EP1934135A1 - Reformersystem sowie verfahren zur reformierung - Google Patents

Reformersystem sowie verfahren zur reformierung

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EP1934135A1
EP1934135A1 EP06806190A EP06806190A EP1934135A1 EP 1934135 A1 EP1934135 A1 EP 1934135A1 EP 06806190 A EP06806190 A EP 06806190A EP 06806190 A EP06806190 A EP 06806190A EP 1934135 A1 EP1934135 A1 EP 1934135A1
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EP
European Patent Office
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adsorber
temperature
reformate gas
hydrocarbons
reformer
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06806190A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jürgen Ringler
Christian Liebl
Michael Preis
Jochem Huber
John Kirwan
Jean Botti
James Grieve
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bayerische Motoren Werke AG
Delphi Technologies Inc
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
Delphi Technologies Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bayerische Motoren Werke AG, Delphi Technologies Inc filed Critical Bayerische Motoren Werke AG
Publication of EP1934135A1 publication Critical patent/EP1934135A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to a reformer system with a reformer which is designed to convert a hydrocarbon-containing fuel into a hydrogen-gas-rich reformate gas which can be taken off at an outlet of the reformer.
  • the invention further relates to a vehicle with such a reformer system.
  • the invention relates to a method for reforming a hydrocarbon-containing fuel with a conversion of the hydrocarbon-containing fuel into a hydrogen-rich reformate gas by means of a reforming process.
  • Reformersystems are generally used in motor vehicles to produce a hydrogen-rich synthesis gas or reformate gas consisting of hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO) and inert gas (N 2 , CO 2 , H 2 O) from liquid or gaseous hydrocarbon-containing fuels.
  • H 2 hydrogen
  • CO carbon monoxide
  • N 2 , CO 2 , H 2 O inert gas
  • different reforming methods including partial oxidation, steam reforming, CO 2 - reforming and cracking or combinations thereof (eg autothermal reforming) are known.
  • To increase the hydrogen yield may be followed by a so-called shift reaction.
  • the currently known uses and uses of a reformate gas in a motor vehicle include the operation of a fuel cell, the supply to an internal combustion engine to minimize cold start / warm-up and raw emissions of the same internal combustion engine, and the aftertreatment of exhaust gases from the internal combustion engine.
  • a temperature outside an operating window of a catalyst used in the reformer can lead to a limitation of desired reaction sequences and / or an increased occurrence of undesired side reactions. This tends to cause higher pollutant emissions, including HC emissions.
  • the increased HC emissions of the reformer, especially in the starting phase, have a negative effect on the further use of the reformate gas.
  • the HC emissions can lead to damage to the fuel cell. If the reformate gas is used for starting and / or further operation of an internal combustion engine, high proportions of hydrocarbon in the reformate gas lead to an increase in the emissions of the internal combustion engine.
  • the invention has for its object to provide a reformer system of the type mentioned and a Reformier ⁇ ngs vide of the aforementioned type, whereby a reformate gas can be generated in a stable reaction process, which can be easily processed by a downstream customer.
  • a reformer system comprising a reformer for reacting a hydrocarbon-containing fuel in a hydrogen-rich reformate gas and a reformer downstream HC adsorber, which is designed to adsorb temperature-dependent in the reformate contained hydrocarbons or previously adsorbed hydrocarbons to desorb the reformate gas, wherein the reformer system is designed to forward the reformate gas after passing through the HC adsorber to a customer, and the time course of the adsorption / desorption of the HC adsorber during an operating phase of the reformer as a function of the in the operating phase occurring Reformatgastemperatur and / or a temperature gradient of the reformate gas occurring in the operating phase is tuned to the time course of the operating behavior of the customer that a substantial desorption of Kohlenwa Hydrogen from the HC adsorber takes place only when the customer is in an operating condition in which the desorbed hydrocarbons are processed by the customer such that the hydrocarbon content of the gas emitted by the customer and / or the function
  • the object is achieved with a method for reforming a hydrocarbon-containing fuel with a conversion of the hydrocarbon-containing fuel into a hydrogen-rich reformate gas by means of a reforming process, a temperature-dependent adsorption in the Hydrocarbon reformate contained in a HC adsorber or desorb previously adsorbed hydrocarbons to the reformate, and forwarding the reformate gas after passing through the HC adsorber to a customer, the time course of the adsorption / desorption of the HC adsorber during an operating phase the reformer in response to the occurring in the operating phase reformate gas temperature and / or occurring in the operating phase temperature gradient of the reformate gas is tuned to the time course of the operating behavior of the consumer that a substantial desorption of hydrocarbons from the HC adsorber takes place only if the purchaser is in an operating condition in which the desorbed hydrocarbons are processed by the purchaser such that the hydrocarbon portion of the gases discharged by the purchaser and / or the function of the purchaser by the desorbed hydrocarbons is not significantly
  • the quality of the fuel or the quality of the air / fuel mixture need not be considered during operation phase of the reformer, in particular during its start phase become.
  • the conditions of the reforming process can be specifically adapted to the other requirements of the operating phase and thereby kept stable. It is a stable flow of the reaction process allows.
  • the solution according to the invention makes it possible to optimize the reforming method without regard to corresponding marginal conditions owing to the HC emission behavior with regard to rapid starting capability and / or durability.
  • the operating behavior of the consumer is influenced by the reformate gas temperature, the temperature gradient of the reformate gas and / or the concentration of hydrocarbons. Due to the dependence of the adsorption / desorption behavior of the HC adsorber on the reformate gas temperature, the influence of the time-dependent change in the reformate gas temperature on the Operating behavior of the customer considered accordingly.
  • the HC adsorber according to the present invention may have a high adsorption capability influenced by a low reformate gas temperature in the operation phase, such as at the start of the reforming process in which a large amount of hydrocarbons is generated. In this phase, the reformate gas reaching the consumer is essentially hydrocarbon-free or contains only a small proportion of hydrocarbon.
  • the customer is still "cold" in this phase and would be hampered in its function by a high proportion of hydrocarbons or the gases emitted by the customer would be characterized by high emissions.
  • the reformer process progresses, such as in the period following the startup phase, the reformate gas temperature now rises, causing the HC adsorber to absorb fewer hydrocarbons.
  • the downstream consumer is less hindered in its function by the reformate gas temperature, even at elevated hydrocarbon content in the reformate gas or is able to process hydrocarbons such that the gas ejected from the customer are less contaminated by hydrocarbons. If the temperature of the reformate gas reaches a certain threshold value, then the hydrocarbons previously taken up by the HC adsorber are released from it again.
  • the consumer is in a condition to process a large amount of hydrocarbons in the reformate gas without significantly affecting its function or producing undesirable emissions.
  • the reformate gas produced by the reformer can thus be processed without problems, ie, without impairing the function of the consumer or without producing undesired pollutants, to an excessive extent.
  • the reformate gas is supplied to an exhaust aftertreatment system of an internal combustion engine which functions as a consumer, substantial desorption of hydrocarbons from the HC adsorber should take place only when, for example, a catalyst provided in the exhaust aftertreatment system has reached or exceeded its light-off temperature.
  • the embodiment according to the invention thus enables a reduction in the HC Adsorber hydrocarbons without corresponding pollution of the environment with hydrocarbon emissions.
  • the operating phase of the reformer comprises a start phase, during which the time profile of the adsorption / desorption of the HC adsorber in response to the rising in the start phase Reformatgastemperatur and / or occurring in the startup temperature gradient of the reformate gas on the time course of Tuning behavior of the customer is tuned that a substantial desorption of hydrocarbons from the HC adsorber takes place only when the customer is in an operating condition in which the desorbed hydrocarbons are processed by the customer such that the hydrocarbon content of the gases emitted by the customer and / or the function of the customer is not significantly affected by the desorbed hydrocarbons.
  • the customer comprises an exhaust aftertreatment system, an internal combustion engine and / or a fuel cell.
  • an internal combustion engine can be provided, which is supplied to minimize its cold start, warm-up and raw emissions, the hydrogen gas-rich reformate gas.
  • a substantial desorption of hydrocarbons takes place only when the combustion conditions in the internal combustion engine have stabilized such that the additional hydrocarbon content of the reformate gas has no negative effects on the HC emissions of the internal combustion engine.
  • the tuning of the adsorption / desorption behavior of the HC adsorber in dependence on the reformate gas temperature takes place by suitable selection of the material of the HC adsorber and / or by suitable positioning of the HC adsorber.
  • suitable positioning of the HC adsorber in closer proximity or further away from the Reformer can be adjusted by the natural cooling of the reformate gas along the route the reformate gas temperature to the adsorption / desorption of the HC adsorber accordingly.
