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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Reformiervorrichtung.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Eine
gattungsgemäße Vorrichtung ist in der
1 der
veröffentlichten japanischen Patentanmeldung
JP 2004-171892 A gezeigt,
welche einen Weg aufzeigt, um einen Reformierbrennstoff mittels
einer Reformiervorrichtung für eine Brennstoffzelle, in
welcher ein Reformer, ein Kohlenmonoxidtransformer und ein Kohlenmonoxidentferner
zusammen integriert sind, einzuspeisen. Der Reformierbrennstoff und
Dampf werden in Gravitationsrichtung auf der Oberseite der integrierten
Reformiervorrichtung für eine Brennstoffzelle gemischt
und das Gemisch wird in Gravitationsrichtung zu der Unterseite hin
eingespeist. Auf diese Weise kann der Aufbau dieser Vorrichtung
einfach und klein gemacht werden.
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Bei
dem Aufbau eines Reformers, wie bei diesem System, bei dem Dampf
und Reformierbrennstoff in Gravitationsrichtung von der Oberseite eines
Reformierkatalysators eingespeist werden, kann es jedoch sein, dass
Tropfwasser, welches in dem Pfad des Dampfs und des Reformierbrennstoffes
erzeugt wird, in Gravitationsrichtung zur unteren Seite hin herunterfällt
und nach Betriebsstopp in den Reformierkatalysator fließt.
Infolge dessen kann das Leistungsvermögen des Reformierkatalysators
erheblich verschlechtert werden. Wenn der Reformer jedoch so aufgebaut
ist, dass der Dampf in Gravitationsrichtung des Reformierkatalysators
von unten eingespeist wird, um das oben beschriebene Problem zu
lösen, kann Reformierwasser in eine Reformierbrennstoffleitung
fließen und somit einen in der Reformierbrennstoffleitung
vorgesehenen Entschwefler beschädigen und dessen Leistungsvermögen
verschlechtern.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine äußerst zuverlässige
Reformiervorrichtung bereit, welche die Möglichkeit eines
Wassereintritts in den Reformierkatalysator sowie die Möglichkeit
einer Leistungsverschlechterung des Entschweflers, welche durch Wassereintritt
in die Reformierbrennstoffleitung herrührt, vermindert.
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Ein
erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Reformiervorrichtung mit:
einem Verdampfungsabschnitt, welcher Reformierwasser zur Dampferzeugung
erhitzt; einem Mischabschnitt, welcher einen Reformierbrennstoff
mit dem Dampf mischt; einem Reformierabschnitt, der einen Reformierkatalysator aufweist,
dem der mit dem Dampf vermischten Reformierbrennstoff zugeführt
wird und der aus dem zugeführten Reformierbrennstoff ein
Reformatgas erzeugt, und der in Gravitationsrichtung an der oberen Seite
des Mischabschnitts angeordnet ist; einer Reformierbrennstoffzuführleitung
mit einem Entschwefler zum Beseitigen eines Schwefelbestandteils
des Reformierbrennstoffs; und einer Reformierbrennstoffverbindungsleitung,
die an einem Ende mit der Reformierbrennstoffzuführleitung
verbunden und an dem anderen Ende zum Mischabschnitt geöffnet
ist. In dieser Reformiervorrichtung ist ein Verbindungsabschnitt
zwischen der Reformierbrennstoffzuführleitung und der Reformierbrennstoffverbindungsleitung in
Gravitationsrichtung oberhalb des Mischabschnitts angeordnet.
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Gemäß dieser
Konfiguration ist es möglich, selbst wenn zufällig
Reformierwasser von dem anderen Ende der Reformierbrennstoffverbindungsleitung,
welches zum Mischabschnitt geöffnet ist, her eintritt,
dass Reformierwasser über den Verbindungsabschnitt hinaus
zurück in die Reformierbrennstoffzuführleitung
fließt und in den Entschwefler in einem stromaufwärtigen
Abschnitt der Reformierbrennstoffzuführleitung fließt.
Infolge dessen kann die Möglichkeit einer durch das Wasser
verursachten Beschädigung an einem Entschwefelungsmaterial reduziert
werden, wodurch die Zuverlässigkeit der Vorrichtung verbessert
wird. Darüber hinaus kann das durch das Wasser verursachte
Verschlechterungsrisiko abgesenkt werden, wodurch der Freiheitsgrad
für das Anordnen des Entschweflers für den Reformierbrennstoff
erhöht wird. Deshalb kann der Entschwefler frei an einem
Ort angeordnet werden, an dem er gut gewartet werden kann, wodurch die
Vermarktbarkeit verbessert wird. Darüber hinaus sind eine
Dampfeinlassöffnung und eine Reformierbrennstoffeinlassöffnung
an dem anderen Ende der Reformierbrennstoffverbindungsleitung zu
dem Mischabschnitt hin geöffnet, welcher in Gravitationsrichtung
des Reformierabschnitts mit dem Reformierkatalysator an der oberen
Seite angeordnet ist. Deshalb wird die Möglichkeit, dass
Tropfwasser, welches in der Reformierbrennstoffverbindungsleitung
oder einer Dampfzuführleitung nach Betriebsende in den Reformierkatalysator
herunterfällt, reduziert und somit wird die Möglichkeit
einer Verschlechterung des Reformierkatalysators ebenfalls reduziert,
wodurch die Zuverlässigkeit der Vorrichtung verbessert
wird.
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Bei
der Reformiervorrichtung gemäß diesem Aspekt kann
ein Sammelabschnitt, welcher mit dem Dampf mitgeführtes
Wasser und/oder aus dem Dampf kondensiertes Wasser sammelt, in Gravitationsrichtung
auf der unteren Seite des Mischabschnitts vorgesehen sein.
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Gemäß dieser
Konfiguration fällt das mit dem Dampf mitgeführte
Wasser und/oder das Kondenswasser aus dem Dampf aufgrund der Schwerkraft nach
unten und sammelt sich in dem Mischabschnitt. Infolge dessen fließt
das Wasser in dem Sammelabschnitt in die Reformierbrennstoffeinlassöffnung,
welche an dem anderen Ende der Reformierbrennstoffverbindungsleitung
vorgesehen ist und zu dem Mischabschnitt hin geöffnet ist,
welcher sich in Gravitationsrichtung an der oberen Seite des Sammelabschnitts
angeordnet ist, so dass verhindert werden kann, dass Wasser über
den stromaufwärtigen Abschnitt der Reformierbrennstoffzuführleitung
rückwärts in den Entschwefler fließt.
Somit kann die Möglichkeit einer Beschädigung
an dem Entschwefelungsmaterial reduziert werden, wodurch die Zuverlässigkeit
der Vorrichtung verbessert wird.
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Bei
der Reformiervorrichtung gemäß diesem Aspekt kann
die Reformierbrennstoffeinlassöffnung der Reformierbrennstoffverbindungsleitung,
welche zu dem Mischabschnitt hin geöffnet ist, in Gravitationsrichtung
oberhalb des Sammelabschnitts angeordnet sein.
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Diese
Konfiguration kann die Möglichkeit verringern, dass das
in dem Sammelabschnitt gesammelte Wasser über die Reformierbrennstoffeinlassöffnung
und den stromaufwärtigen Abschnitt der Reformierbrennstoffzuführleitung
zurück in den Entschwefler fließt. Infolge dessen
kann die Möglichkeit einer Beschädigung an dem
Entschwefelungsmaterial verringert werden, wodurch die Zuverlässigkeit
der Vorrichtung verbessert wird.
