindung mit dem gemeinsamen Volumen 22 und befindet sich stromaufwärts von dem zweiten Reaktor 104. Der Primärreaktor 52 dient dazu, den Wasserstoff aus dem Kohlenwasserstoff-Brennstoff zu erzeugen. Der Primärreaktor 52 steht in Fluidverbindung mit zumindest einem zweiten Reaktor 104 zum Transport von Reformat über einen Kanal 102. Der zweite Reaktor 104 verfeinert den Reformatstrom weiter in einen wasserstoffhaltigen Strom. Der Kanal 106 ist fluidmäßig mit dem Sekundärreaktor 104 verbunden. Der Kanal 106 überträgt den Wasserstoff von dem Sekundärreaktor 104 an die Brennstoffzelle 108.
Die Brennstoffzelle 108 steht in Fluidverbindung mit dem Sekundärreaktor 104, wobei Wasserstoff über Kanal 106 aufgenommen wird. Die Brennstoffzelle 108 umfasst einen Lufteinlass 112, einen Wasserstoffeinlass über Kanal 106 und zwei Auslassdurchlässe oder -kanäle 114 und 116. Kühlmittelverbindungen und elektrische Verbindungen, die der Brennstoffzelle zugeordnet sind, sind nicht gezeigt. Das Reformat von dem Sekundärreaktor 104 tritt in die Brennstoffzelle 108 über Kanal 106 ein. Luft von einer Luftquelle 110 tritt in die Brennstoffzelle 108 durch den Lufteinlass 112 ein. In der Brennstoffzelle 108 werden die Luft und der Wasserstoff einer chemischen Reaktion unterzogen, wodurch Elektrizität erzeugt wird, wie in der Technik gut bekannt ist. Die Brennstoffzelle 108 kann in Fluidverbindung mit dem Brenner 118 durch Kanäle 114 und 116 stehen. Der Kanal 114 überträgt Luft in den Brenner 118, und der Kanal 116 überträgt nicht gebrauchten Wasserstoff an den Brenner 118.
Der Brenner 118 steht über die Kanäle 114 und 116 in Fluidverbindung mit der Brennstoffzelle 108, um Luft bzw. Wasserstoff aufzunehmen. Die Luft und der Wasserstoff werden von dem Brenner 118 zur Erzeugung von Wärme verbraucht. Der Auslass 120 kann fluidmäßig in einer Wärmeaustauschbeziehung mit dem Brennstoffprozessorabschnitt 14 gekoppelt sein. Der Auslass 120 kann in den Reformierabschnitt 14 integriert sein, wodurch ein Start- und/oder Normalbetrieb über die Brennerwärmeverwendung unterstützt wird. Der Auslass 122 steht in Fluidverbindung mit einem Austragssystem (nicht gezeigt) für die Entfernung der Abgase von dem Brenner 118.
Beim Fahrzeugstart treten Luft und Brennstoff gleichzeitig in den autothermen Reformer 10 über das Startsystem 16 des Einlasssystems 12 ein. Wie in 2 gezeigt ist, tritt Luft durch den Durchlass 25 in das Ringvolumen 26 ein. Die Luft gelangt dann durch das poröse Material 28, bevor sie in die Verwirbelungseinrichtung 30 eintritt. Die Luft von der Verwirbelungseinrichtung 30 strömt in das gemeinsame Volumen 22. Brennstoff tritt über die Brennstoffzumessvorrichtung 21 in das gemein same Volumen 22 ein. Luft und Brennstoff werden dann in dem gemeinsamen Volumen 22 durch die Zündquelle 32 gezündet.
Die aus der Verbrennung erzeugte Wärme wird dazu verwendet, den Reformierabschnitt 14 zu erwärmen. Sobald das Thermoelement 34 erfasst, dass der Reformierabschnitt 14 seine Anlasstemperatur erreicht hat, folgt der Normalbetrieb.
In der Normalbetriebsart wird Luft von dem Startlufteinlass 24 an den Durchlass 37 umgelenkt, wie in 2 gezeigt ist. Die Luft in dem Durchlass 37 strömt dann durch die Verwirbelungseinrichtung 38, bevor sie in das gemeinsame Volumen 22 eintritt. Wasserdampf tritt von dem Durchlass 41 ein und strömt in das Ringvolumen 42. Der Wasserdampf gelangt dann durch das poröse Material 44 und die Verwirbelungseinrichtung 36, bevor er in das gemeinsame Volumen 22 eintritt. Der Brennstoff tritt in das gemeinsame Volumen 22 über die Brennstoffzumessvorrichtung 21 ein. Die Luft, der Wasserdampf und der Brennstoff in dem gemeinsamen Volumen 22 mischen sich, bevor sie durch das Wärmeschild 50 in den ersten Primärreaktor 52 gelangen. Die Mischung wird in dem Primärreaktor 52 einer chemischen Reaktion unterzogen, was die Bildung eines wasserstoffreichen Reformatstroms zur Folge hat. Das Reformat von dem Primärreaktor 52 gelangt in den Sekundärreaktor 104 (1) zur weiteren Brennstoffverarbeitung, und dann bewegt sich das Reformat von dem Sekundärreaktor 104 in die Brennstoffzelle 108. In der Brennstoffzelle 108 reagiert das wasserstoffreiche Reformat mit Luft von dem Lufteinlass 112 und erzeugt nutzbare elektrische Energie. Anschließend strömen die Luft und der nicht verwendete Brennstoff von der Brennstoffzelle 108 in den Brenner 118 und werden gezündet. Die Wärme von den heißen Verbrennungsgasen von dem Brenner 118 kann dazu verwendet werden, das Primärreaktorbett 52 über Auslass 120 zu heizen und damit ein Aufrechterhalten der Temperatur des Primärreaktors 52 zu unterstützen. Die Gase verlassen dann den Brenner 118 über den Auslass 122.