  • the hydrocarbon-containing fuel convertible by the reformer is liquid, and contains in particular gasoline, diesel and / or alcohols. Adsorption of hydrocarbons following the reforming process proves to be particularly advantageous in a reformate gas produced from liquid fuel. This is due to the fact that the emission behavior during the reformer start even further deteriorates when using liquid fuel, since at low temperature of the occurring before the reforming reaction between a liquid medium and air homogenization process is difficult.
  • the HC adsorber In order to extract hydrocarbons from the reformate gas in a particularly effective manner, it is expedient for the HC adsorber to have activated carbon and / or a substance having a pore structure which functions as a molecular sieve, in particular zeolite. It is particularly advantageous if this substance is applied to monolithic carriers and additionally catalytically activated as needed.
  • the HC adsorber can be advantageously based on adsorber materials and methods that are also used in minimizing HC emissions from the fuel supply system or engine emissions during startup and warm-up of an internal combustion engine.
  • the function of the HC adsorber is tuned to the reformate gas temperature that at a reverse temperature of the reformate gas, the adsorption of the hydrocarbons from the reformate gas is compensated by a desorption of the adsorbed hydrocarbons to the reformate gas, and below the reversal temperature, the adsorption and above the Reverse temperature, the desorption predominates.
  • the inversion temperature for a typical reformate gas is not a fixed value but represents a region in which adsorption still exists for certain species but is desorb for other species. This is due to the fact that there is an individual inversion temperature for each HC species.
  • the selection and design of the adsorber material of the HC adsorber can be used to optimize the adsorption and desorption behavior quasi-selectively via the temperature to specific hydrocarbon species.
  • the value of the reversal temperature depends on physical boundary conditions, such as pressure of the reformate gas, degree of saturation of the HC adsorber and / or water content of the reformate gas, as well as the type of adsorbed hydrocarbon species and selection of the adsorber.
  • the inventive temperature-dependent reversal behavior of the hydrocarbon adsorption allows the reformer system to be operated as follows.
  • the HC adsorber has a large capacity for the hydrocarbon molecules due to the relatively low reformate gas temperature.
  • the reforming process stabilizes, with the result that the hydrocarbon emissions from the reformer go back to an uncritical level.
  • the reformate gas temperature is above the reversal temperature of the HC adsorber, whereby a desorption of the adsorbed during the start and run-up of the reformer hydrocarbons. This desorption is expediently carried out with a rate which is acceptable for the purchaser of the reformate gas.
  • the total hydrocarbon concentration in the reformate gas supplied to the consumer can still be kept within an acceptable range, even with some increase in hydrocarbon content by desorption from the HC adsorber.
  • the HC adsorber deflates so far that it is sufficiently receptive again in the case of a renewed starting process of the reformer.
  • the reversal temperature of the HC adsorber is smaller than the equilibrium temperature of the reformate gas and / or the adsorption capacity of the HC adsorber for hydrocarbons, in particular for the hydrocarbon species contained in the reformate gas at a relatively low temperature to the equilibrium temperature, in particular at a temperature of at most 100 0 C, has a maximum.
  • An HC adsorber designed in such a way as to be of its type and nature permits optimum hydrocarbon reduction of the reformate gas during the start-up phase of the reformer in which the hydrocarbon content in the reformate gas is highest.
  • the HC adsorber is designed such that hydrocarbons adsorbed above a discharge temperature at a temperature of the reformate gas desorb the HC adsorber instantaneously and completely to the reformate gas.
  • the hydrocarbons of the HC adsorber should desorb in the shortest possible time to as 100% as possible in a relevant temperature range above the emptying temperature.
  • the emptying temperature may suitably be above the reversal temperature.
  • the exact value of the emptying temperature is, as well as the value of the reversal temperature of physical boundary conditions, such as pressure of the reformate, saturation of the HC adsorber and / or water content of the reformate gas and type of adsorbed hydrocarbon species and selection of the adsorber dependent.
  • the HC adsorber is designed such that at a temperature of the reformate gas below the discharge temperature previously adsorbed hydrocarbons of the HC adsorber with a relative to the desorption above the drain temperature low rate to the reformate gas desorb.
  • the HC adsorber has this relatively low desorption rate in a temperature range between the inversion temperature and the discharge temperature.
  • the desorption rate of the HC adsorber in the temperature range between the reversal temperature and the emptying temperature is lower than the adsorption rate of the HC adsorber at a temperature below the reversal temperature.
  • the reformer system has a heat exchanger connected downstream of the reformer, by means of which the temperature of the reformate gas changeable, in particular reducible.
  • the heat exchanger upstream of the HC adsorber and / or the HC adsorber is integrated into the heat exchanger, in particular hydrocarbon adsorbing material of the HC adsorber is contained in walls of the heat exchanger.
  • the heat exchanger and the HC adsorber are two separate devices, wherein the reformate leaving the reformer first passes through the heat exchanger and then with a matched to the adsorption or desorption of the HC adsorber temperature through the HC Adsorber is performed.
  • the type and nature of the material of the HC adsorber is chosen so that the temperature window of the HC adsorber, takes place in the desorption of hydrocarbons to the reformate gas, so that it is self-adjusting or heat exchange adjustable Reformatgastemperaturen contains.
  • the hydrocarbon exchange with the HC adsorber proceeds simultaneously with the temperature change of the reformate gas by means of the heat exchanger.
  • This alternative is particularly space-saving.
  • a hydrocarbon adsorbing material for integration into the walls of the heat exchanger is in particular a material with zeolitic structures.
  • the arrangement of the HC adsorber is expediently carried out after the reformer system or after the heat exchanger at a position at which it is best possible to set the optimum adsorption or desorption temperature window on the HC adsorber for the overall process.
  • the heat exchanger is designed to adjust the temperature of the reformate gas to a suitable, in particular optimum temperature for adsorption or desorption of the hydrocarbons by the HC adsorber.
  • the heat output of the reformate gas in the heat exchanger is controlled so that the adsorption and desorption of hydrocarbons at and from the HC adsorber in a respect of Adsorptions- or desorption efficiency optimal temperature window occurs.
  • the reformer system according to the invention has extraction means by means of which at least part of the reformate gas can be branched off from the reformate gas stream before entry into the HC adsorber between the outlet of the reformer and the HC adsorber, in particular before and / or after the heat exchanger, and a customer, in particular an exhaust aftertreatment system can be fed.
  • Fig. 2 is a greatly simplified illustration of the reformer system of FIG. 1 with a heat exchanger.
  • a reformer system according to the invention is shown schematically.
  • This includes a fuel line 10 in which liquid fuel 12, such as gasoline or diesel, may be supplied to a reformer 14.
  • liquid fuel 12 such as gasoline or diesel
  • the liquid fuel first passes into a mixture forming zone in which it is mixed by evaporation with an air supplied from the outside. Then, the air / fuel mixture is reacted in a reaction zone of the reformer 14 by means of a reforming process in a hydrogen-rich reformate gas.
  • a reforming process partial oxidation, steam reforming, CO 2 reforming, cracking or combinations thereof, such as autothermal reforming, in question.
  • To increase the hydrogen yield may be followed by a so-called shift reaction.
  • the reforming processes take place without catalyst at about 1500 ° C.
  • the reforming temperature can be lowered by using a catalyst to about 800 to 1000 ° C.
  • the reformate gas or synthesis gas produced by the reforming process exits at the outlet 15 of the reformer 14 and consists of hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO) and inert gas (N 2 , CO 2 , H 2 O).
  • the reformate gas 18 is then fed by means of a gas line 16 to a HC adsorber 20.
  • the HC adsorber 20 may have an activated carbon filter or also as molecular sieves functioning pore structures, such as zeolites, which are applied to monolithic carrier substances and can be additionally activated catalytically, if necessary.
  • the HC adsorber 20 removes the reformate gas 18 by adsorption contained therein hydrocarbons. However, this adsorption process takes place only for temperatures of the reformate gas below a certain inversion temperature. If the reformate gas 18 has a higher temperature, desorption of hydrocarbon molecules deposited in the HC adsorber 20 by means of the preceding adsorption process takes place on the reformate gas 18.
  • the type and nature of the hydrocarbon adsorbing material is designed so that during the start phase of the Reformers 14 is given a maximum adsorption capacity of the HC adsorber for the reformate gas 18 resulting temperatures. At reformate gas temperatures at which the reformer 14 is already in a stable operating condition, the reformate gas 18 produced hardly contains any more hydrocarbon emissions. At these reformate gas temperatures, the HC adsorber 20 is in the operating mode in which the hydrocarbons are again desorbed very slowly.
  • the treated reformate gas 24 is supplied to a customer, such as an exhaust aftertreatment system 26, an internal combustion engine 28, and / or a fuel cell 30.
  • untreated reformate gas 18 can be removed from the gas line between the reformer 14 and the HC adsorber 20 by means of a branching element 32 and supplied to the exhaust aftertreatment system 26 via a further gas line 34.