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Bei
der Reformiervorrichtung gemäß diesem Aspekt kann
ein Kohlenmonoxidreduzierungsabschnitt, welchem Reformatgas von
dem Reformierabschnitt zugeführt wird, um Kohlenmonoxid
des Reformatgases zu reduzieren, in Gravitationsrichtung unterhalb
des Sammelabschnitts angeordnet sein und ein oberer Abschnitt des
Kohlenmonoxidreduzierungsabschnitts kann an dem Sammelabschnitt
angrenzen.
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Gemäß dieser
Konfiguration verdampft die Wärme des Kohlenmonoxidreduzierungsabschnitts das
Wasser des Sammelabschnitts, welcher an dem oberen Abschnitt des
Kohlenmonoxidreduzierungsabschnitts angrenzt, wodurch auf einfache
Weise Dampf erzeugt werden kann, weshalb die Wärmeübertragungseffizienz
verbessert wird. Darüber hinaus kann das in dem Sammelabschnitt
gesammelte Wasser auf einfache Weise die Temperatur des Kohlenmonoxidreduzierungsabschnitts
reduzieren, so dass die Einlasstemperatur des Kohlenmonoxidreduzierungsabschnitts
nahe der Temperatur gebracht werden kann, bei welcher eine Shift-Reaktion
auf wirksame Weise stattfindet, wodurch die Shift-Reaktionseffizienz
verbessert wird.
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Ein
zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Reformiervorrichtung
mit: einem Verdampfungsabschnitt, welcher zum Erzeugen von Dampf-Reformierwasser
aufheizt; einem Mischabschnitt, welcher einen Reformierbrennstoff
mit dem Dampf vermischt; einem Reformierabschnitt, der einen Reformierkatalysator
aufweist, dem der mit dem Dampf vermischte Reformierbrennstoff zugeführt
wird und der aus dem zugeführten Reformierbrennstoff Reformatgas
erzeugt, und der in Gravitationsrichtung an der Unterseite des Mischabschnitts
angeordnet ist; und einer Reformierbrennstoffzuführleitung,
mit einem Entschwefler zum Beseitigen eines Schwefelbestandteils
des Reformierbrennstoffs, welche den Reformierbrennstoff dem Mischabschnitt
zuführt. Bei dieser Reformiervorrichtung ist eine Reformierbrennstoffeinlassöffnung
der Reformierbrennstoffzuführleitung, welche zu dem Mischabschnitt
hin geöffnet ist, in Gravitationsrichtung oberhalb einer
Einlassöffnung der Dampfzuführleitung, welche
zu dem Mischabschnitt hin geöffnet ist, angeordnet.
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Diese
Konfiguration kann die Möglichkeit verringern, dass Reformierwasser über
die Reformierbrennstoffeinlassöffnung rückwärts
durch die Reformierbrennstoffzuführleitung fließt
und in den Entschwefler fließt, welcher in einem stromaufwärtigen
Abschnitt der Reformierbrennstoffzuführleitung angeordnet
ist. Infolge dessen kann die Möglichkeit einer Beschädigung
eines Entschwefelungsmaterials aufgrund des Wassers verringert werden,
wodurch die Zuverlässigkeit der Vorrichtung verbessert
wird. Da sich darüber hinaus der Freiheitsgrad für
das Anordnen des Entschweflers infolge des verringerten Risikos
einer Verschlechterung des Entschweflers erhöht, kann der
Entschwefler frei an einem Ort angeordnet werden, an welchem dieser
gut gewartet werden kann, wodurch die Vermarktbarkeit verbessert
wird.
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Ferner
ist eine Einlassöffnung für den zu der Dampfzuführleitung
geführten Dampf zu dem Mischabschnitt hin geöffnet,
welcher in Gravitationsrichtung an der unteren Seite des Reformierabschnitts
mit dem Reformierkatalysator angeordnet ist, und die Reformierbrennstoffeinlassöffnung
der Reformierbrennstoffzuführleitung, die zu dem Mischabschnitt
hin geöffnet ist, ist in der Gravitationsrichtung an der
Oberseite der Einlassöffnung der Dampfzuführleitung
angeordnet. Deshalb ist es unwahrscheinlich, dass Tropfwasser, welches
in der Reformierbrennstoffzuführleitung oder der Dampfzuführleitung
erzeugt wird, nach dem Betriebsende in den Reformierkatalysator
herunterfällt, und somit kann die Möglichkeit
einer Verschlechterung des Reformierkatalysators verringert werden,
weshalb die Zuverlässigkeit der Vorrichtung verbessert
wird.
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In
der Reformiervorrichtung gemäß diesem Aspekt kann
ein Sammelabschnitt, welcher mit dem Dampf mitgeführtes
Wasser und/oder aus dem Dampf kondensiertes Wasser sammelt, in Gravitationsrichtung
an der unteren Seite des Mischabschnitts vorgesehen sein.
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Gemäß dieser
Konfiguration fällt das mit dem Dampf mitgeführte
Wasser und/oder das aus dem Dampf kondensierte Wasser aufgrund der
Gravitation nach unten und sammelt sich im Mischabschnitt. Infolge
dessen fließt das Wasser in dem Sammelabschnitt von der
Einlassöffnung der Dampfzuführleitung, welche
zu dem Mischabschnitt hin geöffnet ist, der in Gravitationsrichtung
an der oberen Seite des Sammelabschnitts angeordnet ist, in die
Reformierbrennstoffeinlassöffnung der Reformierbrennstoffzuführleitung,
welche zu dem Mischabschnitt hin geöffnet ist, welcher
in der Gravitationsrichtung an der Oberseite angeordnet ist, so
dass verhindert werden kann, dass Wasser in den stromaufwärts
angeordneten Entschwefler fließt. Deshalb kann die Möglichkeit eines
Schadens an dem Entschwefelungsmaterial verringert werden, weshalb
die Zuverlässigkeit der Vorrichtung verbessert wird.
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Bei
der Reformiervorrichtung gemäß diesem Aspekt kann
die Reformierbrennstoffeinlassöffnung der Reformierbrennstoffzuführleitung,
welche zu dem Mischabschnitt hin geöffnet ist, in Gravitationsrichtung
oberhalb des Sammelabschnitts angeordnet sein.
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Diese
Konfiguration kann die Möglichkeit reduzieren, dass das
in dem Sammelabschnitt gesammelte Wasser über die Reformierbrennstoffeinlassöffnung
und den stromaufwärtigen Abschnitt der Reformierbrennstoffzuführleitung
zurück in den Entschwefler fließt. Somit kann
die Möglichkeit eines Schadens an dem Entschwefelungsmaterial
verringert werden, weshalb die Zuverlässigkeit der Vorrichtung
verbessert wird.
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Bei
der Reformiervorrichtung gemäß diesem Aspekt kann
ein Kohlenmonoxidreduzierungsabschnitt, welchem das Reformatgas
von dem Reformierabschnitt zugeführt wird, um Kohlenmonoxid
des Reformatgases zu reduzieren, in Gravitationsrichtung unterhalb
des Sammelabschnitts angeordnet sein und ein oberer Abschnitt des
Kohlenmonoxidreduzierungsabschnitts kann an dem Sammelabschnitt angrenzen.
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Gemäß dieser
Konfiguration verdampft die Wärme des Kohlenmonoxidreduzierungsabschnitts das
Wasser des Sammelabschnitts, der an dem oberen Abschnitt des Kohlenmonoxidreduzierungsabschnitts
angrenzt, wodurch auf einfache Weise der Dampf erzeugt und die Wärmeübertragungseffizienz verbessert
werden kann. Darüber hinaus kann das in dem Sammelabschnitt
gesammelte Wasser auf einfache Weise die Temperatur des Kohlenmonoxidreduzierungsabschnitts
verringern, so dass die Einlasstemperatur des Kohlenmonoxidreduzierungsabschnitts
nahe der Temperatur gebracht werden kann, bei welcher eine Shift-Reaktion
auf wirksame Weise stattfindet, wodurch die Shift-Reaktionseffizienz
verbessert wird.
