DE60207912T2 - Temperatur- und Umsatzkontrollsystem für Brennstoffreformer - Google Patents

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Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die Erfindung betrifft Energieumwandlungsvorrichtungen und bezieht sich insbesondere auf Kraftstoff-Reformersysteme für Energieumwandlungsvorrichtungen.
  • HINTERGRUND
  • Alternative Transportkraftstoffe wurden als Möglichkeiten dargestellt, um toxische Emissionen im Vergleich mit jenen, die durch herkömmliche Kraftstoffe erzeugt werden, verringern. Gleichzeitig haben schärfere Abgasvorschriften und beträchtliche Innovationen in Katalysatorformulierungen und Motorsteuerungen zu dramatischen Verbesserungen im Hinblick auf das geringe Emissionsverhalten und die Robustheit von Benzin- und Dieselmotorsystemen geführt. Dies hat bestimmt den umweltrelevanten Unterschied zwischen Fahrzeugsystemen mit optimierten herkömmlichen und alternativen Kraftstoffen verringert. Es bleiben jedoch viele technische Herausforderungen, um den herkömmlich betriebenen Verbrennungsmotor zu einem System mit beinahe null Emission zu machen und dabei den Wirkungsgrad zu erhalten, der für ein wirtschaftlich praktikables Fahrzeug erforderlich ist.
  • Alternative Kraftstoffe decken ein weites Spektrum potentieller umweltrelevanter Vorteile ab, das von allmählichen Verbesserungen hinsichtlich toxischer und Kohlenstoffdioxid(CO2)-Emissionen (neu formuliertes Benzin, Alkohole etc.) bis zu signifikanten Verbesserungen hinsichtlich toxischer und CO2-Emissionen (Erdgas etc.) reicht. Wasserstoff besitzt das Potential zu einem beinahe emissionsfreien Kraftstoff für Verbrennungs motoren (einschließlich CO2, wenn es von einer nicht fossilen Quelle stammt).
  • Die Automobilindustrie hat sehr deutliche Fortschritte bei der Reduktion von Autoemissionen gemacht. Dies resultierte in zugefügten/r Kosten und Komplexität von Motormanagementsystemen, wobei diese Kosten jedoch durch andere Vorteile von Computersteuerungen wie erhöhte Leistungsdichte, Kraftstoffersparnis, Fahrverhalten, Zuverlässigkeit und Echtzeitdiagnostik kompensiert werden.
  • Zukünftige Initiativen, die Fahrzeuge mit null Emission erfordern, führen uns anscheinend zu einem neuen gesetzlichen Paradigma, bei dem asymptotisch kleinere Vorteile für die Umwelt Hand in Hand mit sehr großen allmählich steigenden Kosten gehen. Jedoch kann selbst ein Fahrzeug, das „mit sehr geringem Schadstoffausstoß" zertifiziert ist, hohe Emissionen in begrenzten Umgebungs- und Betriebszuständen oder mit gestörten oder beschädigten Komponenten ausstoßen.
  • Ein Ansatz, der auf das Problem von Emissionen gerichtet ist, besteht in der Verwendung von Brennstoffzellen, insbesondere Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC) in einem Auto. Eine Brennstoffzelle ist eine Energieumwandlungsvorrichtung, die Elektrizität und Wärme erzeugt, indem sie einen gasförmigen Kraftstoff wie z. B. Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid oder einen Kohlenwasserstoff und ein Oxidationsmittel wie z. B. Luft oder Sauerstoff über einen Ionen leitenden Elektrolyten elektrochemisch kombiniert. Die Brennstoffzelle wandelt chemische Energie in elektrische Energie um. Eine Brennstoffzelle besteht allgemein aus zwei Elektroden, die an zwei gegenüberliegenden Seiten eines Elektrolyten angeordnet sind. Das Oxidationsmittel strömt über die Sauerstoffelektrode (Kathode), während der Brennstoff über die Brennstoffelektrode (Anode) fließt, wodurch Elektrizität, Wasser und Wärme erzeugt werden.
  • Eine SOFC ist vollständig aus festen Materialien aufgebaut und verwendet einen Ionen leitenden oxidkeramischen Stoff als Elektrolyten. Eine herkömmliche elektrochemische Zelle in einer SOFC besteht aus einer Anode und einer Kathode mit einem dazwischen angeordneten Elektrolyten. In einer typischen SOFC fließt ein Brennstoff zu der Anode, wo er durch Oxidionen von dem Elektrolyten oxidiert wird, wodurch Elektronen erzeugt werden, die zu dem äußeren Kreis freigesetzt werden, und wobei hauptsächlich Wasser und Kohlenstoffdioxid in dem Brennstoffdurchflussstrom entfernt werden. An der Kathode nimmt das Oxidationsmittel Elektronen von dem äußeren Kreis auf, um Oxidionen zu bilden. Die Oxidionen wandern über den Elektrolyten zu der Anode. Der Fluss von Elektronen durch den äußeren Kreis stellt eine verbrauchbare oder speicherbare elektrische Leistung bereit. Jedoch erzeugt jede einzelne elektrochemische Zelle nur eine relativ kleine Spannung. Höhere Spannungen werden erreicht, indem eine Vielzahl elektrochemischer Zellen in Serie elektrisch verbunden werden, um einen Stapel zu bilden.
