具有催化剂装置和换热器的重组器以及运行重组器的方法.pdf

本发明涉及一种用于将燃料(32)和氧化剂(34)转化成重组物(30)的重组器(10)，具有催化剂装置(12)和换热器(14)，燃料(32)和氧化剂(34)能够经过催化剂装置入口(36)流经催化剂装置(12)。根据本发明，换热器(14)与至少一个与催化剂装置入口(36)相邻的催化剂装置(12)的部分进行热传递。此外，本发明还涉及一种用于运行这种重组器(10)的方法。

1.  一种重组器(10)，用于将燃料(32)和氧化剂(34)转化成重组物(30)，所述重组器具有催化剂装置(12)和换热器(14)，燃料(32)和氧化剂(34)能够经过催化剂装置入口(36)流经催化剂装置(12)，其特征在于，所述换热器(14)与至少一个与催化剂装置入口(36)相邻的催化剂装置(12)的部分进行热传递。

2.  按照权利要求1所述的重组器(10)，其特征在于，所述部分从催化剂装置入口(36)向催化剂装置入口(36)之后流经的催化剂装置出口(38)的方向延伸到预设的范围。

3.  按照权利要求1或2所述的重组器(10)，其特征在于，在所述催化剂装置(12)前面连接有混合物形成室(24)，能够向所述混合物形成室输送氧化剂(34)和燃料(32)并且能够通过所述混合物形成室向催化剂装置(12)输送氧化剂(34)和燃料(32)的混合物。

4.  按照权利要求3所述的重组器(10)，其特征在于，在所述混合物形成室(24)的前面连接有能够流经氧化剂(34)的并且与换热器(14)通过连接器(28)相连的小室(26)，通过所述小室能够将氧化剂(34)至少部分地输送给换热器(14)。

5.  按照权利要求4所述的重组器(10)，其特征在于，能够通过至少一个传感器获取至少一个在混合物形成室(24)中存在的压力与在换热器(14)中存在的压力之间的压力差和/或在催化剂装置入口(36)处的温度。

6.  按照权利要求5所述的重组器(10)，其特征在于，设置有配设给重组器(10)的控制/调节装置，其适于至少在获取的压力差和/或获取的温度的基础上控制/调节重组器的空气系数。

7.  按照权利要求6所述的重组器(10)，其特征在于，所述控制/调节装置适于通过调节至少一个向换热器(14)的换热器流体输送和/或向混合物形成室(24)的氧化剂输送控制/调节重组器(10)的空气系数。

8.  一种用于运行将燃料(32)和氧化剂(34)转化成重组物(30)的重组器的方法，其中，所述重组器(10)具有催化剂装置(12)和换热器(14)，燃料(32)和氧化剂(34)能够经过催化剂装置入口(36)流经催化剂装置(12)，其特征在于，通过调节从或向换热器(14)的热传递控制或调节在与至少催化剂装置入口(36)相邻的催化剂装置(12)的部分处的温度，所述部分与换热器(14)进行热传递。

9.  按照权利要求8所述的方法，其特征在于，控制或调节所述部分处的温度，所述部分从催化剂装置入口(36)向催化剂装置入口(36)之后流经的催化剂装置出口(38)的方向延伸到预设的范围。

10.  按照权利要求8或9所述的方法，其特征在于，通过混合物形成室(24)向所述催化剂装置(12)输送氧化剂(34)和燃料(32)，在所述混合物形成室(24)中产生氧化剂(34)和燃料(32)的混合物。

11.  按照权利要求10所述的方法，其特征在于，将所述氧化剂(34)在到达混合物形成室(24)之前输送给与混合物形成室(24)相连的小室(26)，所述小室与换热器(14)通过连接器(28)相连，从而能够将氧化剂(34)至少部分地输送给换热器(14)。

12.  按照权利要求11所述的方法，其特征在于，获取至少一个在混合物形成室(24)中存在的压力和在换热器(14)中存在的压力之间的压力差和/或在催化剂装置入口(36)处的温度。

13.  按照权利要求12所述的方法，其特征在于，至少在获取的压力差和/或获取的温度的基础上控制/调节重组器的空气系数。

14.  按照权利要求13所述的方法，其特征在于，通过调节至少一个向换热器(14)的换热器流体输送和/或一个向混合物形成室(24)的氧化剂输送控制或调节重组器(10)的空气系数。