4 ist eine detaillierte schematische Ansicht des Normalbetriebssystems 18 für die in 1 gezeigte Ausführungsform, wobei hier gemeinsame Bezugszeichen verwendet sind. In dieser detaillierten schematischen Ansicht umfasst das Normalbetriebssystem 18 einen Kompressor 124, ein Steuerventil 128, eine Wasserquelle 134, einen Primärreaktor 52, ein gemeinsames Volumen 22 und Wärmetauscher 138 und 140.
Der Kompressor 124 nimmt Luft von einem Betriebslufteinlass 123 auf und steht in Fluidverbindung mit dem Steuerventil 128 über Kanal 126, um die Druckluft zu liefern. Das Steuerventil 128 wird durch eine Betriebsrückkopplung gesteuert. Das Steuerventil 128 steht in Fluidverbindung mit einem Paar Kanälen 130 und 132 zur Lieferung der Druckluft. Der Prozentsatz an Luft, der in die Kanäle 130 und 132 geliefert wird, wird jedoch durch die Ergebnisse der Betriebsbedingungen bestimmt, die Sprühqualität, Wasserdampfaufteilung, Energieniveau bzw. Leistungspegel, Einlassmischtemperatur, Druck, Verhältnis von Wasserdampf zu Kohlenstoff, Verhältnis von Sauerstoff zu Kohlenstoff und dynamische Bedingungen umfassen. Auf Grundlage der Betriebsbedingungen teilt z. B. das Steuerventil 128 die in die Kanäle 130 und 132 aufgeteilte Luft zu, um eine höhere Scherung zu bewirken, wenn ein Bedarf nach Hochleistung besteht, um das gemeinsame Volumen 22 zu minimieren, während die Mischung immer noch vollständig gemischt und verteilt wird. Das Betriebssteuerventil 128 teilt auch die Luft zu, die aufgeteilt wird, um eine Geschwindigkeitsvektorauslöschung oder einen Geschwindigkeitsvektorversatz sicherzustellen, was in einer minimalen Umwälzung bei niedriger Leistung resultiert, um eine Selbstentzündung und einen Flammenrückschlag in dem gemeinsamen Volumen 22 zu vermeiden.
Die Kanäle 130 und 132 stehen weiter in Fluidverbindung mit Wärmetauschern 138 bzw. 140 und einer Wasserquelle 134. Der Kanal 130 nimmt Wasser von der Wasserquelle 134 über einen Kanal 136 auf und überträgt die von dem Steuerventil 128 zugeteilte Luft und das Wasser von der Wasserquelle 134 in den Wärmetauscher 138 zum Aufheizen. Ähnlicherweise nimmt der Kanal 132 Wasser von der Wasserquelle 134 über einen Kanal 136 auf und überträgt die von dem Steuerventil 128 zugeteilte Luft und das Wasser von der Wasserquelle 134 in den Wärmetauscher 140 zum Aufheizen.
Die Wärmetauscher 138 und 140 sind in 4 als zwei separate Einheiten gezeigt, wobei jedoch die Wärmetauscher 138 und 140 eine Einheit mit einer eingebauten Strömungstrennung sein könnten. Die Wärmetauscher 138 und 140 heizen die Luft und das Wasser unter Verwendung der Wärme von dem Reformatstrom auf, der durch den Primärreaktor 52 erzeugt wird, bevor die Mischung in das gemeinsame Volumen 22 eintritt. Der Wärmetauscher 138 steht über einen Kanal 144 in Fluidverbindung mit dem gemeinsamen Volumen 22, während der Wärmetauscher 140 über einen Kanal 142 in Fluidverbindung mit dem gemeinsamen Volumen 22 steht, die beide Wasserdampf an das gemeinsame Volumen 22 des Primärreaktors 52 liefern.
Brennstoff tritt in das gemeinsame Volumen 22 über eine Einspritzeinrichtung 20 ein. Brennstoff und Luft mischen sich in dem gemeinsamen Volumen 22, bevor sie in den Primärreaktor 52 gelangen. Der Primärreaktor 52 verarbeitet den Brennstoff durch eine chemische Reaktion, die Wärme erzeugt. Der Primärreaktor 52 steht in Wärmeübertragungsbeziehung mit dem Wärmetauscher 140 mit Reformatgasen, die durch einen Kanal 146 gelangen, wodurch die aus der Reaktion erzeugte Wärme dazu verwendet wird, die Druckluft- und Wassermischung aufzuwärmen, bevor sie in das gemeinsame Volumen 22 eintritt.
Im Normalbetrieb des Systems, wie in 4 gezeigt ist, wird Luft durch einen Kompressor 124 komprimiert, bevor sie in ein Steuerventil 128 eintritt. Das Steuerventil 128 teilt die Luft in zwei Kanäle 130 und 132 in einem Verhältnis auf Grundlage der Brennstoffzellenleistung auf. Die zugeteilte Luft strömt durch die Kanäle 130 und 132, wo sie mit Wasserdampf oder zweiphasigem Wasser von einer Wasserquelle 134 zusammen trifft. Die Luft- und Wassermischung von dem Kanal 133 tritt in den Wärmetauscher 138 ein, während die Luft- und Wassermischung von dem Kanal 135 in den Wärmetauscher 140 eintritt und beide durch die Wärme, die von den Reformatgasen von dem Primärreaktor 52 übertragen wird, aufgewärmt werden. Der Wasserdampf von den Wärmetauschern 138 und 140 wird dann an das gemeinsame Volumen 22 durch Kanäle 144 bzw. 142 geführt, wo er sich mit Brennstoff von der Brennstoffzumessvorrichtung 21 mischt. Die Mischung aus Wasserdampf und Brennstoff strömt dann in den Primärreaktor 52, in dem eine chemische Reaktion stattfindet. Der Primärreaktor 52 steht in einer Wärmeübertragungsbeziehung mit dem Wärmetauscher 140 über Kanal 146. Die durch die chemische Reaktion erzeugte Wärme, die über Kanal 146 übertragen wird, wird dazu verwendet, die eintretende Luft- und Wassermischung in den Wärmetauschern 138 und 140 zu heizen, bevor sie das gemeinsame Volumen 22 erreichen.