  • a heat exchanger or heat exchanger 36 is connected between the reformer 14 and the HC adsorber 20. This serves to either increase or decrease the temperature of the untreated reformate gas 18 in order to optimize the adsorption or desorption yield in the downstream HC adsorber 20.
  • the temperature of the entering into the HC adsorber 20 reformate gas 18 can be adjusted during the start-up phase of the reformer 14 thereon, an optimal adsorption of it Hydrocarbons contained in the HC adsorber 20 to cause.
  • the consumer such as the internal combustion engine 28, is still “cold” and would be hampered in its function by a high proportion of hydrocarbons or the gases expelled from the internal combustion engine 28 would be characterized by high emissions which causes the HC adsorber 20 to absorb fewer hydrocarbons, but the downstream engine 20 is less obstructed in its function by the reformate gas temperature, even at elevated hydrocarbon content in the reformate gas, or is capable of processing hydrocarbons such that When the reformate gas temperature reaches a certain threshold value, the hydrocarbons previously taken up by the HC adsorber 20 are released therefrom again, at this reformate gas temperature
  • the internal combustion engine 28 in a state in which it can process a large amount of hydrocarbons in the reformate gas, without being significantly impaired in its function or without producing unwanted emissions.
  • the temperature of the reformate gas 18 can also be adjusted to a desired desorption rate of hydrocarbons from the HC adsorber 20.
  • a branch element 32 or 32 'for supplying untreated reformate gas 18 to the exhaust aftertreatment system 26 is provided both before and after the heat exchanger 36. Upon removal of the reformate gas 18 even before the heat exchanger 36 by means of the branching element 32, additional heat can be introduced into the exhaust gas of the exhaust gas treatment system 26.

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Abstract

Ein Reformersystem mit einem Reformer (14) zum Umsetzen eines kohlenwasserstoffhaltigen Kraftstoffes (12) in ein wasserstoffgasreiches Reformatgas (18) weist erfindungsgemäß einen dem Reformer nachgeschalteten HC-Adsorber (20) auf, welcher darauf ausgelegt ist, temperaturabhängig im Reformatgas (18) enthaltene Kohlenwasserstoffe zu adsorbieren bzw. zuvor adsorbierte Kohlenwasserstoffe an das Reformatgas zu desorbieren, wobei das Reformersystem darauf ausgelegt ist, das Reformatgas (18) nach Durchlaufen des HC-Adsorbers (20) an einen Abnehmer (26, 28, 30) weiterzuleiten, sowie der zeitliche Verlauf des Adsorptions-/Desorptionsverhaltens des HC-Adsorbers (20) während einer Betriebsphase des Reformers in Abhängigkeit von der in der Betriebsphase auftretenden Reformatgastemperatur und/oder einem in der Betriebsphase auftretenden Temperaturgradienten des Reformatgases derart auf den zeitlichen Verlauf des Betriebsverhaltens des Abnehmers (26, 28, 30) abgestimmt ist, dass eine wesentliche Desorption von Kohlenwasserstoffen aus dem HC-Adsorber (20) nur dann erfolgt, wenn der Abnehmer (26, 28, 30) sich in einem Betriebszustand befindet, in dem die desorbierten Kohlenwasserstoffe vom Abnehmer (26, 28, 30) derart verarbeitet werden, dass der Kohlenwasserstoffanteil der vom Abnehmer (26, 28, 30) ausgestoßenen Gase und/oder die Funktion des Abnehmers (26, 28, 30) durch die desorbierten Kohlenwasserstoffe nicht wesentlich beeinflusst wird.

Description

Reformersystem sowie Verfahren zur Reformierung
Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Reformersystem mit einem Reformer, der darauf ausgelegt ist, einen kohlenwasserstoffhaltigen Kraftstoff in ein an einem Ausgang des Reformers entnehmbares wasserstoffgasreiches Reformatgas umzusetzen. Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug mit einem derartigen Reformersystem. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Reformierung eines kohlenwasserstoffhaltigen Kraftstoffes mit einem Umsetzen des kohlenwasserstoffhaltigen Kraftstoffes in ein wasserstoffreiches Reformatgas mittels eines Reformierungsprozesses.
Reformersysteme werden in Kraftfahrzeugen generell eingesetzt, um aus flüssigen oder gasförmigen kohlenwasserstoffhaltigen Kraftstoffen ein wasserstoffreiches Synthesegas bzw. Reformatgas, bestehend aus Wasserstoff (H2), Kohlenmonoxid (CO) und Inertgas (N2, CO2, H2O) zu erzeugen. Dazu sind unterschiedliche Reformierungsverfahren, darunter partielle Oxidation, Dampfreformierung, CO2- Reformierung und Cracken oder auch Kombinationen hieraus (z.B. autotherme Reformierung) bekannt. Zur Erhöhung der Wasserstoffausbeute kann eine sogenannte Shift-Reaktion nachgeschaltet sein. Die gegenwärtig bekannten Einsatz- und Nutzungsmöglichkeiten eines Reformatgases in einem Kraftfahrzeug umfassen den Betrieb einer Brennstoffzelle, die Zufuhr zu einem Verbrennungsmotor zur Minimierung von Kaltstart-/Warmlauf- und Rohemissionen desselben Verbrennungsmotors, sowie die Nachbehandlung von Abgasen aus dem Verbrennungsmotor.
Zur Durchführung der Reformierungsprozesse im Reformer sind hohe Temperaturen erforderlich. Bei einer Reformierung von Benzin oder Diesel können diese zwischen 800 und 1500 0C betragen. Für die Einleitung der Reformierungsreaktion und einen anschließenden stabilen Reaktionsverlauf müssen zumindest bestimmte Zonen im Reformer auf eine entsprechende Temperatur gebracht werden. Bei diesen Bereichen handelt es sich um eine Gemischbildungszone zur Bildung eines Luft/Kraftstoffgemisches und gegebenenfalls um Teilbereiche eines Katalysators zur Beschleunigung der Reformierungsreaktion. Es ist in aller Regel schwer, diesen Startprozess eines Reformers genau zu steuern, insbesondere wenn der Reformierungsprozess innerhalb kürzester Zeit anlaufen muss. Es können daher insbesondere in der Startphase des Reformers hohe HC-Emissionen auftreten. So kann etwa eine Temperatur außerhalb eines Betriebsfensters eines im Reformer verwendeten Katalysators zu einer Limitierung gewünschter Reaktionsabläufe und/oder einem verstärkten Auftreten ungewünschter Nebenreaktionen führen. Dies verursacht tendenziell höhere Schadstoffemissionen, darunter HC-Emissionen. Die erhöhten HC-Emissionen des Reformers, insbesondere in der Startphase, wirken sich negativ bei der weiteren Verwendung des Reformatgases aus. Bei Verwendung des Reformatgases zum Betrieb einer Brennstoffzelle, können etwa die HC-Emissionen zu einer Schädigung der Brennstoffzelle führen. Wird das Reformatgas zum Starten und/oder zum weiteren Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine verwendet, führen hohe Kohlenwasserstoffanteile im Reformatgas zu einer Erhöhung der Emissionen der Brennkraftmaschine.
Um die HC-Emissionen zu reduzieren wird im Stand der Technik vorgeschlagen, Dämpfe leicht siedender Kraftstoffbestandteile zum Start des Reformers zu verwenden. Diese werden im einfachsten Fall entweder direkt dem Tank des zugehörigen Fahrzeugs entnommen oder mittels einem dem Tank nachgeschalteten HC-Adsorber gewonnen. Die Verwendung von mittels HC-Adsorbem aus dem Kraftstoffsystem entnommenen Kraftstoffdämpfen gestaltet sich als schwierig, da für einen schnellen und emissionsarmen Refomerstart einerseits definierte Luft- /Kraftstoffverhältnisse einzuhalten sind und andererseits der Sättigungszustand des Adsorbers mit Kraftstoffdampf und damit die je Zeiteinheit entnehmbare Menge an Kraftstoffdampf in der Regel stark variiert bzw. unbekannt ist. Damit führt die im Stand der Technik vorgeschlagene Verwendung der Kraftstoffdämpfe zu einem instabilen Verlauf des Reformierungsprozesses. Zugrundeliegende Aufgabe
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Reformersystem der eingangs genannten Art sowie ein Reformierυngsverfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, womit ein Reformatgas in einem stabilen Reaktionsprozess erzeugt werden kann, welches problemlos von einem nachgeschalteten Abnehmer verarbeitet werden kann.