  • Der Brennstoffzellenstapel umfasst auch Leitungen oder Sammelleitungen, um einen Durchgang des Kraftstoffs und des Oxidationsmittels in den Stapel und von Nebenprodukten wie auch überschüssigem Kraftstoff und Oxidationsmittel aus dem Stapel heraus zu erlauben. Im Allgemeinen wird ein Oxidationsmittel der Struktur von einer Sammelleitung zugeführt, die an einer Seite des Stapels angeordnet ist, während Kraftstoff von einer Sammelleitung geliefert wird, die an einer benachbarten Seite des Stapels angeordnet ist. Der Kraftstoff und das Oxidationsmittel werden allgemein durch die Sammelleitungen gepumpt und in ein benachbart der entsprechenden Elektrode angeordnetes Strömungsfeld eingeleitet. Die Strömungsfelder, die den Kraftstoff und das Oxidationsmittel zu den entsprechenden Elektroden lenken, erzeugen typischerweise Oxidationsmittel- und Kraftstoffdurchflüsse über die Elektroden, die rechtwinkelig zueinander stehen.
  • Der erfolgreiche Langzeitbetrieb einer Brennstoffzelle ist hauptsächlich abhängig vom Erhalten einer strukturellen und chemischen Stabilität von Brennstoffzellenkomponenten während stationärer Zustände wie auch während transienter Betriebszustände wie z. B. Kaltstarts und Notabschaltungen. Die Unterstützungssysteme müssen den Kraftstoff speichern und steuern, das Oxidationsmittel verdichten und steuern und ein Wärmeenergiemanagement bereitstellen. Eine SOFC kann in Verbindung mit einem Reformer verwendet werden, der einen Kraftstoff zu Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid (dem Reformat) umwandelt, das von der Brennstoffzelle verwendet werden kann. Drei Typen von Reformertechnologien werden typischerweise verwendet (Dampfreformer, Trockenreformer und Partialoxidations-Reformer), um einen Kohlenwasserstoffkraftstoff (Methan, Propan, Erdgas, Benzin) unter Verwendung von Wasser und Kohlenstoffdioxid bzw. Sauerstoff zu Wasserstoff umzuwandeln, mit entsprechenden Nebenprodukten, die Kohlenstoffdioxid und Kohlenstoffmonoxid umfassen. Diese Reformer arbeiten bei hohen Temperaturen (z. B. etwa 800 °C oder mehr). Bei niedrigeren Temperaturen, z. B. während eines Starts, kann eine Ablagerung von Kohlenstoff (oder Ruß) auf dem Katalysator den Wirkungsgrad des Reformers nachteilig beeinflussen, und die Lebensdauer des Reformers verringern. Hauptanforderungen an die Reformer sind ein schneller Start, eine dynamische Ansprechzeit, Kraftstoffumwandlungseffizienz, Größe und Gewicht.
  • Da schnelle Start- und Ausschaltzyklen typisch in Kraftfahrzeuganwendungen sind, muss das Reformer-Katalysatorbett schnell erhitzt werden.
  • Die Luft-/Kraftstoffmischzone muss aber in der Temperatur sorgfältig gesteuert werden, um Gasphasenreaktionen in der Mischzone des Reformersystems zu vermeiden. Insbesondere bei Verwendung von reaktiven Kraftstoffen wie z. B. Benzin oder Dieselkraftstoffen zeigen Gasphasenreaktionen die Tendenz, Reformat von schlechterer Qualität mit mehr Ruß und weniger Wasserstoff zu erzeugen. Dies stellt sich als sehr ineffizient heraus, da eine Rußbildung eine Reformerleistung wie auch unterstromig angeordnete Komponenten schnell beeinträchtigen kann.
  • Die US 5 733 675 betrifft einen elektrochemischen Brennstoffzellengenerator mit einem hohlen Reformer, der ein geschlossenes Ende und einen offenen Endeinlass für ein reformierbares Kraftstoffgemisch aufweist, das zu dem geschlossenen Ende strömt und dann in umgekehrter Richtung und entlang der hohlen Wand zurück strömt, um reformiert zu werden.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Die Unzulänglichkeiten und Nachteile des Standes der Technik werden durch das Temperatur- und Reaktionsmanagementsystem, ein Verfahren zum Managen der Temperatur und der Reaktion von Kraftstoff in einem Kraftstoff-Reformersystem überwunden. Ein Temperatur-/Reaktionsmanagementsystem umfasst eine Reformierungszone und ein Mattenmaterial, das mit einem Abschnitt eines Einlasses der Reformierungszone fluidmäßig gekoppelt ist. Das Verfahren zum Managen der Temperatur und der Reaktion von Kraftstoff in einer Energieumwandlungsvorrichtung umfasst ein Abgeben von Kraftstoff durch ein Mattenmaterial, das gegen einen Einlass eines Reformersystems angeordnet ist. Das Luft-/Kraftstoff-Gemisch strömt durch das Mattenmaterial, so dass die Mischzone bei einer niedrigen Temperatur gehalten wird. Das Mattenmaterial verhindert auch die Ausbreitung einer zurück in den hinein Einlass strömenden Flamme, was eine Gasphasenreaktion vor dem Eintreten in die Reformierungszone verhindert. Das Kraftstoff-Reformersystem umfasst eine Reformierungszone, ein Mattenmaterial, das mit der Reformierungszone fluidmäßig gekoppelt ist und eine Mischzone, die mit dem Reformersystem fluidmäßig gekoppelt ist.