Eine alternative Ausführungsform für einen autothermen Reformer 10' ist in 5 gezeigt, wobei hier gleiche Bezugszeichen verwendet sind. Der autothermen Reformer 10' basiert auf der vorhergehenden Ausführungsform mit dem Reformierabschnitt 14 und dem Einlasssystem 12, wobei das Einlasssystem 12 sowohl das Startsystem 16 als auch das Normalbetriebssystem 18 umfasst, wie in 1 gezeigt ist. Der Unterschied zwischen dieser Ausführungsform und der in 2 gezeigten Ausführungsform liegt in dem Einlasssystem 12, das nachfolgend detaillierter beschrieben wird.
Die zweite Ausführungsform 10' umfasst einen Startlufteinlass 24, wie vorher beschrieben wurde. Zusätzlich stehen der Startlufteinlass 240 zusammen mit dem Brennstoffeinlass 20 in Fluidverbindung mit dem gemeinsamen Volumen 22, die das Startsystem 16 des Einlasssystems 12 von 1 bilden. Der Unterschied zwischen dieser zweiten Ausführungsform und der in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsform ist der zusätzliche Startlufteinlass 240. Beim Startbetrieb werden Brennstoff und Luft an ein gemeinsames Volumen 22 geliefert, wo sie gemischt und verbrannt werden, um ein erhitztes Abgas zu bilden, das durch den Reformierabschnitt gelangt.
Luft tritt in das Startsystem 16 sowohl durch den ersten Starteinlass 24 als auch den zweiten Startlufteinlass 240 ein. Der Startlufteinlass 240 umfasst einen Durchlass 250, der in einem Gehäuse 503 definiert ist. Der Durchlass 250 steht in Fluidverbindung mit einem Ringvolumen 260. Das Ringvolumen 260 ist in dem Gehäuse 503 definiert und steht in Fluidverbindung mit einem porösen Material 280, durch das Luft von dem Ringvolumen 260 strömt. Das poröse Material 280 ist in dem Ringvolumen 260 radial einwärts von dem Durchlass 250 angeordnet. Das poröse Material 280 könnte beispielsweise eine mit Löchern versehene Platte oder ein gesintertes Metall sein und dazu dienen, eine geringfügige Beschränkung auf die Strömung in dem Ringvolumen 260 aufzubringen und damit eine gleichförmige Verteilung sicherzustellen. Das poröse Material 280 steht ferner in Fluidverbindung mit einer Verwirbelungseinrichtung oder Flügeln 300. Luft von dem porösen Material 280 gelangt durch die Verwirbelungseinrichtung 300, die in dem Gehäuse 503 definiert ist, radial einwärts des porösen Materials 280 und symmetrisch bezüglich der Zentrallinie C. Die Verwirbelungseinrichtung 300 steht in Fluidverbindung mit dem gemeinsamen Volumen 22 und wird dazu verwendet, ein gewünschtes flaches tangentiales Geschwindigkeitsprofil für die Luft zu bewirken, bevor die Luft in das gemeinsame Volumen 22 eintritt. Die gezeigte Konstruktion der Verwirbelungseinrichtung 300 stellt lediglich ein Beispiel vieler möglicher Konstruktionen für Verwirbelungseinrichtungen dar. Alternativ dazu könnten radiale Einspritzdurchlässe verwendet werden, um das gewünschte tangentiale Geschwindigkeitsprofil herzustellen. Ferner ist die Konstruktion der Verwirbelungseinrichtung 300 spezifisch für die Strömungen während des Startprozesses und die Größe des gemeinsamen Volumens 22 angepasst.
Bei der in den 1–3 beschriebenen Ausführungsform wurde der Brennstoffeinlass 20 auch von dem Normalbetriebssystem 18 verwendet. Bei dieser Ausführungsform wird jedoch der Brennstoffeinlass 20, der mit dem Startsystem verwendet wird, nicht für den Normalbetrieb verwendet. Genauer tritt bei dieser Ausführungsform Luft durch den Betriebslufteinlass 36, den Startlufteinlass 24, den Startlufteinlass 240 ein und Brennstoff und Wasserdampf treten durch die Einlässe 40 und 400 ein. Im Normalbetrieb werden Brennstoff, Luft und Wasserdampf in dem gemeinsamen Volumen 22 vollständig gemischt und dann an den Reformierabschnitt 14 geführt.
Brennstoff und Wasserdampf werden in einem Wärmetauscher oder durch einen Abgasbrenner (nicht gezeigt) vorgeheizt und treten über die Wasserdampf- und Brennstoffeinlässe 40 und 400 in das Normalbetriebssystem 18 ein. Der Wasserdampf- und Brennstoffeinlass 40 umfasst einen Durchlass 41, ein Ringvolumen 42, poröses Material 44 und eine Verwirbelungseinrichtung 46. Der Durchlass 41 ist in einem Gehäuse 520 definiert und steht in Fluidverbindung mit dem Ringvolumen 42, das die Wasserdampf- und Brennstoffmischung von dem Durchlass 41 aufnimmt. Das Ringvolumen 42 ist auch in dem Gehäuse 520 definiert. Ein poröses Material 44 steht in Fluidverbindung mit dem Ringvolumen 42, und die Wasserdampf- und Brennstoffmischung von dem Ringvolumen 42 gelangt durch das poröse Material 44. Das poröse Material 44 ist in dem Ringvolumen 42 radial einwärts von dem Durchlass 41 angeordnet. Das poröse Material 44 kann beispielsweise eine mit Löchern versehene Platte oder gesintertes Metall sein und dazu dienen, eine geringfügige Beschränkung auf die Strömung in dem Ringvolumen 42 aufzubringen und damit eine gleichförmige Verteilung sicherzustellen. Das poröse Material 44 steht auch in Fluidverbindung mit einer Verwirbelungseinrichtung 46, durch die die Wasserdampf- und Brennstoffmischung von dem porösen Material 44 strömt. Die Verwirbelungseinrichtung 46 ist in dem Gehäuse 520 symmetrisch zu der Zentrallinie C angeordnet. Die Verwirbelungseinrichtung 46 steht in Fluidverbindung mit dem gemeinsamen Volumen 22 und wird dazu verwendet, ein flaches tangentiales Geschwindigkeitsprofil auf die Wasserdampf- und Brennstoffmischung aufzubringen, bevor der Wasserdampf und der Brennstoff in das gemeinsame Volumen 22 eintreten. Die gezeigte Konstruktion 46 der Verwirbelungseinrichtung stellt lediglich ein Beispiel vieler möglicher Konstruktionen für Verwirbelungseinrichtungen dar. Alternativ dazu können radiale Einspritzdurchlässe verwendet werden, um das gewünschte tangentiale Geschwindigkeitsprofil herzustellen. Ferner ist die Konstruktion der Verwirbelungseinrichtung 46 spezifisch für die Strömungen während des Normalbetriebsprozesses und die Größe des gemeinsamen Volumens 22 angepasst.