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Ein
dritter Aspekt der Erfindung betrifft eine Reformiervorrichtung
mit: einem Verdampfungsabschnitt, der Reformierwasser zum Erzeugen
von Dampf erhitzt; einem Mischabschnitt, welchem ein Reformierbrennstoff
und der Dampf zugeführt wird und der anschließend
den Reformierbrennstoff und den Dampf vermischt; einem Reformierabschnitt,
der in Gravitationsrichtung an der Oberseite des Mischabschnitts
angeordnet ist und einen Reformierkatalysator aufweist, welchem
der mit dem Dampf vermischte Reformierbrennstoff zugeführt
wird und der aus dem mit dem Dampf vermischten Reformierbrennstoff
Reformatgas erzeugt; einem Entschwefler, der einen Schwefelbestandteil
des Reformierbrennstoffes beseitigt; und einem Verbindungspfad, welcher
den Entschwefler und den Mischabschnitt über eine Stelle
miteinander verbindet, welche in Gravitationsrichtung oberhalb einer
Stelle liegt, an der der Dampf dem Mischabschnitt zugeführt
wird. Bei dieser Reformiervorrichtung wird der Reformierbrennstoff,
von welchem der Schwefelbestandteil beseitigt wird, über
den Verbindungspfad dem Mischabschnitt zugeführt.
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Die
Reformiervorrichtung gemäß diesem Aspekt kann
ferner eine Dampfzuführleitung zum Zuführen des
durch den Verdampfungsabschnitt erzeugten Dampfs dem Mischabschnitt
aufweisen. Die Stelle, die oberhalb einer Stelle liegt, an welcher
der Dampf dem Mischabschnitt zugeführt wird, kann in Gravitationsrichtung einer
Stelle entsprechen, an der der Reformierbrennstoff dem Mischabschnitt
zugeführt wird.
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Bei
der Reformiervorrichtung gemäß diesem Aspekt kann
ein Sammelabschnitt zum Sammeln von Wasser in dem Mischabschnitt
in Gravitationsrichtung unterhalb einer Stelle, an der der Dampf
zugeführt wird, und einer Stelle, an der der Reformierbrennstoff
zugeführt wird, vorgesehen sein.
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Die
Reformiervorrichtung gemäß diesem Aspekt kann
ferner einen Kohlenmonoxidreduzierungsabschnitt aufweisen, welcher
in Gravitationsrichtung unterhalb des Sammelabschnitts angeordnet
ist, dessen oberer Abschnitt an dem Sammelabschnitt angrenzt und
dem das Reformatgas von dem Reformierabschnitt zugeführt
wird, um das Kohlenmonoxid des Reformatgases zu reduzieren.
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Die
Reformiervorrichtung gemäß dem ersten, zweiten
oder dritten Aspekt kann ferner einen Kühlabschnitt aufweisen,
welcher zwischen dem Reformierabschnitt und dem Kohlenmonoxidreduzierungsabschnitt
vorgesehen ist, das von dem Reformierabschnitt dem Kohlenmonoxidreduzierungsabschnitt
zugeführte Reformatgas kühlt und das Gasgemisch
aus Reformierbrennstoff und Dampf aufwärmt, welche in dem
Mischabschnitt vermischt werden und dem Reformierabschnitt zugeführt
werden. Der Mischabschnitt kann zwischen dem Kühlabschnitt
und dem Kohlenmonoxidreduzierungsabschnitt vorgesehen sein.
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Diese
Konfiguration kann eine einfache Konfiguration eines Systems bilden,
welches das Reformatgas von relativ hoher Temperatur verwendet,
um die Temperatur des Gasgemisches aus Reformierbrennstoff und Dampf,
welches dem Reformierabschnitt mit relativ hoher Reaktionstemperatur
zugeführt wird, zu erhöhen, und welches ferner
das Gasgemisch von relativ niedriger Temperatur, welches ein Gemisch
aus Reformierbrennstoff und Dampf ist, verwendet, um die Temperatur
des dem Kohlenmonoxidreduzierungsabschnitt mit einer relativ niedrigen Reaktionstemperatur
zugeführten Reformatgases zu reduzieren. Dadurch kann eine
Kostenreduktion erreicht werden.
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Ein
vierter Aspekt der Erfindung betrifft ein Reformierbrennstoffzuführverfahren
einer Reformiervorrichtung mit: einem Verdampfungsabschnitt, der zum
Erzeugen von Dampf Reformierwasser aufheizt; einem Mischabschnitt,
dem ein Reformierbrennstoff und der Dampf zugeführt wird
und der anschließend den Reformierbrennstoff und den Dampf
vermischt; einem Reformierabschnitt, der in einer Gravitationsrichtung
an der oberen Seite des Mischabschnitts angeordnet ist und einen
Reformierkatalysator aufweist, dem der mit dem Dampf vermischte
Reformierbrennstoff zugeführt wird und der aus dem mit
dem Dampf vermischten Reformierbrennstoff Reformatgas erzeugt; einem
Entschwefler, der einen Schwefelbestandteil des Reformierbrennstoffs
beseitigt. Das Reformierbrennstoffzuführverfahren weist
die Schritte auf: Verbinden des Entschweflers mit dem Mischabschnitt über
eine Stelle, die in Gravitationsrichtung oberhalb einer Stelle liegt,
an der der Dampf dem Mischabschnitt zugeführt wird; und
Zuführen des Reformierbrennstoffs, von welchem der Schwefelbestandteil
beseitigt worden ist, zu dem Mischabschnitt durch Verbinden des
Entschweflers mit dem Mischabschnitt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorangegangenen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der
Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen offensichtlich,
wobei gleiche Bezugszeichen für gleiche Elemente verwendet
werden. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung, die eine Übersicht eines Brennstoffzellensystems
gemäß einer ersten Ausführungsform der
Erfindung zeigt;
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2 eine
vergrößerte Querschnittsdarstellung eines in der 1 gezeigten
Abschnitts X;
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3 eine
schematische Darstellung, die eine Übersicht eines Brennstoffzellensystems
gemäß einer zweiten Ausführungsform der
Erfindung zeigt; und
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4 eine
vergrößerte Querschnittsansicht eines in der 3 gezeigten
Abschnitts Y.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Eine
erste Ausführungsform der Reformiervorrichtung der Erfindung
wird im Folgenden beschrieben. 1 ist eine
schematische Darstellung, die eine Übersicht eines Brennstoffzellensystems
mit dieser Reformiervorrichtung zeigt. Dieses Brennstoffzellensystem
weist eine Brennstoffzelle 10 und eine Reformiervorrichtung 20 auf,
welche ein von der Brennstoffzelle 10 benötigtes
und Wasserstoffgas enthaltendes Reformatgas erzeugt.
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Die
Brennstoffzelle 10 weist eine Brennstoffelektrode 11,
eine Luftelektrode 12, welche eine Oxidationselektrode
ist, und ein zwischen den Elektroden 11 und 12 liegendes
Elektrolyt 13 auf und erzeugt unter Verwendung von Luft
(Kathodenluft), welches ein der Brennstoffelektrode 11 zugeführtes
Reformatgas und ein der Luftelektrode 12 zugeführtes Oxidationsgas
ist, Elektrizität.
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Die
Reformiervorrichtung 20 dampfreformiert Reformierbrennstoff,
führt wasserstoffreiches Reformatgas der Brennstoffzelle 10 zu
und wird durch einen Reformierabschnitt 21, einen Kühlabschnitt 22, einen
Kohlenmonoxidreduzierungsabschnitt (im Folgenden als ”CO-Shift-Abschnitt” bezeichnet) 23,
einen selektiven Kohlenmonoxidoxidationsreaktionsabschnitt (im Folgenden
als ”CO-selektiver Oxidationsabschnitt” bezeichnet) 24,
einen Verbrennungsabschnitt 25 und einen Verdampfungsabschnitt 26 gebildet.