  • Die oben beschriebenen und weitere Merkmale sind durch die nachfolgende/n detaillierte Beschreibung, Zeichnungen und beiliegenden Ansprüche beispielhaft erläutert.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Unter nunmehriger Bezugnahme auf die Figs., wobei gleiche Elemente in den verschiedenen Figs. gleich nummeriert sind, ist:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Kraftstoff-Reformersystems, das mit einem Temperatur-/Reaktionsmanagementsystem gekoppelt ist; und
  • 2 eine schematische Darstellung einer Energieumwandlungsvorrichtung, die das Reformersystem und das Temperatur-/Reaktionsmanagementsystem von 1 verwendet.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
  • Um den Bedürfnissen von Kraftfahrzeugen gerecht zu werden, müssen Brennstoffzellen schnell starten, was eine unmittelbare Kraftstoffquelle erfordert. Herkömmliche Kraftstoffe wie z. B. Benzin müssen zu für SOFC annehmbaren Kraftstoffen wie z. B. Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid reformiert werden. Der Reformierungsprozess behandelt den Kraftstoff für eine effiziente Verwendung durch das Brennstoffzellensystem vor. Da es verschiedene Typen von Brennstoffzellensystemen gibt, einschließlich röhrenförmige oder planare, sollen, wenn anwendbar, jegliche Bezugnahmen auf Komponenten einer speziellen Zellenkonfiguration auch ähnliche Komponenten in anderen Zellenkonfigurationen darstellen.
  • Um die Reaktion in einer Festoxid-Brennstoffzelle („SOFC") zu ermöglichen, wird eine direkte Zufuhr des Kraftstoffs wie z. B. Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid oder Methan bevorzugt. Jedoch sind konzentrierte Zuführungen dieser Kraftstoffe im Allgemeinen kostspielig und schwierig bereitzustellen. Daher kann der spezielle Kraftstoff durch Verarbeiten einer komplexeren Quelle des Kraftstoffes zugeführt werden. Der in dem System verwendete Kraftstoff wird typischerweise auf Grundlage der Anwendung, des Aufwands, der Verfügbarkeit und umweltrelevanter Punkte in Bezug auf den Kraftstoff ausgewählt. Mögliche Kraftstoffquellen umfassen herkömmliche Kraftstoffe wie z. B. Kohlenwasserstoffkraftstoffe, die herkömmliche flüssige Kraftstoffe wie z. B. Benzin, Diesel, Ethanol, Methanol, Kerosin und andere; herkömmliche gasförmige Kraftstoffe wie z. B. Erdgas, Propan, Butan und andere; und alternative Kraftstoffe wie z. B. Wasserstoff, Biokraftstoffe, Dimethylether und andere; und Kombinationen mit zumindest einem der vorhergehenden Kraftstoffe umfassen, ohne aber auf diese beschränkt zu sein. Der bevorzugte Kraftstoff basiert typischerweise auf der Leistungsdichte des Motors, wobei leichtere Kraftstoffe, d. h. jene, die einfacher verdampft werden können und/oder herkömmliche Kraftstoffe, die für Verbraucher einfach verfügbar sind, allgemein bevorzugt sind.
  • Das Verarbeiten oder Reformieren von Kohlenwasserstoffkraftstoffen wie z. B. Benzin wird fertig gestellt, um eine Kraftstoffquelle für einen Schnellstart der Brennstoffzelle wie auch einen Schutz der Brennstoffzelle durch Herunter-brechen langkettiger Kohlenwasserstoffe und Entfernen von Verunreinigungen bereitzustellen. Eine Reformierung von Kraftstoff kann umfassen, dass ein Kraftstoff mit Luft, Wasser und/oder Dampf in einer Mischzone gemischt wird, bevor er in eine Reformierungszone des Reformersystems eintritt, und dass ein Kohlenwasserstoff (wie z. B. Benzin) oder ein mit Sauerstoff angereicherter Kraftstoff (z. B. Methanol) in Wasserstoff (H2), Nebenprodukte (z. B. Kohlenstoffmonoxid (CO), Methan (CH4), Inertstoffe (z. B. Stickstoff (N2), Kohlenstoffdioxid (CO2) und Wasser (H2O)) umgewandelt wird. Allgemeine Ansätze umfassen eine Dampfreformierung, Partialoxidation und Trockenreformierung.
  • Dampfreformierungssysteme beinhalten die Verwendung eines Kraftstoffs und von Dampf (H2O), die in erhitzten Rohren, die mit Katalysatoren gefüllt sind, zur Reaktion gebracht werden, um die Kohlenwasserstoffe in hauptsächlich Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid umzuwandeln. Die Dampfreformierungsreaktionen sind endotherm und deshalb sind die Dampfreformerreaktoren derart entworfen, dass sie Wärme in den katalytischen Prozess hinein übertragen. Ein Beispiel der Dampfreformierungsreaktion lautet wie folgt: CH4 + H2O → CO + 3H2O
  • Partialoxidationsreformer basieren auf einer unterstöchiometrischen Verbrennung, um die Temperaturen zu erreichen, die notwendig sind, um den Kohlenwasserstoffkraftstoff zu reformieren. Eine Zerlegung des Kraftstoffs in hauptsächlich Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid erfolgt durch thermische Reaktionen bei hohen Temperaturen von etwa 700 °C bis etwa 1000 °C. Es wurden Katalysatoren mit Partialoxidationssystemen verwendet (katalytische Partialoxidation) um eine Umwandlung verschiedener schwefelfreier Kraftstoffe wie z. B. Ethanol in Synthesegas zu beschleuni gen. Die Verwendung eines Katalysators kann in einer Beschleunigung der Reformierungsreaktionen resultieren und diesen Effekt bei niedrigeren Reaktionstemperaturen bereitstellen, als jene, die sonst bei Abwesenheit eines Katalysators erforderlich wären. Ein Beispiel der Partialoxidations-Reformierungsreaktion lautet wie folgt: CH4 + 1/2O2 → CO + 2H2
  • Eine Trockenreformierung beinhaltet die Erzeugung von Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid in Abwesenheit von Wasser z. B. unter Verwendung von Kohlenstoffdioxid als das Oxidationsmittel. Trockenreformierungsreaktionen wie Dampfreformierungsreaktionen sind endotherme Prozesse. Ein Beispiel der trockenen Reformierungsreaktion ist in der folgenden Reaktion gezeigt: CH4 + CO2 → 2CO + 2H2
  • Praktische Reformersysteme können eine Kombination aus diesen idealisierten Prozessen umfassen. Somit kann eine Kombination aus Luft, Wasser oder im Kreislauf geführtem Abgas als das Oxidationsmittel in dem Kraftstoff-Reformierungsprozess verwendet werden.