Der Wasserdampf- und Brennstoffeinlass 400 umfasst einen Durchlass 410, ein Volumen 420, poröses Material 440 und eine Verwirbelungseinrichtung 460. Der Durchlass 410 ist in einem Gehäuse 507 definiert und steht in Fluidverbindung mit dem Ringvolumen 420, das die Wasserdampf- und Brennstoffmischung von dem Durchlass 410 aufnimmt. Ein Ringvolumen 420 ist ebenfalls in dem Gehäuse 507 definiert. Ein poröses Material 440 steht in Fluidverbindung mit dem Ringvolumen 420, und die Wasserdampf- und Brennstoffmischung von dem Ringvolumen 420 strömt durch das poröse Material 440. Das poröse Material 440 ist in dem Ringvolumen 420 radial einwärts von dem Durchlass 410 angeordnet. Das poröse Material 440 kann beispielsweise eine mit Löchern versehene Platte oder gesintertes Metall sein und dazu dienen, eine geringfügige Beschränkung auf die Strömung in dem Ringvolumen 420 aufzubringen und damit eine gleichförmige Verteilung sicherzustellen. Das poröse Material 440 steht auch in Fluidverbindung mit einer Verwirbe lungseinrichtung 460, durch die die Wasserdampf- und Brennstoffmischung von dem porösen Material 440 strömt. Die Verwirbelungseinrichtung 460 ist in dem Gehäuse 507 symmetrisch zu der Zentrallinie C angeordnet. Die Verwirbelungseinrichtung 460 steht in Fluidverbindung mit dem gemeinsamen Volumen 22 und wird dazu verwendet, ein flaches tangentiales Geschwindigkeitsprofil auf die Wasserdampf- und Brennstoffmischung aufzubringen, bevor der Wasserdampf und der Brennstoff in das gemeinsame Volumen 22 eintreten. Die gezeigte Konstruktion 460 der Verwirbelungseinrichtung stellt lediglich ein Beispiel vieler möglicher Konstruktionen für Verwirbelungseinrichtungen dar. Alternativ dazu können radiale Einspritzdurchlässe verwendet werden, um das gewünschte tangentiale Geschwindigkeitsprofil herzustellen. Ferner ist die Konstruktion der Verwirbelungseinrichtung 460 spezifisch für die Strömungen während des Normalbetriebsprozesses und die Größe des gemeinsamen Volumens 22 angepasst.
Luft wird während des Normalbetriebs durch den Betriebslufteinlass 36, wie bei der vorhergehenden Ausführungsform beschrieben würde, wie auch die Startlufteinlässe 24 und 240 eingeführt. Bei dieser Ausführungsform werden mehrere Lufteinlässe 36, 24 und 240 im Normalbetrieb verwendet, um eine Scherung in den Strömungen zu erzeugen und damit ein Mischen in kurzen Verweilzeiten wie auch ein Einführen einer Geschwindigkeitsvektorauslöschung oder einen Geschwindigkeitsvektorversatz zu bewirken und damit eine Umwälzung, die typischerweise durch radiale und tangentiale Eingaben erzeugt wird, zu minimieren.
Beim Fahrzeugstart treten Luft und Brennstoff gleichzeitig in den autothermen Reformer 10' über das Einlasssystem 12 ein. Luft tritt durch Durchlässe 25 und 250 ein und gelangt in Ringvolumen 26 bzw. 260. Die Luft gelangt dann durch das poröse Material 28 und 280, bevor sie in die Verwirbelungseinrichtungen 30 bzw. 300 eintritt. Die Luft von den Verwirbelungseinrichtungen 30 und 300 strömt in das gemeinsame Volumen 22. Brennstoff tritt über die Brennstoffzumessvorrichtung 21 in das gemeinsame Volumen 22 ein. Luft und Brennstoff werden dann durch eine Zündquelle 32 in dem gemeinsamen Volumen 22 gezündet.
Die aus der Verbrennung erzeugte Wärme wird dazu verwendet, den Reformierabschnitt 14 zu erwärmen. Sobald Wärmesensoren 34 erfassen, dass der Reformierabschnitt 14 seine Anlasstemperatur erreicht hat, folgt der Normalbetrieb.
Im Normalbetrieb tritt Luft in den autothermen Reformer 10' über Startlufteinlässe 24, 240 und den Betriebslufteinlass 36 ein. Die Luft, die in die Durchlässe 25 und 250 eintritt, durchquert den gleichen Strömungspfad wie bei dem Startbetrieb. Luft strömt von dem Durchlass 37 durch die Verwirbelungseinrichtung 38, bevor sie in das gemeinsame Volumen 22 eintritt. Wasserdampf und Brennstoff treten über die Durchlässe 41 und 410 ein. Wasserdampf und Brennstoff in dem Durchlass 41 gelangen durch das Ringvolumen 42 und ein poröses Material 44, bevor sie in die Verwirbelungseinrichtung 46 eintreten. Die Brennstoff- und Wasserdampfmischung von der Verwirbelungseinrichtung 46 strömt dann in das gemeinsame Volumen 22. Ähnlicherweise strömt die Wasserdampf- und Brennstoffmischung, die in den Durchlass 410 eintritt, in ein Ringvolumen 420. Anschließend strömt die Wasserdampf- und Brennstoffmi schung durch ein poröses Material 440, bevor sie in die Verwirbelungseinrichtung 460 eintritt. Die Brennstoff- und Wasserdampfmischung verlässt die Verwirbelungseinrichtung 460 und tritt in das gemeinsame Volumen 22 ein. Die Luft, der Wasserdampf und der Brennstoff in dem gemeinsamen Volumen 22 mischen sich vor einem Durchgang durch das Wärmeschild 50 in den ersten Primärreaktor 52.
Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht in der Verwendung der Startlufteinlässe 24 und 240 mit den Wasserdampf- und Brennstoffeinlässen 40 und 400. Insbesondere wenn die Wasserdampf- und Brennstoff-Verwirbelungseinrichtungen 46 und 460 tangential und in derselben Rotationsrichtung angeordnet sind, wie die Luftverwirbelungseinrichtungen 30 und 300, oder in einer entgegengesetzten Drehrichtung angeordnet sind, tritt eine Verringerung der erforderlichen Mischzeit und des erforderlichen Verteilungsvolumens auf, was in geringeren Verweilzeiten bei niedrigeren Durchflüssen resultiert. Die Verringerung der Verweilzeit bei niedrigeren Durchflüssen resultiert in einem breiteren Betriebsbereich oder Herunterfahren.
6 ist eine detaillierte schematische Ansicht des Normalbetriebssystems 18 für die in 5 gezeigte Ausführungsform, wobei hier gleiche Bezugszeichen verwendet sind. Bei diesem detaillierten Schema umfasst das Normalbetriebssystem 18 einen Kompressor 124, ein Steuerventil 128, einen Primärreaktor 52, ein gemeinsames Volumen 22 und Wärmetauscher 138, 140 und 152.
Der Kompressor 124 nimmt Luft von dem Einlass 123 auf und steht in Fluidverbindung mit dem Steuerventil 128 über einen Kanal 126.
Das Steuerventil 128 wird durch eine Betriebsrückkopplung gesteuert. Das Steuerventil 128 steht in Fluidverbindung mit einem Paar Kanälen 130 und 132 für die Lieferung der Druckluft. Der Prozentsatz an Luft, die in die Kanäle 130 und 132 geliefert wird, wird jedoch durch die Ergebnisse der Betriebsbedingungen bestimmt, die Sprühqualität, Wasserdampfaufteilung, Energieniveau bzw. Leistungspegel, Einlassmischtemperatur, Druck, Verhältnis von Wasserdampf zu Kohlenstoff, Verhältnis von Sauerstoff zu Kohlenstoff und dynamische Bedingungen umfassen können. Auf Grundlage von Betriebsbedingungen unterteilt beispielsweise das Steuerventil 128 die an die Kanäle 130 und 132 gelieferte Luft, um eine höhere Scherung zu bewirken, wenn ein Bedarf nach Hochleistung besteht, um das gemeinsame Volumen 22 zu minimieren, während die Mischung vollständig gemischt und verteilt wird. Das Betriebssteuerventil 128 teilt auch die aufgeteilte Luft zu, um eine Geschwindigkeitsvektorauslöschung oder einen Geschwindigkeitsvektorversatz sicherzustellen, was eine minimale Umwälzung bei niedriger Leistung zur Folge hat, um eine Selbstentzündung oder einen Flammenrückschlag in dem gemeinsamen Volumen 22 zu vermeiden.
Die Kanäle 130 und 132 stehen ferner in Fluidverbindung mit Wärmetauschern 138 bzw. 140. Der Kanal 130 überträgt die Druckluft, die von dem Steuerventil 128 zugeteilt wird, in den Wärmetauscher 138 zum Aufheizen. Ähnlicherweise überträgt der Kanal 132 die von dem Steuerventil 128 zugeteilte Druckluft in den Wärmetauscher 140 zum Aufheizen.
Brennstoff und Wasser treten in das Normalbetriebssystem 18 über Durchlass 115 ein. Der Durchlass 150 steht in Fluidverbindung mit einem Wärmetauscher 152 zum Übertragen des Brennstoffs und des Wassers. Der Brennstoff und das Wasser werden in dem Wärmetauscher 152 erhitzt, um eine Mischung aus Wasserdampf und Brennstoffdampf zu erzeugen. Die Wärmetauscher 138, 140 und 152 können eine Einheit mit einer eingebauten Strömungstrennung umfassen. Die Wärmetauscher 138, 140 und 152 heizen die Luft, den Brennstoff und das Wasser von dem Steuerventil 128 unter Verwendung der Wärme von dem durch den Primärreaktor 52 erzeugten Reformatstrom auf.
Der Wärmetauscher 138 steht über einen Kanal 144 in Fluidverbindung mit dem gemeinsamen Volumen 22, um Druckluft in das gemeinsame Volumen 22 zu übertragen. Der Wärmetauscher 140 steht über einen Kanal 142 in Fluidverbindung mit dem gemeinsamen Volumen 22, um das gemeinsame Volumen 22 mit Luft zu versorgen. Der Wärmetauscher 152 steht über einen Kanal 154 in Fluidverbindung mit dem gemeinsamen Volumen 22, um das gemeinsame Volumen 22 mit Brennstoff und Wasserdampf zu beliefern. Der Wärmetauscher 152 kann auf den Wärmetauscher 138 in dem Reformatstrom folgen, dies muss aber nicht der Fall sein.
Brennstoff, Wasserdampf und Luft mischen sich in dem gemeinsamen Volumen 22, bevor sie in den Primärreaktor 52 gelangen. Der Primärreaktor 52 bricht die Kohlenwasserstoffe in dem Brennstoff durch eine chemische Reaktion auf, die Wärme erzeugen kann. Der Primärreaktor 52 steht in einer Wärmeübertragungsbeziehung mit Wärmetauschern 140, 138 und 152 über einen Kanal 146, wodurch die aus der Reaktion erzeugte Wärme dazu verwendet wird, die Druckluft, den Brennstoff und das Wasser aufzuwärmen, bevor sie in das gemeinsame Volumen 22 eintreten.