Als Reformierbrennstoff gibt es gasförmige Brennstoffe
wie z. B. Erdgas und Flüssiggas sowie flüssige
Reformierbrennstoffe wie z. B. Kerosin, Benzin und Methanol, wobei
in dieser Ausführungsform Erdgas beschrieben wird.
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Ein
Gasgemisch, welches durch Zugabe des Reformierbrennstoffs in den
Dampf, der durch Aufheizen des Reformierwassers in dem Verdampfungsabschnitt 26 erzeugt
wird, erhalten wird, wird dem Reformierabschnitt 21 zugeführt,
wodurch Reformatgas erzeugt und nach außen geleitet wird.
Dieser Reformierabschnitt 21 ist als ein mit einem Boden
versehener Zylinder ausgebildet und hat eine ringförmige
Rücklaufleitung 21a, welche sich entlang einer Achse
eines ringförmigen Zylinderabschnitts erstreckt.
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Die
Rücklaufleitung 21a des Reformierabschnitts 21 ist
mit einem Katalysator 21b (z. B. einem Ruthenium- oder
Nickelkatalysator) gefüllt. Das Gasgemisch aus dem Reformierbrennstoff
und dem Dampf, welcher von einer Dampfzuführleitung 51 eingespeist
wird, wird in dem Kühlabschnitt 22 aufgewärmt,
der Rückführleitung 21a zugeführt
und mit dem Katalysator 21b reagiert und reformiert, wodurch
Wasserstoffgas und Kohlenmonoxidgas erzeugt werden (so genannte
Dampfreformierreaktion). Gleichzeitig werden das Kohlenmonoxid und
der Dampf, welche durch die Dampfreformierreaktion erzeugt werden,
zu Wasserstoffgas und Kohlendioxid reagiert und umgewandelt, wodurch
eine so genannte Kohlenmonoxid-Shift-Reaktion erzeugt wird. Das erzeugte
Gas (so genanntes Reformatgas) wird zu dem Kühlabschnitt
(Wärmeaustauschabschnitt) 22 hinausgeleitet. Es
ist zu beachten, dass die Dampfreformierreaktion eine endotherme
Reaktion ist und dass die Kohlenmonoxid-Shift-Reaktion eine exotherme
Reaktion ist.
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Der
Kühlabschnitt 22, welcher zwischen dem Reformierabschnitt 21 und
dem CO-Shift-Abschnitt 23 angeordnet ist, ist ein Wärmetauscher
(Wärmeaustauschabschnitt), bei welchem ein Wärmeaustausch
zwischen dem durch den Reformierabschnitt 21 erzeugten
und ausgeleiteten Reformatgas und dem Gasgemisch aus dem Reformierbrennstoff
und dem Reformierwasser (Dampf) durchgeführt wird. Der
Kühlabschnitt 22 kühlt das Hochtemperaturreformatgas
mittels des Niedertemperaturgasgemisches und leitet dieses hinaus
zum CO-Shift-Abschnitt 23 und wärmt das Gasgemisch
mittels des Reformatgases und leitet dieses hinaus zum Reformierabschnitt 21.
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Ein
Mischabschnitt 92 ist zwischen dem Kühlabschnitt 22 und
dem CO-Shift-Abschnitt 23 angeordnet. Der Mischabschnitt 92 ist
mit einem Ende der Dampfzuführleitung 51, dessen
anderes Ende mit dem Verdampfungsabschnitt 26 verbunden
ist, verbunden. Das eine Ende der Dampfzuführleitung 51 ist
so geöffnet, dass Dampf und Wasser von dem Verdampfungsabschnitt 26 zu
dem Mischabschnitt 92 zugeführt werden. Der Mischabschnitt 92 ist
mit einem Ende einer Reformierbrennstoffverbindungsleitung 93 verbunden,
welche mit einer Reformierbrennstoffzuführleitung 41 verbunden
ist, deren ein Ende mit einer Brennstoffzuführquelle (z.
B. einer Stadtgasleitung) verbunden ist. Entsprechend ist eine Reformierbrennstoffeinlassöffnung 88 so
geöffnet, dass der Reformierbrennstoff hiervon zugeführt und
mit dem Dampf gemischt wird. Ein in Gravitationsrichtung unterer
Abschnitt des Mischabschnitts 92 ist mit einem Sammelabschnitt 91 zum
Sammeln des Wassers, welches zusammen mit dem Dampf von dem Verdampfungsabschnitt 26 über
die Dampfzuführleitung 51 zugeführt wird,
versehen. Die Höhe des Sammelabschnitts 91 wird
festgelegt, indem die maximal zu sammelnde Wassermenge unter Verwendung
von Testdaten ermittelt wird, und anschließend wird ein
Volumen, das die auf der Grundlage der Daten ermittelte maximale
Menge sammeln kann, ermittelt. Der Sammelabschnitt 91 springt
von einem Bodenabschnitt des Mischabschnitts 92 in Gravitationsrichtung
nach unten hervor, wobei der Mischabschnitt 92 in Gravitationsrichtung
an der unteren Seite des Reformierabschnitts 21 mit dem
Reformierkatalysator angeordnet ist. Wie in der 2 gezeigt,
ist in der Mitte zwischen dem Mischabschnitt 92 und dem
Sammelabschnitt 91 ein Raum 98 vorgesehen, welcher
in Gravitationsrichtung vertikal eindringt, so dass das in dem Reformierabschnitt 21 erzeugte
Reformatgas zu dem CO-Shift-Abschnitt 23 hinausgeleitet
wird. Ein oberer Abschnitt des ringförmigen Raums, der
ringförmig um einen Randabschnitt des in Gravitationsrichtung
eindringenden Raums 98 ausgebildet ist, bildet den Mischabschnitt 92,
während ein unterer Abschnitt den Sammelabschnitt 91 bildet
und an dem CO-Shift-Abschnitt 23 angrenzt.
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Die
Verbindungsposition zwischen der Dampfzuführleitung 51 und
dem Mischabschnitt ist so ausgebildet, dass in Gravitationsrichtung
ein unteres Ende eines Öffnungsabschnitts der Dampfzuführleitung 51,
welche zum Mischabschnitt 92 hin geöffnet ist,
oberhalb eines oberen Endes (zweipunktierte Linie) 97 des
Sammelabschnitts 91 angeordnet ist. Die Verbindungsposition
zwischen der Reformierbrennstoffverbindungsleitung 93 und
dem Mischabschnitt 92 ist im Wesentlichen auf derselben
Höhe wie die Dampfzuführleitung 51 ausgebildet,
so dass ein unteres Ende der Reformierbrennstoffeinlassöffnung 88 der
Reformierbrennstoffverbindungsleitung 93, welche zu dem
Mischabschnitt 92 hin geöffnet ist, in Gravitationsrichtung
oberhalb des oberen Endes (zweipunktierte Linie) 97 des
Sammelabschnitts 91 angeordnet ist (2). Anschließend
wird das Gasgemisch aus dem Dampf und dem Reformierbrennstoff, welches
in dem Mischabschnitt 92 erzielt wird, über den
Kühlabschnitt 22 dem Reformierabschnitt 21 zugeführt.
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Die
Reformierbrennstoffverbindungsleitung 93 erstreckt sich
horizontal um eine vorbestimmte Strecke von der Verbindung mit dem
Mischabschnitt 92 in eine Richtung, in welche sich die
Reformierbrennstoffverbindungsleitung 93 von der Mittelachse des
Kühlabschnitts 22 entfernt. Die Reformierbrennstoffverbindungsleitung 93 ist
dann rechtwinklig in Gravitationsrichtung nach oben gebogen und
erstreckt sich um eine vorbestimmte Strecke, um sich in Gravitationsrichtung
an der Oberseite einem Verbindungsabschnitt 94 zu öffnen.