  • Das Temperatur-/Reaktionsmanagementsystem umfasst ein Mattenmaterial 80, das vor dem Einlass 82 des Reformierungskatalysatorsubstrats 84 des Reformersystems 86 angeordnet ist (siehe 1). Das Mattenmaterial 80 kann ein Stück eines Materials umfassen, das vorzugsweise als ein/e Isoliermaterial, Strahlungsschild und Filtrationsvorrichtung wirkt. Das Mattenmaterial 80 besitzt vorzugsweise auch Flammen sperrende Eigenschaften wie z. B. Leitfähigkeit und die Fähigkeit, Flammen auszulöschen sowie als eine thermische Barriere zu wirken. Das Mattenmaterial 80 kann die Wahrscheinlichkeit verringern, dass hohe Temperaturen der Reformierungszone vom Erhitzen des einströmenden Gasstromes eine vorzeitige Gasphasenreaktion vor dem Eintreten in das Reformer-Katalysatorsubstrat bewirken werden, und erhöht dadurch den Wirkungsgrad des Reformers. Das Material kann jede beliebige Geometrie aufweisen wie z. B. kreisförmig, lang gestreckt (z. B. oval oder länglich und dergleichen), vielseitig (z. B. dreieckig, viereckig, trapezförmig, fünfeckig, sechseckig, siebeneckig) mit einer Geometrie, die entweder der Geometrie des Reformer-Katalysatorsubstrateinlasses 82 oder der Querschnittsgeometrie des bevorzugten Gehäuses ähnlich ist oder im Wesentlichen ähnlich ist. Das Material kann eine Einzellage oder mehrere Lagen umfassen, die ein gewobenes, nicht gewobenes, faseriges, sieb-, stoff- oder papierartiges Material umfassen kann/können, und vorzugsweise mit Hilfe eines Bindemittels wie z. B. eines Dichtungsmittels, eines Klebers, eines keramischen Bindemittels (z. B. kolloidales Aluminiumoxid), Kombinationen, die zumindest eines der vorhergehenden Mittel umfassen, hergestellt wird/werden. Das Material kann vorzugsweise mehrere Lagen eines faserigen Materials umfassen, das zerhackte, kurze, lange Fasern umfassen kann, wobei Fasern mit großen Längen bevorzugt sind, so dass die Fasern verwickelt werden, um die strukturelle Integrität zu verleihen, die erforderlich ist, um der Kraft zu widerstehen, die durch den Kraftstoffdurchfluss auf das Mattenmaterial 80 ausgeübt wird. Das heißt, das Material sollte in der Lage sein, seine strukturelle Integrität zu bewahren, ohne dass einzelne Fasern abgelöst und stromabwärts mit dem Kraftstoffdurchfluss gespült werden, während es auch eine ausreichende Durchlässigkeit und Dicke besitzt, um eine geringe Einschränkung eines Kraftstoffdurchflusses zu erreichen. Mögliche Materialien umfassen Stoff, mattenartige oder papierartige Materialien, die ein selbsttragendes, faseriges Material (z. B. Keramikfasern) oder ein faseriges Material, das auf Wachs getragen ist (z. B. Keramikfasern, die auf Wachs oder Keramikmaterial getragen sind), umfassen, Alu miniumoxid, Zirconiumoxid oder andere Oxide, die sowohl in oxidierenden als reduzierenden Reaktionsbedingungen stabil sind, Kombinationen, die zumindest eines der vorhergehenden Materialien umfassen, die eine Durchlässigkeit und Porengröße aufweisen, um Partikelmaterial zu filtern, während sie einen Gasstrom minimal behindern.