Im Normalbetrieb des Systems, wie in 6 gezeigt ist, wird Luft durch einen Kompressor 124 komprimiert, bevor sie in ein Steuerventil 128 eintritt. Das Steuerventil 128 teilt die Druckluft in zwei Kanäle 130 und 132 in einem Verhältnis auf Grundlage der Betriebsbedingungen auf. Die zugeteilte Luft strömt durch die Kanäle 130 und 132. Die Luft von dem Kanal 130 tritt in den Wärmetauscher 138 ein und wird durch von den Reformatgasen von dem Primärreaktor 52 übertragene Wärme aufgewärmt. Die Luft von dem Kanal 132 tritt in den Wärmetauscher 140 ein und wird gleichfalls durch Wärme von den Reformatgasen aufgewärmt. Die Luft von den Wärmetauschern 138 und 140 wird dann durch Kanäle 144 bzw. 142 an das gemeinsame Volumen 22 geführt.
Brennstoff und Wasser treten in flüssiger, zweiphasiger oder dampfförmiger Form über den Durchlass 150 ein. Die Brennstoff- und Wassermischung strömt in den Wärmetauscher 152, in dem sie durch die Reformatgase von dem Primärreaktor 52 erhitzt wird. Anschließend wird die Brennstoff- und Wasserdampfmischung von dem Wärmetauscher 152 durch den Kanal 154 in das gemeinsame Volumen 22 geführt.
Die Luft, der Brennstoff wie auch der Wasserdampf mischen sich in dem gemeinsamen Volumen 22, bevor sie in den Primärreaktor 52 strömen, in dem eine chemische Reaktion stattfindet. Der Primärreaktor 52 steht über den Kanal 146 in Wärmeübertragungsbeziehung mit dem Wärmetauscher 140. Die durch die chemische Reaktion erzeugte Wärme, die über den Kanal 146 übertragen wird, wird dazu verwendet, die eintre tende Luft, den eintretenden Brennstoff und das eintretende Wasser zu erhitzen, bevor sie das gemeinsame Volumen 22 erreichen.
Eine alternative Ausführungsform des autothermen Reformers 10'' ist in 7 gezeigt, wobei hier gleiche Bezugszeichen verwendet sind. Diese dritte Ausführungsform basiert auf dem autothermen Reformer 10 der ersten Ausführungsform, der den Reformierabschnitt 14 und das Einlasssystem 12 umfasst, wobei das Einlasssystem 12 sowohl das Startsystem 16 als auch das Normalbetriebssystem 18 umfasst, wie in 1 gezeigt ist. Der Unterschied zwischen dieser Ausführungsform und der in 2 offenbarten Ausführungsform liegt in dem Einlasssystem 12, genauer dem Normalbetriebssystem 18, das nachfolgend detaillierter beschrieben ist.
Die dritte Ausführungsform 10'' umfasst einen Betriebslufteinlass 36 und einen Brennstoffeinlass 20, die beide in Fluidverbindung mit dem gemeinsamen Volumen 22 stehen, wodurch das Normalbetriebssystem 18 des Einlasssystems 12 von 1 ausgebildet wird. Der Unterschied zwischen dieser Ausführungsform und der in den 1–3 offenbarten Ausführungsform liegt in den Merkmalen des Betriebslufteinlasses 36.
Der Betriebslufteinlass 36 umfasst einen Durchlass 37, der in einem Gehäuse 500 definiert ist, in Fluidverbindung mit einem Verteiler 156 zum Aufnehmen von Luft und Wasserdampf. Der Verteiler 156 besitzt zwei Ringkammern 158 und 162, die in dem Gehäuse 500 festgelegt und durch ein poröses Material 160 unterteilt sind, das diagonal über den Verteiler 156 angeordnet ist. Luft von dem Durchlass 37 tritt in die Ring kammer 158 des Verteilers 156 ein. Die Ringkammer 158 steht in Fluidverbindung mit dem porösen Material 160, durch das Luft und Wasserdampf strömen. Das poröse Material 160 kann beispielsweise eine mit Löchern versehene Platte oder gesintertes Metall sein und dazu dienen, eine geringfügige Beschränkung auf die Strömung in dem Verteiler 156 aufzubringen, um eine gleichförmige Verteilung sicherzustellen.
Das poröse Material 160 steht in Fluidverbindung mit der Ringkammer 162, und die Luft und der Wasserdampf treten in die Ringkammer 162 ein, nachdem sie durch das poröse Material 160 geströmt sind. Die Ringkammer 162 steht ferner in Fluidverbindung mit einem porösen Material 164. Das poröse Material 164 ist in dem Gehäuse 500 definiert und steht in Fluidverbindung mit dem gemeinsamen Volumen 22. Das poröse Material 164 kann beispielsweise eine mit Löchern versehene Platte oder gesintertes Metall sein und dazu dienen, eine geringfügige Beschränkung auf die Strömung in der Ringkammer 162 aufzubringen und das gewünschte Geschwindigkeitsprofil für den Wasserdampf und die Luft zu erzeugen, bevor die Mischung in das gemeinsame Volumen 22 eintritt. Zusätzlich erlaubt die Verwendung zweier poröser Materialien 160 und 164, dass die Strömung über den vollständigen Einlassdurchmesser des gemeinsamen Volumens 22 verteilt wird, ohne Strömungsstörungen oder -umwälzungen bzw. -rezirkulationen zu bewirken.