Die Reformierbrennstoffzuführleitung 41 ist mit
einem Öffnungsabschnitt des Verbindungsabschnitts 94 verbunden.
Dabei ist der Verbindungsabschnitt 94 in Gravitationsrichtung oberhalb
des Mischabschnitts 92 angeordnet. Die Reformierbrennstoffverbindungsleitung 93 kann noch
mal in horizontaler Richtung gebogen sein und mit der Reformierbrennstoffzuführleitung 41 verbunden
sein, wobei sich der Verbindungsabschnitt 94 in horizontaler
Richtung öffnet. Die Reformierbrennstoffverbindungsleitung 93 und
die Reformierbrennstoffzuführleitung 41 sind so
verbunden, dass durch nicht gezeigte vorbestimmte Mittel am Verbindungsabschnitt 94 ein
Austritt des Reformierbrennstoffs verhindert wird. Der stromaufwärtige
Abschnitt der Reformierbrennstoffzuführleitung 41 ist
mit einem Entschwefler 46 zum Beseitigen eines Schwefelbestandteils
innerhalb des Brennstoffs (z. B. einer Schwefelverbindung) versehen.
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Der
CO-Shift-Abschnitt 23 reduziert das Kohlenmonoxid, das
in dem Reformatgas enthalten ist, welches durch den Kühlabschnitt 22 gekühlt
wird und über den zentralen Raum 98 zwischen dem Mischabschnitt 92 und
dem Sammelabschnitt 91 von dem Reformierabschnitt 21 zugeführt
wird. Das Innere des CO-Shift-Abschnitts 23 hat in Gravitationsrichtung
eine Rücklaufleitung 23a, welche sich in vertikaler
Richtung erstreckt. Die Rücklaufleitung 23a ist
mit einem Katalysator 23b (z. B. einem Kupfer-Zink-Katalysator)
gefüllt. In dem CO-Shift-Abschnitt 23 werden das
Kohlenmonoxid und der Dampf, welche in dem Reformatgas enthalten
sind, welches von dem Kühlabschnitt 22 eingespeist
wird, durch den Katalysator 23b zu Wasserstoffgas und Kohlendioxid reagiert
und umgewandelt, wodurch eine so genannte Kohlenmonoxid-Shift-Reaktion
erzeugt wird. Die Kohlenmonoxid-Shift-Reaktion ist eine exotherme Reaktion.
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Der
CO-selektive Oxidationsabschnitt 24 reduziert ferner das
Kohlenmonoxid innerhalb des Reformatgases, welches über
eine Verbindungsleitung 98 von dem CO-Shift-Abschnitt 23 zugeführt
wird, und führt das reduzierte Kohlenmonoxid anschließend
der Brennstoffzelle 10 zu. Der CO-selektive Oxidationsabschnitt 24 ist
als Zylinder ausgebildet und grenzt an dem Verdampfungsabschnitt 26 so
an, dass er dessen Außenwand bedeckt. Der CO-selektive
Oxidationsabschnitt 24 ist mit einem Katalysator 24a (z.
B. einem Ruthenium- oder Platinkatalysator) gefüllt. Das
dem CO-selektiven Oxidationsabschnitt 24 zugeführte
Reformatgas wird mit Oxidationsluft gemischt. Die Oxidationsluft
wird mit dem von dem CO-Shift-Abschnitt 23 zugeführten
Reformatgas gemischt und das so erhaltene Gemisch wird dem CO-selektiven
Oxidationsabschnitt 24 zugeführt.
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Deshalb
reagiert das Kohlenmonoxid des dem CO-selektiven Oxidationsabschnitt 24 zugeführten
Reformatgases mit dem Sauerstoff innerhalb der Oxidationsluft (oxidiert)
und wandelt sich in Kohlendioxid um. Diese Reaktion ist eine exotherme
Reaktion, die durch den Katalysator 24a erleichtert wird. Somit
wird das Reformatgas, nachdem die Konzentration des Kohlenmonoxids
innerhalb des Reformatgases durch die Reaktion reduziert worden
ist (10 ppm oder niedriger) nach außen geleitet und anschließend
der Brennstoffelektrode 11 der Brennstoffzelle 10 zugeführt.
Der Verbrennungsabschnitt 25 ist über eine Abgaszuführleitung 72 mit
einer Führungsöffnung der Brennstoffelektrode 11 verbunden. Eine
Bypassleitung 73 umgeht die Brennstoffzelle 10 und
verbindet die Reformatgaszuführleitung 71 direkt mit
der Abgaszuführleitung 72. Ferner ist eine Kathodenluftzuführleitung
mit einer Einspeisöffnung der Luftelektrode 12 der
Brennstoffzelle 10 verbunden und eine Auslassleitung mit
einer Führungsöffnung der Luftelektrode 12 verbunden.
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Der
Verbrennungsabschnitt 25 erzeugt ein Verbrennungsgas zum
Aufwärmen des Reformierabschnitts 21 und zum Zuführen
einer für die Dampfreformierreaktion benötigten
Wärme. Ein unterer Endabschnitt des Verbrennungsabschnitts 25 wird
in eine Innenumfangswand des Reformierabschnitts 21 eingesetzt.
Das Verbrennungsgas strömt durch eine Verbrennungsgasleitung 27 und
wird durch die Auslassleitung als ein Verbrennungsabgas ausgegeben. Deshalb
erwärmt das Verbrennungsgas zunächst den Reformierabschnitt 21 und
dann den Verdampfungsabschnitt 26. Die Verbrennungsgasleitung 27 ist
entlang der Innenumfangswand des Reformierabschnitts 21 gebildet
und umgeklappt, um zwischen eine Außenumfangswand des Reformierabschnitts 21 und
eine Innenumfangswand eines Wärmeisolierabschnitts 28 zu
kommen. Die Verbrennungsgasleitung 27 ist anschließend
noch mal umgeklappt, um zwischen eine Außenumfangswand
des Wärmeisolierabschnitts 28 und eine Innenumfangswand
des Verdampfungsabschnitts 26 zu kommen.
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Dieser
Verbrennungsabschnitt 25 wird mit Verbrennungsbrennstoff
versorgt. Der Verbrennungsabschnitt 25 wird nach dem Betriebsbeginn
der Brennstoffzelle 10 ferner mit dem Reformatgas von der
Reformiervorrichtung 20 versorgt und mit einem Anodenabgas
(einem Wasserstoff enthaltendes Reformatgas, welches nicht in der
Brennstoffelektrode 11 verwendet wird oder unreformierter
Brennstoff, der durch den Reformierabschnitt reformiert werden muss)
versorgt, welches während des stetigen Betriebs der Brennstoffzelle 10 von
der Brennstoffzelle 10 abgegeben wird. Dem Verbrennungsabschnitt 25 wird
ferner Verbrennungsluft zugeführt, welche ein Verbrennungsoxidationsgas
zum Verbrennen des Verbrennungsbrennstoffs, des Reformatgases oder des
Anodenabgases ist. Wenn der Verbrennungsabschnitt 25 gezündet
wird, wird der dem Verbrennungsabschnitt 25 zugeführte
Verbrennungsbrennstoff, Reformatgas oder Anodenabgas verbrannt und folglich
ein Hochtemperaturverbrennungsgas erzeugt.