  • In ähnlicher Weise basiert die Dicke der Matte 80 auf der gewünschten strukturellen Integrität und Anforderungen an den Fluiddurchfluss der bestimmten Anwendung. Zum Beispiel bietet ein dünneres Material weniger Druckabfall und geringere parasitäre Verluste innerhalb des Systems. Im Gegensatz dazu erlaubt ein dickeres Material, reaktivere Kraftstoffe wie z. B. Diesel zu verwendet. Darüber hinaus hilft die Dicke des Mattenmaterials 80 dabei, die Reaktion innerhalb des Reformer-Katalysatorbetts zu halten, Hitze und Temperatur in den Reformer-Katalysator zurückzustrahlen und das Turn-down-Verhältnis des Reformersystems 86 zu verbessern. Das Turn-down-Verhältnis ist die Menge an Reformat, die verlässlich erzeugt werden kann, oder ein Verhältnis der maximalen Menge an Reformat, die zu dem minimalen Zeitbetrag, der erforderlich ist, um diese Menge an Reformat zu erzeugen, erzeugt werden kann. Wenn z. B. das gewünschte Turn-down-Verhältnis etwa 10:1 beträgt, dann erfüllt ein Kraftstoffzufluss von 1 Gramm/Sekunde das gewünschte Turn-down-Verhältnis, wohingegen ein Kraftstoffzufluss von etwa 5 Gramm/Sekunde nur ein Turn-down-Verhältnis von etwa 2:1 erzeugt, die das gewünschte Verhältnis nicht erfüllt. Ein langsamerer Kraftstoffzufluss wie z. B. etwa 1 Gramm/Sekunde wird bevorzugt, damit eine größere Menge an Kraftstoff zu Reformat verarbeitet werden kann. Obwohl eine Gasphasenreaktion wahrscheinlicher auftritt, wenn der Kraftstoffzufluss langsam ist, kann das Mattenmaterial 80 die Wahrscheinlichkeit verringern, dass eine Gasphasenreaktion stattfindet. Allgemein kann eine Dicke von bis zu etwa 20 Millimetern verwendet werden, wobei bis zu etwa 10 Millimeter bevorzugt sind und etwa 3 Millimeter bis etwa 7 Millimeter besonders bevorzugt sind, während eine annehmbare Leistung erhalten bleibt.
  • Um die isolierenden Qualitäten der Matte 80 zu verbessern, umfasst die Matte 80 vorzugsweise eine reflektierende Oberfläche 88, die dem Kraftstoffdurchfluss, der in das Kraftstoff-Reformersystem eintritt, zugewandt ist. Die reflektierende Oberfläche 88 umfasst vorzugsweise ein hitzebeständiges Material und/oder eine Beschichtung (z. B. eine weiße, lichtundurchlässige oder ähnliche Oberfläche), das/die über eine gesamte oder einen Abschnitt der Oberfläche des Mattenmaterials 80 angeordnet ist, das/die als ein/e wirksame/r Strahlungsreflektor oder Strahlungsbarriere wirkt, um eine Ausbildung eines scharfen Temperaturgradienten vor dem Mattenmaterial 80 und eine vorzeitige Gasphasenreaktion zu verhindern. Im Spezielleren kann die reflektierende Oberfläche 88, die vorzugsweise die gleiche Zusammensetzung des Mattenmaterials 80 umfasst, Aluminiumoxid, Zirconiumoxid, Siliziumoxid, Magnesiumoxid, Titanoxid wie auch Kombinationen, umfassen, die zumindest eines der vorhergehenden Materialien enthalten. Das Mattenmaterial 80 als solches isoliert auch das Reformer-Katalysatorsubstrat 84 vor Strahlung und kann vorzugsweise einen Temperaturgradienten von etwa 200 °C bis etwa 600 °C (abhängig von der Reaktivität des Kraftstoffes) zwischen dem Einlass und dem Auslass des Mattenmaterials 80 aufrechterhalten.
  • Ferner kann ein Thermomanagement durch Anordnen einer optionalen sekundären Flammensperre 90 gegen die reflektierende Oberfläche 88 des Mattenmaterials 80 erreicht werden. Flammensperren umfassen ein leitendes, metallisches Material, das an dem Einlass eines Reformer-Katalysatorsubstrats angeordnet ist, um potenzielle Flammen, die auf Grund von Gasphasenreaktionen auftreten, auszulöschen. Die Flammensperre 90, die vorzugsweise eine Geometrie aufweist, die der Geometrie des Reformer-Katalysatorsubstrateinlasses 82 und des Mattenmaterials 80 ähnlich ist oder im Wesentlichen ähnlich ist, kann Edelstahl, Superlegierung, Kupfer, Nickel, Aluminium wie auch deren Legierungen und Kombinationen umfassen, die zumindest eines der vorhergehenden Materialien umfassen. Die Flammensperre 90, die reflektierende Oberfläche 88 und das Mattenmaterial 80 erzeugen in Kombination eine wirksame thermische Barriere, um zu verhindern, dass hohe Temperaturen der Reformierungszone den einströmenden Gasstrom erhitzen und vorzeitige Gasphasenreaktionen vor dem Eintreten in das Reformer-Katalysatorsubstrat bewirken.
  • Zusätzlich oder als eine Alternative zu der Flammensperre 90 und der reflektierenden Oberfläche 88 kann ein Inertmaterial 92, das vorzugsweise eine Geometrie aufweist, die im Wesentlichen ähnlich der Querschnittsgeometrie des Mattenmaterials 80 ist, in Kontakt mit entweder der optionalen Flammensperre 90, der reflektierenden Oberfläche 88 und/oder dem Mattenmaterial 80 angeordnet sein. Das Inertmaterial 92, das dem Mattenmaterial 80 strukturelle Integrität verleiht, umfasst vorzugsweise ein schaum- oder schwammartiges Material mit einer feinen Porosität, das den Gasstrom geringfügig einschränkt und Zeit für die Verdampfung und ein Mischen eines jeglichen zurückbleibenden flüssigen Kraftstoffs lässt. Mögliche Materialien umfassen ein Keramikmaterial, Polymermaterial, und/oder metallisches Material wie z. B. Aluminiumoxid, Zirconiumoxid, Siliziumoxid, Siliziumkarbid, Edelstahl. Superlegierung, Kupfer, Nickel, Aluminium, wie auch Legierungen, Kerametalle, Oxide, Verbundstoffe und Kombinationen, die zumindest eines der vorhergehenden Materialien umfassen, wobei Aluminiumoxid und Siliziumoxid bevorzugt sind. Das Inertmaterial 92 kann z. B. durch Abscheiden von Siliziumkarbid auf einem flüchtigen Polymermaterial mit einer skelett- und schwammartigen Struktur und Anzünden desselben, um das flüchtige Polymermaterial wegzu brennen und einen Siliziumkarbidschaum zurückzulassen, gebildet werden.