Beim Fahrzeugstart treten Luft und Brennstoff gleichzeitig in den autothermen Reformer 10 über das Einlasssystem 12 ein. Luft tritt durch den Durchlass 25 in das Ringvolumen 26 ein. Die Luft gelangt dann durch das poröse Material 28, bevor sie in die Verwirbelungseinrichtung 30 eintritt. Die Luft von der Verwirbelungseinrichtung 30 strömt in das gemeinsame Volumen 22. Brennstoff tritt über die Brennstoffzumessvorrichtung 21 in das gemeinsame Volumen 22 ein. Luft und Brennstoff werden dann in dem gemeinsamen Volumen 22 durch eine Zündquelle 32 gezündet. Die Zündquelle 32 kann eine Zündkerze, Glühkerze, etc. sein. Die Zündquelle 32 ist als eine Zündkerze gezeigt.
Die aus der Verbrennung erzeugte Wärme wird dazu verwendet, den Reformierabschnitt 14 zu erwärmen. Sobald ein Thermoelement 34 detektiert, dass der Reformierabschnitt 14 seine Anlasstemperatur erreicht hat, beginnt der Normalbetrieb.
In der Normalbetriebsart werden Luft und Wasserdampf von dem Startlufteinlass 24 an den Durchlass 37 umgelenkt. Die Luft- und Wasserdampfmischung in dem Durchlass 37 strömt in die Ringkammer 158 und tritt in dann in das poröse Material 160 ein. Nachdem die Luft- und Wasserdampfmischung durch das poröse Material 160 gelangt ist, tritt diese in die Ringkammer 162 ein. Von der Ringkammer 162 strömt die Luft- und Wasserdampfmischung durch ein zweites poröses Material 164, bevor sie in das gemeinsame Volumen 22 eintritt. Brennstoff tritt in das gemeinsame Volumen 22 über eine Brennstoffzumessvorrichtung 21 ein. Die Luft, der Wasserdampf und der Brennstoff in dem gemeinsamen Volumen 22 mischen sich, bevor sie durch das Wärmeschild 50 in den ersten Primärreaktor 52 strömen.
Die Beschreibung der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur, und somit sind Abwandlungen, die nicht von der Grundidee der Erfindung abweichen, als innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung befindlich anzusehen. Derartige Abwandlungen sind nicht als Abweichung vom Schutzumfang der Erfindung anzusehen.
Zusammenfassung
Es ist ein autothermer Reformer für ein Brennstoffzellensystem vorgesehen, das ein einzelnes Volumen und eine Vielzahl von Einlässen für sowohl Start- als auch Normalbetriebsabläufe verwendet. In der Startbetriebsart wird eine thermische Verbrennung zum Heizen des Katalysatorreformierungsabschnittes des Reformers verwendet. Zwei Einlässe werden dazu verwendet, Luft und Brennstoff in das System zu speisen, die in dem gemeinsamen Volumen gemischt und gezündet werden. Sobald der Katalysator seine Anlasstemperatur erreicht hat, liefert ein zweiter Satz von Einlässen Luft, Wasserdampf und Brennstoff in das gemeinsame Volumen. Die Mischung gelangt dann in das katalytische Reformierungssystem.

Claims

Autothermer Reformer zum Reformieren eines Kohlenwasserstoff-Brennstoffes, mit: einem Gehäuse, das eine Reformierkammer definiert; einem Brennstoffeinlass in Verbindung mit der Reformierkammer; einem Wasserdampfeinlass in Verbindung mit der Reformierkammer; und einer Vielzahl von Lufteinlässen in Fluidverbindung mit der Reformierkammer, wobei einer der Vielzahl von Lufteinlässen in der Startbetriebsart ein Luftvolumen an die Reformierkammer liefert, und ein zweiter der Vielzahl von Lufteinlässen in einer Normalbetriebsart ein Luftvolumen an die Reformierkammer liefert.
Autothermer Reformer nach Anspruch 1, wobei die Lufteinlässe speisen: erste Luftkammern für die Startbetriebsart, die eine Umwälzung bewirken, um eine thermische Partialoxidation in einem Volumen vor dem Katalysator des autothermen Reformers zu stabilisieren; eine oder mehrere zweite Luftkammern für die Normalbetriebsart, die eine Strömung in das Volumen hinzufügt bzw. hinzufügen, um Geschwindigkeitsvektoren zu versetzen und eine Umwälzung zu beseitigen oder zu minimieren; und eine oder mehrere dritte Luftkammern für die Normalbetriebsart, die von den ersten Luftkammern für die Startbetriebsart getrennt sind, jedoch dasselbe Volumen zur Verdampfung und Mischung ver wenden, das für die thermische Partialoxidation beim Start verwendet wird.
Autothermer Reformer nach Anspruch 1, ferner mit einem Ventil zum Verteilen des Luftvolumens zwischen der Vielzahl von Lufteinlässen.
Autothermer Reformer nach Anspruch 1, ferner mit einem Primärreaktor, der ein Volumen für thermische Partialoxidation und Verdampfung, Mischung und Verteilung umfasst.
Autothermer Reformer nach Anspruch 4, ferner mit einem Temperatursensor, der in dem Primärreaktor angeordnet ist.
Autothermer Reformer nach Anspruch 1, ferner mit einer Zündquelle, die in der Reformierkammer angeordnet ist.
Autothermer Reformer nach Anspruch 4, ferner mit einem Wasserdampfreformer, der unterstromig des Volumens für thermische Partialoxidation angeordnet ist.
Autothermer Reformer nach Anspruch 1, ferner mit einem Wärmetauscher, der in der Reformierkammer angeordnet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 8, wobei einer der Brennstoff-, Wasserdampf- und/oder Lufteinlässe in thermischer Verbindung mit dem Wärmetauscher stehen.