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Wenn
die durch das Reformatgas oder Anodenabgas erzeugte Verbrennungswärmemenge nicht
ausreicht, um den Reformierabschnitt auf eine vorbestimmte Temperatur
während des Erzeugungsbetriebs aufzuwärmen, wird
darüber hinaus die Verbrennungswärme zusätzlich
in einer Menge zugeführt, welche der Verbrennungswärmefehlmenge entspricht,
um diese Fehlmenge auszugleichen. Das System zum Ausgleichen der
Wärmefehlmenge nicht nur mit Anodenabgas, sondern auch
mit dem Verbrennungsbrennstoff in dem Verbrennungsabschnitt 25,
wie oben beschrieben, wird als ”Aufwärmsystem” beschrieben.
Es ist zu beachten, dass das Brennstoffzellensystem nicht nur dieses
Aufwärmsystem, sondern auch ein Nichtaufwärmsystem
zum lediglichen Zuführen des Anodenabgases zu dem Verbrennungsabschnitt 25 während
des Erzeugungsbetriebs aufweist, ohne zusätzlich den Verbrennungsbrennstoff
oder andere brennbare Gase wie in dem Aufwärmsystem zuzuführen.
Diese Erfindung kann sowohl bei dem Aufwärmsystem als auch
bei dem Nichtaufwärmsystem angewandt werden.
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Der
als Zylinder ausgebildete Verdampfungsabschnitt 26 bildet
eine Außenumfangswand der Verbrennungsgasleitung 27 und
die Dampfzuführleitung 51 ist mit einem oberen
Abschnitt des Verdampfungsabschnitts 26 verbunden. Das
von einem Reformierwassertank zugeführte Reformierwasser wird
durch die von dem Verbrennungsgas erzeugte Wärme und die
durch den CO-selektiven Oxidationsabschnitt 24 erzeugte
Wärme aufgewärmt, während es innerhalb
des Verdampfungsabschnitts 26 zirkuliert. Infolge dessen
wandelt sich das Reformierwasser in Dampf um und wird über
die Dampfzuführleitung 51 und den Kühlabschnitt 22 zu
dem Reformierabschnitt 21 geleitet.
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Als
nächstes wird der Betrieb des Brennstoffzellensystems beschrieben.
Sobald der Betrieb gestartet worden ist, werden Verbrennungsluft
und Verbrennungsbrennstoff dem Verbrennungsabschnitt 25 aufgrund
einer Anweisung von einer Steuervorrichtung zugeführt und
anschließend verbrannt. Nachdem eine vorbestimmte Wassermenge
dem Verdampfungsabschnitt 26 zugeführt worden
ist, wird die Wasserzufuhr zunächst gestoppt. Wenn die
Temperatur des Verdampfungsabschnitts 26 gleich oder höher
als ein vorbestimmter Wert (z. B. 100°C) wird, wird bestimmt,
dass Dampf erzeugt wird, und es wird wieder eine vorbestimmte Wassermenge
dem Verdampfungsabschnitt 26 zugeführt. Das dem
Verdampfungsabschnitt 26 zugeführte Reformierwasser wird
so zugeführt, dass sich ein oberes Ende einer Wasseroberfläche
unterhalb der Verbindung des Dampfzuführleitung 51,
welcher mit dem oberen Abschnitt des Verdampfungsabschnitts 26 verbunden ist,
befindet, wodurch ein an einer Reformierwasseroberfläche
erzeugter Dampf erzeugt wird. Der durch den Verdampfungsabschnitt 26 erzeugte Dampf
wird zusammen mit durch einen Siedevorgang vereinzeltem Wasser zu
der Dampfzuführleitung 51 geführt und
anschließend dem Mischabschnitt 92 zugeführt,
welcher sich in Gravitationsrichtung unterhalb des Kühlabschnitts 22 befindet.
Infolge dessen wird Wasser in dem Sammelabschnitt 91 gesammelt.
Hierbei funktioniert der Sammelabschnitt 91 als der Verdampfungsabschnitt
und das Reformierwasser verdampft ebenso von der Oberfläche des
in dem Sammelabschnitt 91 gesammelten Wassers und wird
zu dem Kühlabschnitt geleitet. Dabei befinden sich in Gravitationsrichtung
untere Enden der Öffnungsabschnitte der Dampfzuführleitung 51 und
der Reformierbrennstoffverbindungsleitung 93, welche zu
dem Mischabschnitt 92 hin geöffnet sind, oberhalb
des oberen Endes 97 des Sammelabschnitts 91. Deshalb
ist die Wahrscheinlichkeit, dass Reformierwasser zurück
in die Dampfzuführleitung 51 oder in die Reformierbrennstoffverbindungsleitung 93 fließt,
gering. Wenn irgendwie das Reformierwasser in die Reformierbrennstoffverbindungsleitung 93 fließt,
erstreckt sich die Reformierbrennstoffverbindungsleitung 93 horizontal
um eine vorbestimmte Strecke von der Verbindung mit dem Mischabschnitt 92 in
eine Richtung, in welche sich die Reformierbrennstoffverbindungsleitung 93 von
der Mittelachse des Kühlabschnitts 22 entfernt.
Der Reformierbrennstoffverbindungsabschnitt 93 ist anschließend
rechtwinklig nach oben gebogen und erstreckt sich um eine vorbestimmte
Strecke, um sich in Gravitationsrichtung an der oberen Seite des
Mischabschnitts 92 dem Verbindungsabschnitt 94 zu öffnen.
Der Öffnungsabschnitt des Verbindungsabschnitts 94 ist
mit der Reformierbrennstoffzuführleitung 41 verbunden. Deshalb
kann die Möglichkeit, dass Reformierwasser in die Reformierbrennstoffzuführleitung 41 und
anschließend in den in dem stromaufwärtigen Abschnitt der
Reformierbrennstoffzuführleitung 41 vorgesehenen
Entschwefler 46 fließt, verringert werden.
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Wenn
sich anschließend die Temperatur des Reformierabschnitts 21 auf
eine vorbestimmte Temperatur erhöht, wird der Reformierbrennstoff
dem Mischabschnitt 92 über die Reformierbrennstoffzuführleitung 41 und
der Reformierbrennstoffverbindungsleitung 93 zugeführt
und mit dem Dampf vermischt. Das Gasgemisch aus dem Reformierbrennstoff
und dem Dampf wird durch den Kühlabschnitt 22 aufgewärmt
und anschließend dem Reformierabschnitt 21 zugeführt.
Daraufhin finden die oben erwähnte Dampfreformierreaktion
und die Kohlenmonoxid-Shift-Reaktion statt, wodurch das Reformatgas erzeugt
wird. Das aus dem Reformierabschnitt 21 geleitete Hochtemperaturreformatgas
wird über den Kühlabschnitt 22 dem CO-Shift-Abschnitt 23 zugeführt
und die Konzentration des in dem Reformatgas enthaltenen Kohlenmonoxids
wird reduziert. Das Reformatgas passiert ferner den CO-Shift-Abschnitt 23 und
wird, nachdem die Konzentration des Kohlenmonoxids des Reformatgases
in dem CO-selektiven Oxidationsabschnitt 24 durch die Oxidationsluft
reduziert worden ist, welche dem CO-selektiven Oxidationsabschnitt 24 zugeführt
wird, herausgeführt, und zwar gleichzeitig mit dem Beginn
der Zufuhr des Reformierbrennstoffes.
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Zwischen
dem Start des Brennstoffzellensystems und dem Start der Erzeugung
elektrischen Stroms wird verhindert, dass das Reformatgas mit hoher
Konzentration an Kohlenmonoxid der Brennstoffzelle 10 zugeführt
wird und somit wird das Reformatgas durch die Bypassleitung 73 dem
Verbrennungsabschnitt 25 zugeführt, ohne dabei
die Brennstoffzelle 10 zu passieren. Nach dem Betrieb und dem
Start der Erzeugung von elektrischem Strom wird die Bypassleitung 73 geschlossen
und die Reformatgaszuführleitung 71, die Brennstoffzelle 10, die
Abgaszuführleitung 72 und der Verbrennungsabschnitt 25 miteinander
verbunden. Dabei wird der Brennstoffzelle das Reformatgas von der
Reformiervorrichtung 20 zugeführt und das Anodenabgas über die
Abgaszuführleitung 72 dem Verbrennungsabschnitt 25 zugeführt.