Erfindunqsgemäße Lösung
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einem Reformersystem gelöst, das einen Reformer zum Umsetzen eines kohlenwasserstoffhaltigen Kraftstoffes in ein wasserstoffgasreiches Reformatgas, sowie einem dem Reformer nachgeschalteten HC-Adsorber aufweist, welcher darauf ausgelegt ist, temperaturabhängig im Reformatgas enthaltene Kohlenwasserstoffe zu adsorbieren bzw. zuvor adsorbierte Kohlenwasserstoffe an das Reformatgas zu desorbieren, wobei das Reformersystem darauf ausgelegt ist, das Reformatgas nach Durchlaufen des HC- Adsorbers an einen Abnehmer weiterzuleiten, sowie der zeitliche Verlauf des Adsorptions-/Desorptionsverhaltens des HC-Adsorbers während einer Betriebsphase des Reformers in Abhängigkeit von der in der Betriebsphase auftretenden Reformatgastemperatur und/oder einem in der Betriebsphase auftretenden Temperaturgradienten des Reformatgases derart auf den zeitlichen Verlauf des Betriebsverhaltens des Abnehmers abgestimmt ist, dass eine wesentliche Desorption von Kohlenwasserstoffen aus dem HC-Adsorber nur dann erfolgt, wenn der Abnehmer sich in einem Betriebszustand befindet, in dem die desorbierten Kohlenwasserstoffe vom Abnehmer derart verarbeitet werden, dass der Kohlenwasserstoffanteil der vom Abnehmer ausgestoßenen Gase und/oder die Funktion des Abnehmers durch die desorbierten Kohlenwasserstoffe nicht wesentlich beeinflusst wird.
Weiterhin wird die Aufgabe erfindungsgemäß mit einem Verfahren zur Reformierung eines kohlenwasserstoffhaltigen Kraftstoffes gelöst mit einem Umsetzen des kohlenwasserstoffhaltigen Kraftstoffes in ein wasserstoffreiches Reformatgas mittels eines Reformierungsprozesses, einem temperaturabhängigen Adsorbieren von im Reformatgas enthaltenen Kohlenwasserstoffen an einen HC-Adsorber bzw. Desorbieren zuvor adsobierter Kohlenwasserstoffe an das Reformatgas, sowie einem Weiterleiten des Reformatgases nach dem Durchlaufen des HC-Adsorbers an einen Abnehmer, wobei der zeitliche Verlauf des Adsorptions- /Desorptionsverhalten des HC-Adsorbers während einer Betriebsphase des Reformers in Abhängigkeit von der in der Betriebsphase auftretenden Reformatgastemperatur und/oder einem in der Betriebsphase auftretenden Temperaturgradienten des Reformatgases derart auf den zeitlichen Verlauf des Betriebsverhaltens des Abnehmers abgestimmt ist, dass eine wesentliche Desorption von Kohlenwasserstoffen aus dem HC-Adsorber nur dann erfolgt, wenn der Abnehmer sich in einem Betriebszustand befindet, in dem die desorbierten Kohlenwasserstoffe vom Abnehmer derart verarbeitet werden, dass der Kohlenwasserstoffanteil der vom Abnehmer ausgestoßenen Gase und/oder die Funktion des Abnehmers durch die desorbierten Kohlenwasserstoffe nicht wesentlich beeinflusst wird.
Durch die erfindungsgemäß dem Reformierungsprozess im Reformer nachgeschaltete Adsorption der im Reformatgas enthaltenen Kohlenwasserstoffe mittels dem HC-Adsorber muss beim Betrieb des Reformers während der Betriebsphase, insbesondere während dessen Startphase, im Wesentlichen nicht die Beschaffenheit des Kraftstoffes bzw. die Güte des Luft-/Kraftstoffgemisches beachtet werden. Die Bedingungen des Reformierungsprozesses können gezielt an die sonstigen Anforderungen der Betriebsphase angepasst und dabei stabil gehalten werden. Es wird ein stabiler Ablauf des Reaktionsprozesses ermöglicht. Femer ermöglicht die erfindungsgemäße Lösung, das Reformierungsverfahren ohne Beachtung entsprechender dem HC-Emissionsverhalten geschuldeter Randbedingungen hinsichtlich Schnellstartfähigkeit und/oder Dauerhaltbarkeit zu optimieren.
Das Betriebsverhalten des Abnehmers ist durch die Reformatgastemperatur, den Temperaturgradienten des Reformatgases und/oder die Konzentration an Kohlenwasserstoffen beeinflusst. Durch die Abhängigkeit des Adsorptions- /Desorptionsverhaltens des HC-Adsorbers von der Reformatgastemperatur wird der Einfluss der zeitabhängigen Veränderung der Reformatgastemperatur auf das Betriebsverhalten des Abnehmers entsprechend berücksichtigt. Der erfindungsgemäße HC-Adsorber kann in der Betriebsphase, wie etwa beim Start des Reformerprozesses, bei dem eine große Menge an Kohlenwasserstoffen erzeugt wird, eine durch eine geringe Reformatgastemperatur beeinflusste hohe Adsorptionsfähigkeit aufweisen. In dieser Phase ist das den Abnehmer erreichende Reformatgas im Wesentlichen kohlenwasserstofffrei bzw. enthält nur einen geringen Kohlenwasserstoffanteil. Der Abnehmer ist in dieser Phase beispielsweise noch "kalt" und würde in seiner Funktion durch einen hohen Kohlenwasserstoffanteil behindert bzw. die vom Abnehmer ausgestoßenen Gase wären durch hohe Emissionen gekennzeichnet. Im weiteren Verlauf des Reformerverfahrens, wie etwa in dem der Startphase folgenden Zeitabschnitt steigt nun die Reformatgastemperatur an, was bewirkt, dass der HC-Adsorber weniger Kohlenwasserstoffe aufnimmt. Der nachgeschaltete Abnehmer wird nun aber durch die Reformatgastemperatur, selbst bei erhöhtem Kohlenwasserstoffanteil im Reformatgas in seiner Funktion weniger behindert bzw. ist in der Lage, Kohlenwasserstoffe derart zu verarbeiten, dass die vom Abnehmer ausgestoßenen Gase weniger durch Kohlenwasserstoffe belastet sind. Erreicht die Reformatgastemperatur einen bestimmten Schwellenwert, so werden die zuvor vom HC-Adsorber aufgenommenen Kohlenwasserstoffe von diesem wieder abgegeben. Bei dieser Reformatgastemperatur befindet sich der Abnehmer jedoch in einem Zustand, in der dieser eine große Menge von Kohlenwasserstoffen im Reformatgas verarbeiten kann, ohne in seiner Funktion wesentlich beeinträchtigt zu werden bzw. ohne unerwünschte Emissionen zu erzeugen.
Durch das erfindungsgemäße Reformersystem kann damit das vom Reformer erzeugte Reformatgas problemlos, d.h. ohne Beeinträchtigung der Funktion des Abnehmers bzw. ohne Erzeugung unerwünschter Schadstoffe in übermäßigem Ausmaß verarbeitet werden. Wird das Reformatgas einem als Abnehmer fungierenden Abgasnachbehandlungssystem eines Verbrennungsmotors zugeführt, so soll eine wesentliche Desorption von Kohlenwasserstoffen aus dem HC-Adsorber erst dann erfolgen, wenn etwa ein im Abgasnachbehandlungssystem vorgesehener Katalysator seine Anspringtemperatur erreicht oder überschritten hat. Die erfindungsgemäße Ausführungsform ermöglicht damit einen Abbau der im HC- Adsorber befindlichen Kohlenwasserstoffe ohne entsprechende Belastung der Umwelt mit Kohlenwasserstoffemissionen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
Vorteilhafterweise umfasst die Betriebsphase des Reformers eine Startphase, während der der zeitliche Verlauf des Adsorptions-/Desorptionsverhaltens des HC- Adsorbers in Abhängigkeit von der in der Startphase zeitlich ansteigenden Reformatgastemperatur und/oder einem in der Startphase auftretenden Temperaturgradienten des Reformatgases derart auf den zeitlichen Verlauf des Betriebsverhaltens des Abnehmers abgestimmt ist, dass eine wesentliche Desorption von Kohlenwasserstoffen aus dem HC-Adsorber erst dann erfolgt, wenn der Abnehmer sich in einem Betriebszustand befindet, in dem die desorbierten Kohlenwasserstoffe vom Abnehmer derart verarbeitet werden, dass der Kohlenwasserstoffanteil der vom Abnehmer ausgestoßenen Gase und/oder die Funktion des Abnehmers durch die desorbierten Kohlenwasserstoffe nicht wesentlich beeinflusst wird.
In vorteilhafter Ausführungsform umfasst der Abnehmer ein Abgasnachbehandlungssystem, einen Verbrennungsmotor und/oder eine Brennstoffzelle. Als Abnehmer des Reformatgases kann beispielsweise ein Verbrennungsmotor vorgesehen sein, dem zur Minimierung seiner Kaltstart-, Warmlauf- und Rohemission das wasserstoffgasreiche Reformatgas zugeführt wird. Nach der vorliegenden erfindungsgemäßen Ausführungsform erfolgt eine wesentliche Desorption von Kohlenwasserstoffen erst dann, wenn sich die Verbrennungsbedingungen im Verbrennungsmotor derart stabilisiert haben, dass der zusätzliche Kohlenwasserstoffgehalt des Reformatgases keine negativen Auswirkungen auf die HC-Emissionen des Verbrennungsmotors hat.