Autothermer Reformer zum Reformieren eines Kohlenwasserstoff-Brennstoffes, mit: einem Gehäuse, das eine Reformierkammer definiert; einer Vielzahl von Lufteinlässen in Fluidverbindung mit der Reformierkammer, wobei einer der Vielzahl von Lufteinlässen in der Startbetriebsart ein Luftvolumen an die Reformierkammer liefert, und ein anderer der Vielzahl von Lufteinlässen in einer Normalbetriebsart ein Luftvolumen an die Reformierkammer liefert; einem ersten Fluideinlass in Verbindung mit der Reformierkammer, um einen Kohlenwasserstoff-Brennstoff an die Reformierkammer zur Reformierung des Kohlenwasserstoff-Brennstoffes in einem Verbrennungsprozess in der Startbetriebsart zu liefern; und einem zweiten Fluideinlass in Verbindung mit der Reformierkammer, der einen Kohlenwasserstoff-Brennstoff und Wasser an die Reformierkammer zur katalytischen Reformierung des Kohlenwasserstoff-Brennstoffes in der Normalbetriebsart liefert.
Autothermer Reformer nach Anspruch 10, ferner mit einem Ventil zum Verteilen des Luftvolumens zwischen der Vielzahl von Lufteinlässen.
Autothermer Reformer nach Anspruch 10, wobei die Reformierkammer eine thermische Reformierzone und eine katalytische Reformierzone umfasst.
Autothermer Reformer nach Anspruch 10, ferner mit einem Temperatursensor, der in dem autothermen Katalysator angeordnet ist.
Autothermer Reformer nach Anspruch 10, ferner mit einem Wasserdampfreformer, der unterstromig der katalytischen Verbrennungszone angeordnet ist.
Autothermer Reformer nach Anspruch 10, ferner mit einem Wärmetauscher, der in der Reformierkammer angeordnet ist.
Autothermer Reformer nach Anspruch 10, ferner mit einer Zündquelle, die in der thermischen Reformierzone angeordnet ist.
Autothermer Reformer zum Reformieren eines Kohlenwasserstoff-Brennstoffes, mit: einem Gehäuse, das eine Reformierkammer mit einem thermischen Reformierabschnitt und einem katalytischen Reformierabschnitt definiert; einem Brennstoffeinlass in Verbindung mit dem thermischen Reformierabschnitt; einem Startlufteinlass in Verbindung mit dem thermischen Reformierabschnitt, wobei der Lufteinlass ein Ringvolumen in Verbindung mit einem ersten Kreisring aus porösem Material umfasst und eine erste Verwirbelungseinrichtung umfasst, die radial einwärts von dem ersten Ring aus porösem Material angeordnet ist; einem Betriebslufteinlass in Verbindung mit dem thermischen Reformierabschnitt, wobei der Betriebslufteinlass einen Einlassdurchlass in Verbindung mit einer zweiten Verwirbelungseinrichtung umfasst; und einem Wasserdampfeinlass in Verbindung mit dem thermischen Reformierabschnitt, wobei der Wasserdampfeinlass ein Ringvolumen in Verbindung mit einem zweiten Kreisring aus porösem Material umfasst und eine dritte Verwirbelungseinrichtung umfasst, die radial einwärts von dem zweiten Ring aus porösem Material angeordnet ist.
Autothermer Reformer zum Reformieren eines Kohlenwasserstoff-Brennstoffes, mit: einem Gehäuse, das eine Reformierkammer mit einem thermischen Reformierabschnitt und einem katalytischen Reformierabschnitt definiert, einem Brennstoffeinlass in Verbindung mit dem thermischen Reformierabschnitt; einem Startlufteinlass in Verbindung mit dem thermischen Reformierabschnitt, wobei der Lufteinlass ein Ringvolumen in Verbindung mit einem Kreisring aus porösem Material umfasst und eine Verwirbelungseinrichtung umfasst, die radial einwärts von dem Ring aus porösem Material angeordnet ist; und einem Betriebsluft-/Wasserdampfeinlass in Verbindung mit dem thermischen Reformierabschnitt, wobei der Betriebsluft-/Wasserdampfeinlass einen Einlassdurchlass in Verbindung mit einem porösen Material umfasst, durch das der Betriebsluft-/Wasserdampfeinlass mit dem thermischen Reformierabschnitt in Verbindung steht.
Autothermer Reformer zum Reformieren eines Kohlenwasserstoff-Brennstoffes, mit: einem Gehäuse, das eine Reformierkammer mit einem thermischen Reformierabschnitt und einem katalytischen Reformierabschnitt definiert; einem Brennstoffeinlass in Verbindung mit dem thermischen Reformierabschnitt; einem Paar Startlufteinlässe in Verbindung mit dem thermischen Reformierabschnitt, wobei die Startlufteinlässe jeweils ein Ringvolumen in Verbindung mit einem Kreisring aus porösem Material und jeweils eine Verwirbelungseinrichtung umfassen, die radial einwärts von dem porösen Material angeordnet ist; einem Betriebslufteinlass in Verbindung mit dem thermischen Reformierabschnitt, wobei der Betriebslufteinlass einen Einlassdurchlass in Verbindung mit einer Verwirbelungseinrichtung umfasst; und einem Paar von Betriebsbrennstoff-/Wasserdampfeinlässen in Verbindung mit dem thermischen Reformierabschnitt, wobei die Betriebsbrennstoff-/Wasserdampfeinlässe jeweils ein Ringvolumen in Verbindung mit einem Kreisring aus porösem Material und jeweils eine Verwirbelungseinrichtung umfassen, die radial einwärts von dem porösen Material angeordnet ist.
Verfahren zum Reformieren eines Kohlenwasserstoff-Brennstoffes in einem autothermen Reformer mit einer thermischen Reformierzone und einer katalytischen Reformierzone, mit den Schritten, dass: ein oxidierendes Gas von einem ersten Einlass und ein Kohlenwasserstoff-Brennstoff von einem zweiten Einlass in der thermischen Reformierzone verbrannt werden, um die katalytische Reformierzone auf eine Anlasstemperatur aufzuheizen; und ein oxidierendes Gas, das durch einen dritten Einlass eingeführt wird, und / oder Wasser und / oder ein Kohlenwasserstoff-Brennstoff von einem vierten Einlass gemischt wird bzw. werden, nachdem die Katalysatorreformierzone die Anlasstemperatur erreicht, und die Mischung durch die erhitzte Katalysatorreformierzone geführt wird.