  • Wie vorher beschrieben, ist das Mattenmaterial 80 vorzugsweise gegen den Einlass 82 des Reformer-Katalysatorsubstrats 84 angeordnet. Das Reformer-Katalysatorsubstrat kann jedes beliebige Material umfassen, das für eine Verwendung in einer SOFC-Umgebung entworfen ist, und die folgenden Eigenschaften aufweist: (1) die Fähigkeit, bei Temperaturen bis zu etwa 1000 °C zu arbeiten; (2) die Fähigkeit, reduzierenden und oxidierenden Umgebungen standzuhalten, die z. B. Kohlenwasserstoffe, Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid, Wasser, Sauerstoff, Schwefel und Schwefelverbindungen, Verbrennungsradikale wie z. B. H+ und OH- und Kohlenstoffpartikelmaterialien enthalten; und (3) Aufweisen einer ausreichenden Oberfläche und strukturellen Integrität, um den gewünschten Katalysator zu stützen. Einige mögliche Materialien umfassen: Aluminiumoxid, Zirconiumoxid, Cordierit, Siliziumkarbid, Metall (z. B. Edelstahl, Aluminium), wie auch Oxide, Legierungen, Kerametalle und Mischungen, die zumindest eines der vorhergehenden Materialien umfassen, wobei Mischungen, die auf Aluminiumoxid und Zirconiumoxid basieren, und Mischungen, die Aluminiumoxid und/oder Zirconiumoxid umfassen, bevorzugt sind. Diese Substrate können in der Form von porösen Gläsern, Folien, Schwämmen und Monolithen vorliegen. Darüber hinaus können auch wertvolle Metalle wie z. B. Seltenerdmetalle (z. B. Cer, Lanthan), Erdalkalimetalle (z. B. Barium) und Übergangsmetalle und deren Oxide (z. B. Nickel und Nickeloxid) einem Reformer-Katalysator-Washcoatmaterial in einer Menge von bis zu 300 Gramm pro Kubikfuß des Reformer-Katalysatorsubstratvolumens zugefügt werden. Aluminiumoxid und/oder Zirkoniumoxid können den Großteil des Katalysator-Washcoats umfassen, auf dem der Katalysator und Zusatzmaterialien aufgebracht werden.
  • Obwohl das Reformer-Katalysatorsubstrat jede beliebige Größe oder Geometrie aufweisen kann, werden die Größe und Geometrie vorzugsweise so gewählt, dass die Oberfläche in den gegebenen Katalysatorkonstruktionsparametern optimiert ist. Das Reformer-Katalysatorsubstrat kann die Struktur eines Schaums mit offenen Zellen oder eine extrudierte Wabenzellengeometrie aufweisen, wobei die Zellen eine beliebige vielseitige oder runde Form aufweisen, wobei im Wesentlichen viereckige, sechseckige, achteckige oder ähnliche Geometrien auf Grund der erhöhten Oberfläche und strukturellen Integrität bevorzugt sind. Das Reformer-Katalysatorsubstrat wird in eine Zellenstruktur hinein gebildet, wobei eine Vielzahl von Zellen mit Hilfe eines Schäumungsverfahrens und dergleichen in einem Wabenmuster angeordnet werden. Auf und/oder über dem gesamten Reformer-Katalysatorsubstrat kann eine Katalysator-Washcoatschicht angeordnet sein. Der Katalysator kann ein oder mehrere Katalysatormatenal/ien umfassen, das/die beschichtet, aufgesaugt, imprägniert, physisorbiert, chemisorbiert, abgeschieden oder sonst wie auf das Katalysatorsubstrat aufgebracht wird/werden. Mögliche Katalysatormaterialien umfassen Metalle wie z. B. Platin, Palladium, Rhodium, Iridium, Osmium, Ruthenium, Tantal, Zirconium, Yttrium, Cer, Nickel, Kupfer und Oxide, Mischungen und Legierungen, die zumindest eines der vorhergehenden Metalle umfassen, und andere herkömmliche Katalysatoren.