In zweckmäßiger Ausführungsform erfolgt die Abstimmung des Adsorptions- /Desorptionsverhaltens des HC-Adsorbers in Abhängigkeit von der Reformatgastemperatur durch geeignete Auswahl des Materials des HC-Adsorbers und/oder durch geeignete Positionierung des HC-Adsorbers. Durch geeignete Positionierung des HC-Adsorbers in größerer Nähe oder in weiterer Entfernung vom Reformer kann durch die natürliche Abkühlung des Reformatgases entlang der Wegstrecke die Reformatgastemperatur auf das Adsorptions-/Desorptionsverhalten des HC-Adsorbers entsprechend angepasst werden.
In vorteilhafter Ausführungsform ist der vom Reformer umsetzbare kohlenwasserstoffhaltige Kraftstoff flüssig, und enthält insbesondere Benzin, Diesel und/oder Alkohole. Eine Adsorption von Kohlenwasserstoffen im Anschluss an den Reformierungsprozess erweist sich bei einem aus flüssigem Kraftstoff erzeugten Reformatgas als besonders vorteilhaft. Dies ist dadurch bedingt, dass sich bei Verwendung von flüssigem Kraftstoff das Emissionsverhalten während des Reformerstarts noch zusätzlich verschlechtert, da bei geringer Temperatur der vor der Reformierungsreaktion zwischen einem flüssigen Medium und Luft erfolgende Homogenisierungsprozess erschwert wird.
Um dem Reformatgas besonders wirksam Kohlenwasserstoffe zu entziehen, ist es zweckmäßig, wenn der HC-Adsorber Aktivkohle und/oder einen Stoff mit einer als Molekularsieb funktionierenden Porenstruktur, insbesondere Zeolith aufweist. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn dieser Stoff auf monolithische Trägersubstanzen aufgebracht und bei Bedarf zusätzlich katalytisch aktiviert wird. Der HC-Adsorber kann vorteilhaft auf Adsorbermaterialien und Methoden beruhen, die auch bei der Minimierung von HC-Emissionen aus dem Kraftstoffversorgungssystem oder von Motoremissionen während des Starts und Warmlaufs eines Verbrennungsmotors verwendet werden.
In vorteilhafter Ausführungsform ist die Funktion des HC-Adsorbers derart auf die Reformatgastemperatur abgestimmt, dass bei einer Umkehrtemperatur des Reformatgases die Adsorption der Kohlenwasserstoffe aus dem Reformatgas durch eine Desorption der adsorbierten Kohlenwasserstoffe an das Reformatgas ausgeglichen wird, sowie unterhalb der Umkehrtemperatur die Adsorption und oberhalb der Umkehrtemperatur die Desorption überwiegt. An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass die Umkehrtemperatur für ein typisches Reformatgas kein fester Wert ist, sondern einen Bereich darstellt, in dem für bestimmte Spezies noch Adsorption vorliegt, für andere Spezies jedoch Desorption vorliegt. Dies ist dadurch bedingt, dass für jede HC-Spezies eine individuelle Umkehrtemperatur vorliegt. Dabei kann über die Auswahl und das Design des Adsorbermaterials des HC- Adsorbers das Adsorptions- und Desorptionsverhalten über die Temperatur auf bestimmte Kohlenwasserstoffspezies quasiselektiv optimiert werden. Mit anderen Worten, liegt unterhalb der Umkehrtemperatur eine positive Adsorptionsbilanz vor, d.h. eine größere Anzahl von Kohlenwasserstoffmolekülen lagern sich an dem HC- Adsorber pro Zeiteinheit an, als von diesem in dieser Zeiteinheit desorbiert werden. Oberhalb der Umkehrtemperatur liegt nun eine negative Adsorptionsbilanz bzw. eine positive Desorptionsbilanz vor. Der Wert der Umkehrtemperatur hängt von physikalischen Randbedingungen, wie etwa Druck des Reformatgases, Sättigungsgrad des HC-Adsorbers und/oder Wassergehalt des Reformatgases, sowie der Art der adsorbierten Kohlenwasserstoffspezies und Auswahl des Adsorbermaterials ab.
Durch das erfindungsgemäße temperaturabhängige Umkehrverhalten der Kohlenwasserstoffadsorption lässt sich das Reformersystem wie folgt betreiben. Während der Start- und Hochlaufphase des Reformersystems, in der Kohlenwasserstoffe in großer Menge erzeugt werden, weist der HC-Adsorber aufgrund der relativ geringen Reformatgastemperatur ein großes Aufnahmevermögen für die Kohlenwasserstoffmoleküle auf. Daraufhin stabilisiert sich der Reformierungsprozess, was zur Folge hat, dass die Kohlenwasserstoffemissionen aus dem Reformer auf ein unkritisches Maß zurückgehen. In dieser Phase befindet sich die Reformatgastemperatur oberhalb der Umkehrtemperatur des HC-Adsorbers, wodurch eine Desorption der während dem Start und Hochlauf des Reformers adsorbierten Kohlenwasserstoffe erfolgt. Diese Desorption erfolgt zweckmäßigerweise mit einer für den Abnehmer des Reformatgases verträglichen Rate. Da in dieser Phase die Kohlenwasserstoffbelastung des den Reformer verlassenden Reformatgases sehr niedrig ist, lässt sich die Gesamtkohlenwasserstoffkonzentration im dem Abnehmer zugeführten Reformatgas selbst bei einer gewissen Zunahme des Kohlenwasserstoffgehaltes durch Desorption aus dem HC-Adsorber immer noch in einem akzeptablen Rahmen halten. Durch die allmähliche Desorption der Kohlenwasserstoffe aus dem HC-Adsorber im Normalbetrieb entleert sich der HC- Adsorber dabei soweit, dass er bei einem neuerlichen Startprozess des Reformers wieder ausreichend aufnahmefähig ist. Bei einer darüber hinaus zweckmäßigen Ausführungsform, in der das Reformatgas beim Betrieb des Reformers in einem sich nach einer Anlaufphase des Reformierungsprozesses einstellenden Temperaturgleichgewicht eine konstante Gleichgewichtstemperatur einnimmt, ist es vorteilhaft, wenn die Umkehrtemperatur des HC-Adsorbers kleiner ist als die Gleichgewichtstemperatur des Reformatgases und/oder die Adsorptionsfähigkeit des HC-Adsorbers für Kohlenwasserstoffe, insbesondere für die im Reformatgas enthaltenen Kohlenwasserstoffspezies bei einer relativ zur Gleichgewichtstemperatur niedrigen Temperatur, insbesondere bei einer Temperatur von maximal 100 0C, ein Maximum aufweist. Ein bezüglich seiner Art und Beschaffenheit derart ausgelegter HC-Adsorber ermöglicht eine optimale Kohlenwasserstoffreduktion des Reformatgases während der Startphase des Reformers, in welcher der Kohlenwasserstoffanteil im Reformatgas am höchsten ist.
Um den HC-Adsorber binnen kürzester Zeit von Kohlenwasserstoffen entleeren zu können und damit wieder für eine neuerliche Startphase des Reformers einsatzbereit zu machen, ist es zweckmäßig, wenn der HC-Adsorber darauf ausgelegt ist, dass bei einer Temperatur des Reformatgases oberhalb einer Entleerungstemperatur adsorbierte Kohlenwasserstoffe des HC-Adsorbers unverzögert und vollständig an das Reformatgas desorbieren. Mit anderen Worten sollen die Kohlenwasserstoffe des HC-Adsorbers innerhalb kürzester Zeit zu möglichst 100% in einem relevanten Temperaturbereich oberhalb der Entleerungstemperatur desorbieren. Die Entleerungstemperatur kann dabei zweckmäßigerweise oberhalb der Umkehrtemperatur liegen. Der genaue Wert der Entleerungstemperatur ist dabei, wie auch der Wert der Umkehrtemperatur von physikalischen Randbedingungen, wie etwa Druck des Reformatgases, Sättigungsgrad des HC-Adsorbers und/oder Wassergehalt des Reformatgases sowie Art der adsorbierten Kohlenwasserstoffspezies und Auswahl des Adsorbermaterials abhängig.