具有催化剂装置和换热器的重组器以及运行重组器的方法
技术领域
本发明涉及一种用于将燃料和氧化剂转化成重组物的重组器，具有催化剂装置和换热器，燃料和氧化剂可以通过催化剂装置入口流经催化剂装置。
本发明还涉及一种用于运行这种重组器的方法。
背景技术
在载重汽车领域中，使用燃料电池用于产生电能具有越来越重要的意义。因此例如力求发展辅助能量源(APU，“辅助动力装置”)，用以利用这种装置将能量输入到汽车的电力系统布线中并且以这种方式能够不受内燃机运行的影响向设置在汽车中的耗电设备供应电流。
为了产生这种电能经常使用SOFC-燃料电池(“固体氧化物燃料电池”)，向燃料电池输送由重组器输出的重组物，用以产生电能。此外，催化部分氧化作为重组器的重组方式是已知的，其中，重组物在使用催化剂的情况下从氧化剂和燃料中获得。同时，燃料、例如天然气、汽油或柴油与例如作为氧化剂的空气混合并且在催化剂内或者说催化剂装置内氧化。通常在催化剂装置的催化剂装置入口处主要发生强烈的放热反应，其导致在催化剂装置入口的区域或者说周围的强烈的温度升高。在氧化剂或者燃料的流动方向上位于催化剂装置的催化剂装置入口下游的催化剂装置出口的区域中，主要发生吸热的重组反应，其导致相对于催化剂装置入口处的催化剂温度的降低。由此获得重组器的催化剂装置中的普遍公知的典型的温度分布。为了防止催化剂中过高的温度或者说防止超过催化剂中的极限温度，可以调节重组器的空气系数或者说λ值(空气/燃料-比例)，即通过调节向重组器中的氧化剂量输送或者空气量输送。其例如通过调节用于向重组器中输送空气的空气鼓风机的转数实现。因为重组器将氧化剂的氧气直接在催化剂装置入口的区域或周围进行转化，所以其在具有强烈的温度梯度或者说温度波动的λ值的改变下进行反应。通过至少在催化剂装置入口的区域中出现的强烈的温度波动，严重加大了调节重组器空气系数的难度。此外，常常也无法精确地调节氧化剂输送，用以能够完全排除催化剂装置的过度受热。
从DE10355494A1中已经公知了一种用于将燃料和氧化剂转化成重组物的系统和方法。在属于现有技术的该文献中描述了一种重组器，其包括用于将在操作过程期间出现的反应热从重组器中输出的换热器。此外，该换热器配设给重组器的特定的部分，而不是配设给重组器的特定的部件。然而仅仅从重组器输出的热量不足以用来改善重组器的空气系数的可调性，特别是当空气系数的可调性强烈地取决于重组器的特定部件的工作温度时。此外，借助于独立于重组器部件的热输出也无法确保敏感部件的温度位于为该部件设计的温度范围之内。
特别是关于包括催化剂装置的重组器，如果在通过调节鼓风机的转数来调节重组器的空气系数用以引起λ值的改变，特别容易发生催化剂装置的过热。在这个关系中尽管转数微小变化，λ值的改变仍然相对较大并且也导致了较高的温度升高。然而，与重组器部件无关的热输出无法平衡这种强烈的温度升高。因此还存在敏感部件过热的危险。
发明内容
因此本发明的目的在于，改进这种类型的重组器以及用于运行重组器的方法，使得在同时减小重组器部件的过热风险下能够确保重组器的空气系数的调节。
根据本发明的重组器在现有技术的基础上如此改进，即换热器与至少一个与催化剂装置入口相邻的催化剂装置的部分进行热传递。由此催化剂装置的该部分通过热传递不仅能够被加热也能够在重组运行中被冷却。重组器的空气系数的可调性如下得到改善，即通过调节向换热器的热传递可以平衡在催化剂装置入口的区域中相应的温度升高。因此减小了在调节重组器的空气系数期间的过热风险并且由此改善了极大改善了重组器的可调性。
根据本发明的重组器可以以有利的方式如此改进，即催化剂装置入口的部分向催化剂装置入口之后流经的催化剂装置出口的方向延伸到预设的范围。此外，该部分可以例如从由催化剂装置入口形成的催化剂装置的一个端部在朝通过催化剂装置的另一个端部形成的催化剂装置出口的方向上延伸到预设的范围。相应地，催化剂装置入口表示上游的端部以及催化剂装置出口表示下游的端部。该部分优选具有大约催化剂装置长度的1/3长或者催化剂装置长度的1/2长。
此外，根据本发明的重组器可以如此实现，即在催化剂装置前面连接混合物形成室，可向该混合物形成室输送氧化剂和燃料并且通过该混合物形成室可向催化剂装置输送氧化剂和燃料的混合物。此外，换热器优选还与混合物形成室的一个部分进行热传递。由此可以在混合物形成室中就能够进行加热或在某些情况下也可进行混合物的冷却。