  • Unter nunmehriger Bezugnahme auf das durch 2 veranschaulichte Beispiel werden Dampf, Wasser, Luft und/oder im Kreislauf geführtes Abgas, durch einen Pfeil 94 angezeigt, und Kraftstoff, durch einen Pfeil 96 angezeigt, in einer Mischzone miteinander vermischt, bevor sie durch das Temperatur-/Reaktionsmanagementsystem mit dem optionalen Inertmaterial 92, der optionalen Flammensperre 90 und dem Mattenmaterial 80 strömen, bevor sie in das Reformersystem 86 eintreten. In diesem Beispiel übt das optionale Inertmaterial 92 eine Kraft in der Richtung des Kraft stoffdurchflusses aus, um die Flammensperre 90 und das Mattenmaterial 80 gegen den Einlass 82 des Reformer-Katalysatorsubstrats 84 zu stützen. Das optionale Inertmaterial 92 kann auch Flüssigkeitströpfchen und/oder partikelbildende Materialien, die in dem Kraftstoff und/oder Dampf, der Luft und/oder dem Wasser vorhanden sein können, filtern und entfernen. Für dieses Beispiel ruht das Mattenmaterial 80 gegen die gesamte Oberfläche des Einlasses 82 anstelle lediglich eines Abschnitts des Einlasses 82. Während der Kraftstoff durch das Inertmaterial 92 fließt, werden die Flammensperre 90 und das Mattenmaterial 80 jegliche vorzeitige Kraftstoffverbrennung oder -entflammung „auslöschen". Die hitzebeständige Zusammensetzung der Flammensperre wird überhitzten Kraftstoff löschen, indem sie seine Betriebstemperatur erniedrigt. Während der Kraftstoff weiter fließt, kann der Kraftstoff durch das Mattenmaterial 80 strömen und einen Kontakt mit der reflektierenden Oberfläche 88 des Mattenmaterials 80 herstellen. Die reflektierende Oberfläche 88 kann die Strahlung reflektieren, die von dem Kraftstoff und/oder Dampf, dem Wasser oder der Luft stammt. Die reflektierende Oberfläche 88 lässt zu, dass sich an dem Reformer-Katalysatorsubstrateinlass 82 ein scharfer Temperaturgradient, z. B. eine erste Temperatur, bildet. Dies verhindert, dass eine Gasphasenreaktion z. B. bei einer höheren zweiten Temperatur stattfindet, bevor der Kraftstoff in das Reformer-Katalysatorsubstrat 84 eintritt. Diese resultierende vorzeitige Gasphasenreaktion des Kraftstoffes wird eine Verkokung und Rußbildung in dem Kraftstoffdurchfluss bewirken. Dieser Russ kann dann in das Reformersystem 86 eintreten und dessen Reformatverarbeitungsfähigkeit und Wirkungsgrad verschlechtern. Die hitzebeständigen Eigenschaften der reflektierenden Oberfläche 88 verhindern so eine Verkokung und Rußbildung, indem sie die vorzeitige Gasphasenreaktion außerhalb des Reformersystems 86 beseitigen. Nachdem der Kraftstoff durch das Mattenmaterial 80 geströmt ist, strömt der Kraftstoff in das Reformer-Katalysatorsubstrat 84 hinein.
  • In dem in 2 veranschaulichten Beispiel kann das Reformersystem 86 die Kraftstoff- und Oxidationsmitteleinspeisungen zu Reformat für eine Verwendung mit der Festoxid-Brennstoffzelle 10 („SOFC 10") der Energieumwandlungsvorrichtung verarbeiten. Typischerweise tritt das Reformat unter Verwendung des durch einen Pfeil 98 angezeigten Strömungsweges aus dem Reformersystem 86 aus und kann durch ein Reformatsteuerventil 100 strömen. Das Reformatsteuerventil 100 kann den Reformatfluss mit Hilfe eines durch einen Pfeil 102 angezeigten Strömungsweges in die SOFC 10, um das System zu speisen und/oder mit Hilfe eines durch einen Pfeil 104 und einen Pfeil 106 angezeigten Strömungsweges in ein Abfallenergie-Rückgewinnungsbrennersystem 108 hinein Umleiten, um das System aufzuwärmen. Die SOFC 10 kann das Reformat in elektrische Energie umwandeln, um die Energieumwandlungsvorrichtung zu speisen, oder das Reformat mit Hilfe eines durch den Pfeil 106 angezeigten Strömungsweges in das Abfallenergie-Rückgewinnungsbrennersystem 108 hinein leiten.
  • Das Mattenmaterial kombiniert mit einem Reformersystem kann ein qualitativ hochwertiges Reformat mit einer höheren Konzentration an Wasserstoff und einer geringeren Konzentration an Ruß und anderen Partikelmaterialien, die aus Gasphasenreaktionen resultieren, erzeugen. Gleichzeitig wirkt das Mattenmaterial als eine Filtrationsvorrichtung, die verhindert, dass Fremdstoffe wie z. B. Ruß in dem Fall, dass sich Ruß bildet, in das Reformersystem eintreten und den Wirkungsgrad desselben verschlechtern. In ähnlicher Weise stellt das Mattenmaterial kombiniert mit einer optionalen Flammensperre und/oder einem optionalen Inertschaummaterial eine wirksame thermische und Strahlungsbarriere bereit, die verhindert, dass die Temperatur des Kraftstoffdurchflusses sich erhöht und eine Gasphasenreaktion verursacht.
  • Darüber hinaus verbessert die Kombination aus dem Mattenmaterial, der optionalen Flammenspene und/oder dem optionalen Inertmaterial das Turn-down-Verhältnis des Reformersystems, so dass eine größere Menge an Kraftstoff zu Reformat verarbeitet werden kann. Des Weiteren können reaktive Kraftstoffe wie z. B. Benzin und Dieselkraftstoffe erfolgreich bei niedrigeren Turn-down-Verhältnissen reformiert werden. Die physikalischen Eigenschaften des Mattenmaterials 80 verbessern ebenfalls das Turn-down-Verhältnis. Die Dicke des Mattenmaterials kann dabei helfen, die Temperatur und Hitze von dem Reformer-Katalysatorbetts innerhalb des Reformers zu halten wie auch die Hitze in das Reformer-Katalysatorbett zurückzustrahlen. Ohne diesen zusätzlichen thermischen und Strahlungsbarriereschutz müsste die Kraftstoffzuflussrate erhöht werden. Die resultierende schnellere Kraftstoffzuflussrate würde wiederum das Turndown-Verhältnis des Reformersystems nachteilig beeinflussen und einen erhöhten Druckabfall innerhalb des Reformersystems bewirken. Im Gegensatz dazu ermöglicht die Kombination aus dem Mattenmaterial, der optionalen Flammensperre und/oder dem optionalen Inertmaterial auch ein Reformieren von Kraftstoff mit einem geringen Druckabfall wie z. B. eine Abnahme von wenigen Prozenten des Gesamtsystems anstelle eines Druckanstiegs, wenn eine Gasphasenreaktion stattfindet.