Um das Aufnahmevermögen für Kohlenwasserstoff eines dem Reformersystem nachgeschalteten Abnehmers bei niedrigeren Reformatgastemperaturen nicht zu überschreiten, ist es vorteilhaft, wenn der HC-Adsorber darauf ausgelegt ist, dass bei einer Temperatur des Reformatgases unterhalb der Entleerungstemperatur zuvor adsorbierte Kohlenwasserstoffe des HC-Adsorbers mit einer relativ zur Desorptionsrate oberhalb der Entleerungstemperatur geringen Rate an das Reformatgas desorbieren. Vorteilhafterweise weist der HC-Adsorber diese relativ geringe Desorptionsrate in einem Temperaturbereich zwischen der Umkehrtemperatur und der Entleerungstemperatur auf. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Desorptionsrate des HC-Adsorbers im Temperaturbereich zwischen der Umkehrtemperatur und der Entleerungstemperatur kleiner ist als die Adsorptionsrate des HC-Adsorbers bei einer Temperatur unterhalb der Umkehrtemperatur.
Um die Temperatur des aus dem Reformer austretenden Reformatgases optimal auf eine Temperatur einzustellen, bei welcher der HC-Adsorber eine geeignete Adsorptions- bzw. Desorptionsfähigkeit aufweist, ist es vorteilhaft, wenn das Reformersystem einen dem Reformer nachgeschalteten Wärmetauscher aufweist, mittels dem die Temperatur des Reformatgases veränderbar, insbesondere verringerbar ist. Dabei ist der Wärmetauscher dem HC-Adsorber vorgeschaltet und/oder ist der HC-Adsorber in den Wärmetauscher integriert, insbesondere ist Kohlenwasserstoff adsorbierendes Material des HC-Adsorbers in Wandungen des Wärmetauschers enthalten. Mit anderen Worten sind in einer ersten Alternative der Wärmetauscher und der HC-Adsorber zwei getrennte Einrichtungen, wobei das den Reformer verlassende Reformatgas zunächst den Wärmetauscher durchläuft und daraufhin mit einer auf das Adsorptions- bzw. Desorptionsverhalten des HC- Adsorbers abgestimmten Temperatur durch den HC-Adsorber geführt wird. Die Art und Beschaffenheit des Materials des HC-Adsorbers ist dabei so gewählt, dass das Temperaturfenster des HC-Adsorbers, in dem Desorption der Kohlenwasserstoffe an das Reformatgas erfolgt, so gewählt ist, dass es die sich von selbst einstellenden bzw. über Wärmetausch einstellbaren Reformatgastemperaturen enthält.
In der zweiten Alternative, in welcher der HC-Adsorber in den Wärmetauscher integriert ist, läuft der Kohlenwasserstoffaustausch mit dem HC-Adsorber gleichzeitig zur Temperaturveränderung des Reformatgases mittels des Wärmetauschers ab. Diese Alternative ist besonders platzsparend. Als kohlenwasserstoffadsorbierendes Material zur Integration in die Wandungen des Wärmetauschers eignet sich insbesondere ein Material mit zeolithischen Strukturen. Zweckmäßigerweise erfolgt die Anordnung des HC-Adsorbers nach dem Reformersystem oder nach dem Wärmetauscher an einer Position, an der eine Einstellung des für den Gesamtprozess optimalen Adsorptions- bzw. Desorptionstemperaturfensters am HC-Adsorber am besten möglich ist.
In zweckmäßiger Ausführungsform ist der Wärmetauscher darauf ausgelegt, die Temperatur des Reformatgases auf eine zur Adsorption bzw. zur Desorption der Kohlenwasserstoffe durch den HC-Adsorber geeignete, insbesondere optimale Temperatur einzustellen. Mit anderen Worten, wird vorzugsweise bei Verwendung eines Wärmetauschers nach dem Reformersystem und Anordnung des HC- Adsorbers nach diesem Wärmetauscher die Wärmeabgabe des Reformatgases im Wärmetauscher so geregelt, dass die Adsorption und Desorption der Kohlenwasserstoffe am und vom HC-Adsorber in einem hinsichtlich des Adsorptions- bzw. Desorptionswirkungsgrades optimalen Temperaturfenster erfolgt.
Für bestimmte Anwendungen des Reformats im Abgasnachbehandlungssystem ist es wünschenswert, dem Abgasnachbehandlungssystem größere Mengen an Kohlenwasserstoffen zuzuführen. Das erfindungsgemäße Reformersystem weist dazu in vorteilhafter Ausführungsform Entnahmemittel auf, mittels welchen zumindest ein Teil des Reformatgases aus dem Reformatgasstrom vor Eintritt in den HC-Adsorber zwischen dem Ausgang des Reformers und dem HC-Adsorber, insbesondere vor und/oder nach dem Wärmetauscher abzweigbar ist und einem Abnehmer, insbesondere einem Abgasnachbehandlungssystem zuführbar ist. In bestimmten Anwendungen kann es auch dienlich sein, über heißes Reformat zusätzliche Wärme in das Abgas einzubringen. Dabei kann es vorteilhaft sein, das Reformatgas dem Reformatgasstrom vor dem Wärmetauscher zu entnehmen.
Hinsichtlich der besonderen Vorteile des erfindungsgemäßen Reformierungs- verfahrens und dessen Weiterbildungen wird auf die vorstehend gemachten Ausführungen verwiesen.
Kurzbeschreibunq der Zeichnungen Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Reformersystems anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig.1 eine stark vereinfachte Veranschaulichung eines
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Reformersystems mit daran angeschlossenen Abnehmern, sowie
Fig. 2 eine stark vereinfachte Veranschaulichung des Reformersystems gemäß Fig. 1 mit einem Wärmetauscher.
Detaillierte Beschreibung des Ausführunqsbeispiels
In Fig. 1 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Reformersystem dargestellt. Dieses umfasst eine Kraftstoffleitung 10, in der flüssiger Kraftstoff 12, wie etwa Benzin oder Diesel einem Reformer 14 zugeführt werden kann. Im Reformer 14 gelangt der flüssige Kraftstoff zunächst in eine Gemischbildungszone, in der er durch Verdampfen mit einer von außen her zugeführten Luft vermischt wird. Daraufhin wird das Luft/Kraftstoff-Gemisch in einer Reaktionszone des Reformers 14 mittels eines Reformierungsverfahrens in ein wasserstoffgasreiches Reformatgas umgesetzt. Als Reformierungsverfahren kommen partielle Oxidation, Dampf- reformierung, CO2-Reformierung, Cracken oder auch Kombinationen hieraus, wie z.B. autotherme Reformierung, in Frage. Zur Erhöhung der Wasserstoffausbeute kann eine sogenannte Shift-Reaktion nachgeschaltet sein. Für die Kraftstoffe Benzin und Diesel laufen die Reformierungsprozesse ohne Katalysator bei ca. 1500° C ab. Die Reformierungstemperatur kann dabei durch Einsatz eines Katalysators auf ca. 800 bis 1000° C abgesenkt werden. Das durch den Reformierungsprozess entstehende Reformatgas bzw. Synthesegas tritt am Ausgang 15 des Reformers 14 aus und besteht aus Wasserstoff (H2), Kohlenmonoxid (CO) und Inertgas (N2, CO2, H2O). Das Reformatgas 18 wird daraufhin mittels einer Gasleitung 16 einem HC- Adsorber 20 zugeführt. Der HC-Adsorber 20 kann einen Aktivkohlefilter oder auch als Molekularsiebe funktionierende Porenstrukturen, wie z.B. Zeolithe, die auf monolithische Trägersubstanzen aufgebracht sind und bei Bedarf zusätzlich katalytisch aktiviert werden können, aufweisen. Der HC-Adsorber 20 entzieht dem Reformatgas 18 durch Adsorption darin enthaltene Kohlenwasserstoffe. Dieser Adsorptionsvorgang erfolgt allerdings nur für Temperaturen des Reformatgases unterhalb einer bestimmten Umkehrtemperatur. Weist das Reformatgas 18 eine höhere Temperatur auf, so erfolgt eine Desorption von mittels des vorangegangenen Adsorptionsprozesses im HC-Adsorber 20 angelagerten Kohlenwasser- stoffmolekülen an das Reformatgas 18. Die Art und Beschaffenheit des Kohlenwasserstoffe adsorbierenden Materials ist so ausgelegt, dass bei während der Startphase des Reformers 14 sich für das Reformatgas 18 ergebenden Temperaturen eine maximale Adsorptionsfähigkeit des HC-Adsorbers gegeben ist. Bei Reformatgastemperaturen, bei denen sich der Reformer 14 bereits in einem stabilen Betriebszustand befindet, enthält das erzeugte Reformatgas 18 kaum mehr Kohlenwasserstoffemissionen. Bei diesen Reformatgastemperaturen befindet sich der HC-Adsorber 20 in dem Betriebsmodus, in dem die Kohlenwasserstoffe wieder sehr langsam desorbiert werden.