Ferner wird der Luftelektrode 12 der Brennstoffzelle 10 die
Luft von der Kathodenluftzuführleitung zugeführt.
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Wie
aus der obigen Beschreibung ersichtlich ist, erstreckt sich in der
ersten Ausführungsform die Reformierbrennverbindungsleitung 93 horizontal
um eine vorbestimmte Strecke von der Verbindung mit dem Mischabschnitt 92 in
eine Richtung, in welche die Reformierbrennstoffverbindungsleitung 93 sich von
der Mittelachse des Kühlabschnitts 22 trennt.
Die Reformierbrennstoffverbindungsleitung 93 ist anschließend
rechtwinklig in Gravitationsrichtung nach oben gebogen und erstreckt
sich um eine vorbestimmte Strecke, um sich oberhalb des Mischabschnitts 92 dem
Verbindungsabschnitt 94 zu öffnen. Dann ist die
Reformierbrennstoffzuführleitung 41 mit einem Öffnungsabschnitt
des Verbindungsabschnitts 94 verbunden. Deshalb kann die
Möglichkeit, dass das Reformierwasser in die Reformierbrennstoffzuführleitung 41 fließt
und anschließend in den in dem stromaufwärtigen
Abschnitt der Reformierbrennstoffzuführleitung 41 vorgesehenen
Entschwefler 46 fließt, wodurch das Entschwefelungsmaterial
beschädigt wird, reduziert werden, wodurch die Zuverlässigkeit
der Vorrichtung verbessert wird.
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Da
die Möglichkeit, dass das Reformierwasser in den in dem
stromaufwärtigen Abschnitt der Reformierbrennstoffzuführleitung 41 vorgesehenen
Entschwefler 46 fließt und dabei Schaden verursacht, gering
ist, erhöht sich der Freiheitsgrad zum Anordnen des Entschweflers 46.
Deshalb kann der Entschwefler 46 frei an einer Stelle angeordnet
werden, an der er gut gewartet werden kann, wodurch sich die Vermarktbarkeit
verbessert.
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Darüber
hinaus ist in der ersten Ausführungsform der mit dem Reformierkatalysator
versehene Reformierabschnitt 21 in Gravitationsrichtung oberhalb
des Mischabschnitts 92 zum Mischen des Reformierbrennstoffs
und des Dampfs angeordnet. Deshalb kann die Möglichkeit,
dass Tropfwasser, welches in der Dampfzuführleitung 51 oder
der Reformierbrennstoffverbindungsleitung 93 erzeugt wird,
in den Reformierabschnitt 21 und den Reformierkatalysator
fließt, nachdem der Betrieb gestoppt wird, reduziert werden
und somit wird ebenfalls die Möglichkeit einer Verschlechterung
des Reformierkatalysators verringert und die Zuverlässigkeit
der Vorrichtung verbessert.
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Bei
der ersten Ausführungsform ist der Kohlenmonoxidreduzierungsabschnitt 23,
welchem das Reformatgas von dem Reformierabschnitt 21 zugeführt
wird und der das in dem Reformatgas enthaltene Kohlenmonoxid reduziert,
in Gravitationsrichtung unterhalb des Sammelabschnitts 91 angeordnet
und der obere Abschnitt des Kohlenmonoxidreduzierungsabschnitts 23 grenzt
an dem Sammelabschnitt an. Daher wird das Wasser des Sammelabschnitts 91,
welcher an dem oberen Abschnitt des Kohlenmonoxidreduzierungsabschnitts 23 angrenzt,
durch die Wärme des Kohlenmonoxidreduzierungsabschnitts 23 verdampft,
wodurch auf einfache Weise Dampf erzeugt wird. Infolge dessen wird
die Wärmeübertragungseffizienz verbessert. Darüber
hinaus kann das in dem Sammelabschnitt 91 gesammelte Wasser
die Temperatur des Kohlenmonoxidreduzierungsabschnitts 23 auf
einfache Weise reduzieren, so dass die Einlasstemperatur des Kohlenmonoxidreduzierungsabschnitt 23nahe
der Temperatur gebracht werden kann, bei welcher auf effiziente
Weise eine Shift-Reaktion stattfindet, wodurch die Shift-Reaktionseffizienz
verbessert wird.
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Darüber
hinaus ist der Kühlabschnitt 22, welcher das von
dem Reformierabschnitt 21 zu dem Kohlenmonoxidreduzierungsabschnitt 23 Reformatgas
kühlt und das durch den Mischabschnitt 92 gemischte
und dem Reformierabschnitt 21 zugeführte Gasgemisch
aus Reformierbrennstoff und Dampf aufwärmt, zwischen dem
Reformierabschnitt 21 und dem Kohlenmonoxidreduzierungsabschnitt 23 vorgesehen.
Der Mischabschnitt 92 ist zwischen dem Kühlabschnitt 22 und
dem Kohlenmonoxidreduzierungsabschnitt 23 vorgesehen. Deshalb
kann diese Ausführungsform einen einfachen Aufbau eines
Systems bilden, welcher das Reformatgas von relativ hoher Temperatur
zur Temperaturerhöhung des Gasgemisches aus dem Reformierbrennstoff
und dem Gas, welches den Reformierabschnitt 21 verwendet,
der eine relativ hohe Reaktionstemperatur (z. B. 400 bis 900°C)
hat, und das Gasgemisch von relativ niedriger Temperatur aus einem
Gemisch aus dem Reformierbrennstoff und dem Dampf zur Temperaturabsenkung
des Reformatgases verwendet, das dem Kohlenmonoxidreduzierungsabschnitt 23 zugeführt
wird, der eine relativ niedrige Reaktionstemperatur (z. B. 150 bis
250°C oder vorzugsweise 170 bis 220°C) hat. Infolge
dessen kann eine Kostenreduzierung erreicht werden.
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Als
nächstes wird eine zweite Ausführungsform der
Reformiervorrichtung gemäß der Erfindung beschrieben.
Die zweite Ausführungsform ist teilweise von der ersten
Ausführungsform verschieden. Deshalb wird lediglich der
Unterschied beschrieben und ähnliche Bezugszeichen werden
zur Bezeichnung gleicher Teile verwendet, um so eine überlappende
detaillierte Beschreibung beiseite zu lassen.
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Wie
in den 3 und 4 gezeigt, ist in der zweiten
Ausführungsform der Erfindung ein Mischabschnitt 96 zwischen
dem Kühlabschnitt 22 und dem CO-Shift-Abschnitt 23 ausgebildet.