Claims (19)

  1. Temperatur-/Reaktionsmanagementsystem umfassend: eine Kraftstoff-Reformierungszone eines Reformersystems (86); und ein Mattenmaterial (80) in fluidmäßiger Verbindung mit einem Abschnitt eines Einlasses der Reformierungszone.
  2. System nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Flammensperre (90), die mit dem Mattenmaterial (80) fluidmäßig gekoppelt ist und der Reformierungszone gegenüberliegt.
  3. System nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Inertmaterial (92), das mit dem Mattenmaterial (80) fluidmäßig gekoppelt ist und der Reformierungszone gegenüberliegt.
  4. System nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Inertmaterial (92), das mit einer Flammensperre (90) fluidmäßig gekoppelt ist und dem Mattenmaterial (80) gegenüberliegt.
  5. System nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Inertmaterial (92), das mit dem Mattenmaterial (80) fluidmäßig gekoppelt ist und der Reformierungszone gegenüberliegt.
  6. System nach Anspruch 1, wobei das Mattenmaterial (80) ferner einen Materialtyp umfasst, der aus der Gruppe bestehend aus gewobenen, siebartigen, faserigen, stoffartigen, papierartigen Materialtypen und Kombinationen, die zumindest einen der vorhergehenden Materialtypen umfassen, ausgewählt ist.
  7. Reformersystem nach Anspruch 1, wobei das Mattenmaterial (80) ferner eine Einzellage oder eine Vielzahl von Lagen von Material umfasst/en.
  8. System nach Anspruch 7, wobei die Vielzahl von Lagen von Material ferner mit Hilfe eines Bindemittels zusammengehalten wird, wobei das Bindemittel ferner ein Bindemittel umfasst, das aus der Gruppe bestehend aus einem Dichtungsmittel, einem Kleber, einer Keramiksubstanz und Kombinationen, die zumindest eines der vorhergehenden Bindemittel umfassen, ausgewählt ist.
  9. System nach Anspruch 1, wobei das Mattenmaterial (80) ferner eine reflektierende Oberfläche (88) umfasst.
  10. System nach Anspruch 9, wobei die reflektierende Oberfläche (88) ferner eine Beschichtung umfasst, wobei die Beschichtung ferner ein weißes lichtundurchlässiges Material umfasst.
  11. System nach Anspruch 1, wobei das Mattenmaterial ferner umfasst, dass das Mattenmaterial (80) gegen einen Einlass (82) eines Reformer-Katalysatorsubstrats (84) der Reformierungszone angeordnet ist.
  12. Verfahren zum Managen der Temperatur und Reaktion eines Kraftstoffes in einer Energieumwandlungsvorrichtung umfassend die Schritte: Abgeben eines Luft-/Kraftstoff-Gemisches durch ein Mattenmaterial (80), das gegen einen Einlass (82) eines Reformersystems (86) angeordnet ist; Halten einer ersten Temperatur vor dem Einlass (82), die niedriger als eine zweite Temperatur einer Gasphasenreaktion ist; Verhindern der Ausbreitung einer Flamme in das Reformersystem (86) hinein; und Abgeben des Kraftstoffes in das Reformersystem (86) hinein.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, ferner umfassend den Schritt: Abgeben des Kraftstoffes durch eine Flammensperre (90), die mit dem Mattenmaterial (80) fluidmäßig gekoppelt ist.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, ferner umfassend den Schritt: Abgeben des Kraftstoffes durch ein Inertmaterial (92), das mit der Flammensperre (90) fluidmäßig gekoppelt ist.
  15. Verfahren nach Anspruch 12, ferner umfassend den Schritt: Abgeben des Kraftstoffes durch ein Inertmaterial (92), das mit dem Mattenmaterial (80) fluidmäßig gekoppelt ist.
  16. Kraftstoff-Reformersystem, umfassend: eine Reformierungszone; ein Mattenmaterial (80), das mit der Reformierungszone fluidmäßig gekoppelt ist; und eine Mischzone, die mit der Reformierungszone fluidmäßig gekoppelt ist.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, ferner umfassend den Schritt: Abgeben des Kraftstoffes durch eine Flammensperre (90), die mit dem Mattenmaterial (80) fluidmäßig gekoppelt ist.
  18. Verfahren nach Anspruch 16, ferner umfassend den Schritt: Abgeben des Kraftstoffes durch ein Inertmaterial (92), das mit der Flammensperre (90) fluidmäßig gekoppelt ist.
  19. Verfahren nach Anspruch 16, ferner umfassend den Schritt: Abgeben des Kraftstoffes durch ein Inertmaterial (92), das mit dem Mattenmaterial (80) fluidmäßig gekoppelt ist.
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