Das behandelte Reformatgas 24 wird einem Abnehmer, wie etwa einem Abgasnachbehandlungssystem 26, einem Verbrennungsmotor 28 und/oder einer Brennstoffzelle 30 zugeführt. Zusätzlich kann unbehandeltes Reformatgas 18 mittels eines Abzweigungselementes 32 aus der Gasleitung zwischen dem Reformer 14 und dem HC-Adsorber 20 entnommen und über eine weitere Gasleitung 34 dem Abgasnachbehandlungssystem 26 zugeführt werden.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reformersystems ist zwischen den Reformer 14 und den HC-Adsorber 20 ein Wärmetauscher bzw. Wärmeübertrager 36 geschaltet. Dieser dient dazu, die Temperatur des unbehandelten Reformatgases 18 entweder zu erhöhen oder zu verringern, um damit die Adsorptions- bzw. Desorptionsausbeute im nachgeschalteten HC-Adsorber 20 zu optimieren. Die Temperatur, des in den HC- Adsorber 20 eintretenden Reformatgases 18 kann dabei während der Anlaufphase des Reformers 14 darauf abgestimmt werden, eine optimale Adsorption der darin enthaltenen Kohlenwasserstoffe im HC-Adsorber 20 zu bewirken. In dieser Phase ist der Abnehmer, wie etwa der Verbrennungsmotor 28 noch „kalt" und würde in seiner Funktion durch einen hohen Kohlenwasserstoffanteil behindert bzw. die vom Verbrennungsmotor 28 ausgestoßenen Gase wären durch hohe Emissionen gekennzeichnet. Im weiteren Verlauf des Reformerverfahrens steigt nun die Reformatgastemperatur kontinuierlich an, was bewirkt, dass der HC-Adsorber 20 weniger Kohlenwasserstoffe aufnimmt. Der nachgeschaltete Verbrennungsmotor 20 wird nun aber durch die Reformatgastemperatur, selbst bei erhöhtem Kohlenwasserstoffanteil im Reformatgas in seiner Funktion weniger behindert bzw. ist in der Lage, Kohlenwasserstoffe derart zu verarbeiten, dass die vom Verbrennungmotor 28 ausgestoßenen Gase weniger durch Kohlenwasserstoffe belastet sind. Erreicht die Reformatgastemperatur einen bestimmten Schwellenwert, so werden die zuvor vom HC-Adsorber 20 aufgenommenen Kohlenwasserstoffe von diesem wieder abgegeben. Bei dieser Reformatgastemperatur befindet sich der Verbrennungsmotor 28 jedoch in einem Zustand, in der dieser eine große Menge von Kohlenwasserstoffen im Reformatgas verarbeiten kann, ohne in seiner Funktion wesentlich beeinträchtigt zu werden bzw. ohne unerwünschte Emissionen zu erzeugen.
Im stabilen Betriebszustand des Reformers 14 kann die Temperatur des Reformatgases 18 auch auf eine gewünschte Desorptionsrate von Kohlenwasserstoffen aus dem HC-Adsorber 20 eingestellt werden. Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform ist sowohl vor als auch nach dem Wärmetauscher 36 ein Abzweigungselement 32 bzw. 32' zum Zuführen unbehandelten Reformatgases 18 zum Abgasnachbehandlungssystem 26 vorgesehen. Bei einer Entnahme des Reformatgases 18 schon vor dem Wärmetauscher 36 mittels dem Abzweigungselement 32 kann zusätzliche Wärme in das Abgas des Abgasbehandlungssystem 26 eingebracht werden. Bezugszeichenliste
10 Kraftstoffleitung
12 Kraftstoff
14 Reformer
15 Ausgang des Reformers
16, 16' Gasleitung
18 unbehandeltes Reformatgas
20 HC-Adsorber
22 Gasleitung
24 behandeltes Reformatgas
26 Abgasnachbehandlungssystem
28 Verbrennungsmotor
30 Brennstoffzelle
32, 32' Abzweigungselement
34 Gasleitung
36 Wärmetauscher

Claims

Patentansprüche
1. Reformersystem mit einem Reformer (14) zum Umsetzen eines kohlenwasserstoffhaltigen Kraftstoffes (12) in ein wasserstoffgasreiches Reformatgas (18), sowie einem dem Reformer nachgeschalteten HC-Adsorber (20), welcher darauf ausgelegt ist, temperaturabhängig im Reformatgas (18) enthaltene Kohlenwasserstoffe zu adsorbieren bzw. zuvor adsorbierte Kohlenwasserstoffe an das Reformatgas zu desorbieren, wobei das Reformersystem darauf ausgelegt ist, das Reformatgas (18) nach Durchlaufen des HC-Adsorbers (20) an einen Abnehmer (26, 28, 30) weiterzuleiten, sowie der zeitliche Verlauf des Adsorptions- /Desorptionsverhaltens des HC-Adsorbers (20) während einer Betriebsphase des Reformers in Abhängigkeit von der in der Betriebsphase auftretenden Reformatgastemperatur und/oder einem in der Betriebsphase auftretenden Temperaturgradienten des Reformatgases derart auf den zeitlichen Verlauf des Betriebsverhaltens des Abnehmers (26, 28, 30) abgestimmt ist, dass eine wesentliche Desorption von Kohlenwasserstoffen aus dem HC-Adsorber (20) nur dann erfolgt, wenn der Abnehmer (26, 28, 30) sich in einem Betriebszustand befindet, in dem die desorbierten Kohlenwasserstoffe vom Abnehmer (26, 28, 30) derart verarbeitet werden, dass der Kohlenwasserstoffanteil der vom Abnehmer (26, 28, 30) ausgestoßenen Gase und/oder die Funktion des Abnehmers (26, 28, 30) durch die desorbierten Kohlenwasserstoffe nicht wesentlich beeinflusst wird.
2. Reformersystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsphase des Reformers eine Startphase umfasst, während der der zeitliche Verlauf des Adsorptions-/Desorptionsverhaltens des HC-Adsorbers (20) in Abhängigkeit von der in der Startphase zeitlich ansteigenden Reformatgastemperatur und/oder einem in der Startphase auftretenden Temperaturgradienten des Reformatgases derart auf den zeitlichen Verlauf des Betriebsverhaltens des Abnehmers (26, 28, 30) abgestimmt ist, dass eine wesentliche Desorption von Kohlenwasserstoffen aus dem HC-Adsorber (20) erst dann erfolgt, wenn der Abnehmer (26, 28, 30) sich in einem Betriebszustand befindet, in dem die desorbierten Kohlenwasserstoffe vom Abnehmer (26, 28, 30) derart verarbeitet werden, dass der Kohlenwasserstoffanteil der vom Abnehmer (26, 28, 30) ausgestoßenen Gase und/oder die Funktion des Abnehmers (26, 28, 30) durch die desorbierten Kohlenwasserstoffe nicht wesentlich beeinflusst wird.
3. Reformersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abnehmer (26, 28, 30) ein Abgasnachbehandlungssystem (26), einen Verbrennungsmotor (28) und/oder eine Brennstoffzelle (30) umfasst.
4. Reformersystem nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstimmung des Adsorptions-/Desorptions- verhaltens des HC-Adsorbers (20) in Abhängigkeit von der Reformatgastemperatur durch geeignete Auswahl des Materials des HC-Adsorbers (20) und/oder durch geeignete Positionierung des HC-Adsorbers (20) erfolgt.
5. Reformersystem nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der vom Reformer (14) umsetzbare kohlenwasserstoffhaltige Kraftstoff (12) flüssig ist, und insbesondere Benzin, Diesel und/oder Alkohole enthält.
6. Reformersystem nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der HC-Adsorber (20) Aktivkohle und/oder einen Stoff mit einer als Molekularsieb funktionierenden Porenstruktur, insbesondere Zeolith aufweist.
7. Reformersystem nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion des HC-Adsorbers (20) derart auf die Reformatgastemperatur abgestimmt ist, dass bei einer Umkehrtemperatur des Reformatgases (18) die Adsorption der Kohlenwasserstoffe aus dem Reformatgas (18) durch eine Desorption der adsorbierten Kohlenwasserstoffe an das Reformatgas (18) ausgeglichen wird, sowie unterhalb der Umkehrtemperatur die Adsorption und oberhalb der Umkehrtemperatur die Desorption überwiegt.
8. Reformersystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Reformatgas (18) beim Betrieb des Reformers (14) in einem sich nach einer Anlaufphase des Reformierungsprozesses einstellenden Temperaturgleichgewicht eine konstante Gleichgewichtstemperatur einnimmt, wobei die Umkehrtemperatur des HC-Adsorbers (20) kleiner ist als die Gleichgewichtstemperatur des Reformatgases (18) und/oder die Adsorptionfähigkeit des HC-Adsorbers (20) für Kohlenwasserstoffe, insbesondere für die im Reformatgas (18) enthaltenen Kohlenwasserstoffspezies bei einer relativ zur Gleichgewichtstemperatur niedrigen Temperatur, insbesondere bei einer Temperatur von maximal 100 0C, ein Maximum aufweist.