Der Mischabschnitt 96 wird durch eine erste Mischkammer 96a,
die in Gravitationsrichtung an der unteren Seite angeordnet ist,
und eine zweite Mischkammer 96b, welche an einem oberen
Ende (zweipunktierte Linie) 36 der ersten Mischkammer 96a angeordnet ist,
gebildet. Die Dampfzuführleitung 51, die mit dem Verdampfungsabschnitt 26 verbunden
ist, ist mit der ersten Mischkammer 96averbunden und zu
dieser so geöffnet, dass von dem Verdampfungsabschnitt 26 der
Dampf und das Wasser zugeführt werden. Eine Reformierbrennstoffzuführleitung 42,
die mit der Brennstoffzuführquelle (z. B. einer Stadtgasleitung) verbunden
ist, ist direkt mit der zweiten Mischkammer 96b verbunden,
ohne die Reformierbrennstoffverbindungsleitung 93 zu verwenden,
und die Reformierbrennstoffeinlassöffnung 95 öffnet
sich zu der zweiten Mischkammer 96b. Der Reformierbrennstoff wird
von der Reformierbrennstoffeinlassöffnung 95 zugeführt
und mit dem Dampf in dem Mischabschnitt 96 vermischt. Ein
in Gravitationsrichtung unterer Abschnitt des Mischabschnitts 96 ist
mit dem Sammelabschnitt 91 versehen, um das Wasser, welches
zusammen mit dem Dampf von dem Verdampfungsabschnitt 26 über
die Dampfzuführleitung 51 zugeführt wird,
zu sammeln. Wie in der ersten Ausführungsform wird die
Höhe des Sammelabschnitts 91 eingestellt, indem
die maximal zu sammelnde Wassermenge durch Verwendung von Testdaten
ermittelt wird und anschließend ein Volumen ermittelt wird,
welches die auf der Basis der Daten ermittelten maximale Menge sammeln
kann. Der Sammelabschnitt 91 springt von einem Bodenabschnitt
der Mischkammer 96a des Mischabschnitts 96 in
Gravitationsrichtung nach unten vor, wobei der Mischabschnitt 96 in
Gravitationsrichtung an der unteren Seite des Reformierabschnitts 21 mit
dem Reformierkatalysator angeordnet ist. Wie in der 4 gezeigt,
ist ein vertikal eindringender Raum 99 in der Mitte zwischen
dem Mischabschnitt 96 und dem Sammelabschnitt 91 vorgesehen,
so dass das in dem Reformierabschnitt 21 erzeugte Reformatgas
zu dem CO-Shift-Abschnitt 23 hinausgeleitet wird. Ein oberer
Abschnitt eines ringförmigen Raums, welcher ringförmig
um einen Randabschnitt des eindringenden Raums 99 ausgebildet
ist, bildet die Mischkammern 96a und 96b des Mischabschnitts 96,
während in Gravitationsrichtung ein unterer Abschnitt den
Sammelabschnitt 91 bildet und an den CO-Shift-Abschnitt 23 angrenzt.
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Die
Verbindungsposition zwischen der Dampfzuführleitung 51 und
der Mischkammer 96a des Mischabschnitts 96 ist
so ausgebildet, dass in Gravitationsrichtung ein unteres Ende eines Öffnungsabschnitts
der Dampfzuführleitung 51, welche zu der Mischkammer 96a geöffnet
ist, oberhalb des oberen Endes (zweipunktierte Linie) 97 des
Sammelabschnitts 91 angeordnet ist. Die Reformierbrennstoffeinlassöffnung 95,
welche durch Öffnen der Reformierbrennstoffzuführleitung 42 zu
der Mischkammer 96b des Mischabschnitts 96 erzielt
wird, ist so verbunden, dass sie oberhalb des Öffnungsabschnitts
der Dampfzuführleitung 51 angeordnet ist, welche
sich zu der Mischkammer 96a öffnet (4). Anschließend
wird das Gasgemisch aus dem Dampf und dem Reformierbrennstoff, welches
in dem Mischabschnitt 96 (den Mischkammern 96a und 96b) erzielt
wird, über den Kühlabschnitt 22 dem Reformierabschnitt 21 zugeführt.
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Da
aus der obigen Beschreibung der zweiten Ausführungsform
klar ist, dass die Reformierbrennstoffeinlassöffnung 95,
welche durch Öffnen der Reformierbrennstoffzuführleitung 42 zu
der Mischkammer 96b erzielt wird, oberhalb einer Zuführöffnung der
Dampfzuführleitung 51, die zu der Mischkammer 96a geöffnet
ist, angeordnet ist, ist die Möglichkeit, dass das Reformierwasser über
die Reformierbrenneinlassöffnung 95 in die Reformierbrennstoffzuführleitung 42 fließt,
gering. Deshalb ist ungeachtet dessen, wie ein stromaufwärtiger
Abschnitt der Reformierbrennstoffeinlassöffnung 95,
oder anders gesagt der Reformierbrennstoffzuführleitung 42 angeordnet ist,
die Möglichkeit, dass das Reformierwasser zurück
zu der Reformierbrennstoffzuführleitung 42 fließt,
gering. Somit kann die Möglichkeit, dass Reformierwasser
in den in dem stromaufwärtigen Abschnitt der Reformierbrennstoffzuführleitung 42 vorgesehenen
Entschwefler 47 fließt und das Entschwefelungsmaterial
beschädigt oder den Entschwefler 47 verschlechtert,
verringert werden, wodurch die Zuverlässigkeit der Vorrichtung
verbessert wird.
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Wie
oben beschrieben, ist die Möglichkeit, dass das Reformierwasser
in den Entschwefler 47 der Reformierbrennstoffzuführleitung 42 fließt
und Schaden verursacht, gering. Deshalb kann das Risiko einer durch
das Wasser verursachten Verschlechterung abgesenkt und der Freiheitsgrad
für das Anordnen des Entschweflers 47 erhöht
werden. Deshalb kann der Entschwefler 47 frei an einer
Stelle angeordnet werden, an welcher er gut gewartet werden kann,
wodurch sich die Vermarktbarkeit verbessert.
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Darüber
hinaus sind in der zweiten Ausführungsform die Zuführöffnung
zum Zuführen des Dampfs und die Reformierbrennstoffeinlassöffnung 95 in
Gravitationsrichtung unterhalb des Reformierabschnitts 21,
der mit den Reformierkatalysatoren versehen ist, angeordnet. Deshalb
kann die Möglichkeit, dass Tropfwasser, welches in der
Dampfzuführleitung 51 oder der Reformierbrennstoffzuführleitung 42 erzeugt
wird, in den Reformierabschnitt 21 und den Reformierkatalysator
fließt und den Reformierkatalysator verschlechtert, nachdem
der Betrieb gestoppt wird, verringert werden, wodurch die Zuverlässigkeit
der Vorrichtung verbessert wird. Dieselben Effekte wie bei der ersten
Ausführungsform können auch in anderen Konfigurationen
dieser Ausführungsform erwartet werden.
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Oben
wurden Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Jedoch
ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt
und es sollte beachtet werden, dass verschiedene Modifikationen durchgeführt
werden können, ohne dabei von dem Schutzbereich der Erfindung
abzuweichen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Eine
Reformiervorrichtung (20) weist auf: einen Verdampfungsabschnitt
(26), der Reformierwasser aufheizt, um Dampf zu erzeugen;
einen Reformierabschnitt (21) mit einem Reformierkatalysator, dem
ein Gemisch aus dem durch den Verdampfungsabschnitt (26)
erzeugten Dampf und einem Reformierbrennstoff zugeführt
wird und der Reformatgas erzeugt; einen Mischabschnitt (92),
der in Gravitationsrichtung an der unteren Seite des Reformierabschnitts
(21) angeordnet ist und den Reformierbrennstoff mit dem
Dampf vermischt; eine Reformierbrennstoffzuführleitung
(41) mit einem Entschwefler (46) zum Beseitigen
eines Schwefelbestandteils aus dem Reformierbrennstoff; und eine
Reformierbrennstoffverbindungsleitung (93), die an einem
Ende mit der Reformierbrennstoffzuführleitung (41)
verbunden ist und an dem anderen Ende zu dem Mischabschnitt (92)
geöffnet ist. Ein Verbindungsabschnitt zwischen der Reformierbrennstoffzuführleitung
(41) und der Reformierbrennstoffverbindungsleitung (93)
ist in Gravitationsrichtung oberhalb des Mischabschnitts (92)
angeordnet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2004-171892
A [0002]