9. Reformersystem nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der HC-Adsorber (20) darauf ausgelegt ist, dass bei einer Temperatur des Reformatgases (18) oberhalb einer Entleerungstemperatur adsorbierte Kohlenwasserstoffe des HC-Adsorbers (18) unverzögert und vollständig an das Reformatgas (18) desorbieren.
10. Reformersystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der HC-Adsorber (20) darauf ausgelegt ist, dass bei einer Temperatur des Reformatgases (18) unterhalb der Entleerungstemperatur zuvor adsorbierte Kohlenwasserstoffe des HC-Adsorbers mit einer relativ zur Desorptionsrate oberhalb der Entleerungstemperatur geringen Rate an das Reformatgas (18) desorbieren.
1 1. Reformersystem nach einem der vorausgehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen dem Reformer (14) nachgeschalteten Wärmetauscher (36), mittels dem die Temperatur des Reformatgases (18) veränderbar, insbesondere verringerbar ist, wobei der Wärmetauscher (36) dem HC-Adsorber (20) vorgeschaltet ist und/oder der HC-Adsorber (20) in den Wärmetauscher (36) integriert ist, insbesondere kohlenwasserstoffadsorbierendes Material des HC- Adsorbers (20) an Wandungen des Wärmetauschers (36) enthalten ist .
12. Reformersystem nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (36) darauf ausgelegt ist, die Temperatur des Reformatgases (18) auf eine zur Adsorption bzw. zur Desorption der Kohlenwasserstoffe durch den HC-Adsorber (20) geeignete, insbesondere optimale Temperatur einzustellen.
13. Reformersystem nach einem der vorausgehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Entnahmemittel (32, 32', 34), mittels welcher zumindest ein Teil des Reformatgases (18) aus dem Reformatgasstrom vor Eintritt in den HC- Adsorber (20) zwischen einem Ausgang (15) des Reformers (14) und dem HC- Adsorber (20), insbesondere vor und/oder nach dem Wärmetauscher (36), abzweigbar ist und einem Abnehmer (26, 28, 30), insbesondere einem Abgasnachbehandlungssystem (26) zuführbar ist.
14. Fahrzeug mit einem Reformersystem nach einem der vorausgehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Abnehmer (26, 28, 30), insbesondere einen Verbrennungsmotor (28), eine Brennstoffzelle (30) und/oder ein Abgasnachbehandlungssystem (26), sowie durch Gaszuführmittel (22) zum Zuführen des Reformatgases (14) nach Durchlaufen des HC-Adsorbers (20) zum Abnehmer (26, 28, 30).
15. Verfahren zur Reformierung eines kohlenwasserstoffhaltigen Kraftstoffes (12) mit einem Umsetzen des kohlenwasserstoffhaltigen Kraftstoffes (12) in ein wasserstoffreiches Reformatgas (18) mittels eines Reformierungsprozesses, einem temperaturabhängigen Adsorbieren von im Reformatgas (18) enthaltenen Kohlenwasserstoffen an einen HC-Adsorber (20) bzw. Desorbieren zuvor adsobierter Kohlenwasserstoffe an das Reformatgas (18) , sowie einem Weiterleiten des Reformatgases (18) nach dem Durchlaufen des HC- Adsorbers (20) an einen Abnehmer (26, 28, 30), wobei der zeitliche Verlauf des Adsorptions-/Desorptionsverhalten des HC- Adsorbers (20) während einer Betriebsphase des Reformers in Abhängigkeit von der in der Betriebsphase auftretenden Reformatgastemperatur und/oder einem in der Betriebsphase auftretenden Temperaturgradienten des Reformatgases derart auf den zeitlichen Verlauf des Betriebsverhaltens des Abnehmers (26, 28, 30) abgestimmt ist, dass eine wesentliche Desorption von Kohlenwasserstoffen aus dem HC-Adsorber (20) nur dann erfolgt, wenn der Abnehmer (26, 28, 30) sich in einem Betriebszustand befindet, in dem die desorbierten Kohlenwasserstoffe vom Abnehmer (26, 28, 30) derart verarbeitet werden, dass der Kohlenwasserstoffanteil der vom Abnehmer (26, 28, 30) ausgestoßenen Gase und/oder die Funktion des Abnehmers (26, 28, 30) durch die desorbierten Kohlenwasserstoffe nicht wesentlich beeinflusst wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsphase des Reformers eine Startphase umfasst, während der der zeitliche Verlauf des Adsorptions-/Desorptionsverhaltens des HC-Adsorbers (20) in Abhängigkeit von der in der Startphase zeitlich ansteigenden Reformatgastemperatur und/oder einem in der Startphase auftretenden Temperaturgradienten des Reformatgases derart auf den zeitlichen Verlauf des Betriebsverhaltens des Abnehmers (26, 28, 30) abgestimmt ist, dass eine wesentliche Desorption von Kohlenwasserstoffen aus dem HC-Adsorber (20) erst dann erfolgt, wenn der Abnehmer (26, 28, 30) sich in einem Betriebszustand befindet, in dem die desorbierten Kohlenwasserstoffe vom Abnehmer (26, 28, 30) derart verarbeitet werden, dass der Kohlenwasserstoffanteil der vom Abnehmer (26, 28, 30) ausgestoßenen Gase und/oder die Funktion des Abnehmers (26, 28, 30) durch die desorbierten Kohlenwasserstoffe nicht wesentlich beeinflusst wird.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Abhnehmer (26, 28, 30) ein Abgas- nachbehandlungssystem (26), einen Verbrennungsmotor (28) und/oder eine Brennstoffzelle (30) umfasst.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstimmung des Adsorptions-/Desorptions- Verhaltens des HC-Adsorbers (20) in Abhängigkeit von der Reformatgastemperatur durch geeignete Auswahl des Materials des HC-Adsorbers (20) und/oder durch geeignete Positionierung des HC-Adsorbers (20) erfolgt.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformierungsprozess ein partielles Oxidationsverfahren, ein Dampfreformierungsverfahren, ein CO2- Reformierungsverfahren und/oder ein Crackverfahren umfasst.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der mittels dem Reformierungsprozess umgesetzte kohlenwasserstoffhaltige Kraftstoff (12) flüssig ist, und insbesondere Benzin, Diesel oder Alkohole enthält.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der HC-Adsorber (20) Aktivkohle und/oder einen Stoff mit einer als Molekularsieb funktionierenden Porenstruktur, insbesondere Zeolith aufweist.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Umkehrtemperatur des Reformatgases (18) die Adsorption der Kohlenwasserstoffe aus dem Reformatgas (18) durch eine Desorption der adsorbierten Kohlenwasserstoffe an das Reformatgas (18) ausgeglichen wird, sowie unterhalb der Umkehrtemperatur die Adsorption überwiegt und oberhalb der Umkehrtemperatur die Desorption überwiegt.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformierungsprozess nach einer Anlaufphase in ein Temperaturgleichgewicht eintritt, bei der das Reformatgas (18) eine konstante
Gleichgewichtstemperatur einnimmt, wobei die Umkehrtemperatur des HC-
Adsorbers (20) kleiner gewählt ist als die Gleichgewichtstemperatur des
Reformatgases und/oder die Adsorptionfähigkeit des HC-Adsorbers (20) für
Kohlenwasserstoffe, insbesondere für die im Reformatgas (18) enthaltenen Kohlenwasserstoffspezies bei einer relativ zur Gleichgewichtstemperatur niedrigen
Temperatur, insbesondere bei einer Temperatur von maximal 100 0C, ein Maximum aufweist.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Temperatur des Reformatgases (18) oberhalb einer Entleerungstemperatur an den HC-Adsorber (20) adsorbierte Kohlenwasserstoffe unverzögert und vollständig an das Reformatgas desorbiert werden.
25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Temperatur des Reformatgases (18) unterhalb der Entleerungstemperatur zuvor adsorbierte Kohlenwasserstoffe des HC- Adsorbers (20) mit einer relativ zur Desorptionsrate oberhalb der Entleerungstemperatur geringen Rate an das Reformatgas (18) desorbiert werden.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Reformatgas (18) einen Wärmetauscher (36) zum Verändern, insbesondere Verringern der Temperatur des Reformatgases (18) vor und/oder während der Adsorption bzw. Desorption der Kohlenwasserstoffe durchströmt.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des Reformatgases (18) vor einer Adsorption bzw. Desorption der Kohlenwasserstoffe aus dem Reformatgasstrom abgezweigt wird, sowie einem Abnehmer (26, 28, 30), insbesondere einem Abgasnachbehandlungssystem (26) zugeführt wird, wobei die Abzweigung insbesondere vor und/oder nach Durchlaufen des Reformatgases (18) durch den Wärmetauscher (36) erfolgt.
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