此外，根据本发明的重组器可以如此实施，即在混合物形成室前面连接可流经氧化剂的并且与换热器通过连接器相连的小室，经过该小室可以至少部分地向换热器输送氧化剂。由此可以进一步改善重组器的可调性。特别是优选由同种流体介质如氧化剂流经换热器。优选结合根据本发明的重组器将换热器空气作为换热器流体使用并且将重组器空气作为氧化剂使用。通过在小室和换热器之间的连接器可以依据小室和换热器之间的压力差使重组器空气流入换热器中。也就是说，重组器空气可以根据压力差漏入换热器，比如通过形成至换热器的连接器的小孔漏入换热器。在这种情况下，换热器中的压力位于混合物形成室中的压力之下。因此在重组器中调节比通常所调节的更小的λ值或者说更小的空气系数，其前提是无法进行氧化剂的漏入。即使当作为燃料的燃烧气体的量以及作为氧化剂的重组器空气的量被提高用以保持计算的λ值时，也可以额外通过调节漏入的氧化剂的程度来调节重组器中的空气系数。此外，重组器的空气系数的调节还通过换热器空气输送以及换热器和重组器之间的压力差实现。
此外，重组器可以以有利的方式如此实现，即可通过至少一个传感器获取至少一个在混合物形成室中存在的压力和在换热器中存在的压力之间的压力差和/或在催化剂装置入口处的温度。由此可以例如通过传感器在获取压力差或温度的基础上调节重组器的空气系数。
此外，根据本发明的重组器可以如此实现，即设置配设给重组器的控制/调节装置，其适于至少在获取的压力差和/或获取的温度的基础上控制/调节重组器的空气系数。通过换热器和重组器之间的压力差来调节重组器使调节参数得以展开(aufweiten)，其中，重组器的空气系数不再如此跳跃式地对重组器鼓风机的转数变化进行反应，这是因为，重组器中的λ值由于重组器空气体积流的分布经受极小的改变。
此外，根据本发明的重组器可以如此设计，即控制/调节装置适于通过调节至少一个向换热器的换热器流体输送和/或一个向混合物形成室的氧化剂输送来控制/调节重组器的空气系数。由此可以调节或控制向换热器中的以及来自换热器的热传递。因此也连带调节压力差，从而可以预设向换热器中漏入的重组器空气的比例。
根据本发明的方法在现有技术的基础上如此改进，即通过调节从或者向换热器的热传递调节在一个至少与催化剂装置入口相邻的催化剂装置的部分的温度，该部分与换热器进行热传递。因此以相同或相似的方式得出了结合按照本发明的重组器所阐述的优点，为了避免重复，相应的实施方式参照结合按照本发明的重组器。相同地也适用于按照本发明的方法的下列优选实施方式，其中，为避免重复，相应的实施方式也参照结合按照本发明的重组器。
根据本发明的方法可以以有利的方式如此改进，即控制或调节从催化剂装置入口向催化剂装置入口之后流经的催化剂装置出口的方向延伸到预设的范围的部分的温度。
此外，根据本发明的方法可以如此实现，即经过混合物形成室向催化剂装置输送氧化剂和燃料，在混合物形成室中产生氧化剂和燃料的混合物。
此外，根据本发明的方法可以如此转换，即将氧化剂在到达混合物形成室之间输送给与混合物形成室相连的小室，该小室与换热器通过连接器相连，从而可以将氧化剂至少部分地输送给换热器。
此外，根据本发明的方法可以如此实现，即获取至少一个在混合物形成室中的压力和在换热器中的压力之差和/或一个在催化剂装置入口处的温度。
此外，根据本发明的方法可以如此设计，即至少在获取的压力差和/或获取的温度的基础上控制或调节重组器的空气系数。
此外，根据本发明的方法可以如此改进，即通过调节至少一个向换热器的换热器流体输送和/或向混合物形成室的氧化剂输送控制或调节重组器的空气系数。
附图说明
下面参照附图举例说明本发明的优选的实施方式。其中：
图1是根据本发明的重组器的示意图，该重组器适于实施根据本发明的方法。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的重组器10的示意图，该重组器适于实施根据本发明的方法。在所示的实施例中，重组器10是具有SOFC燃料电池或者说SOFC燃料电池堆的燃料电池系统的部件。根据本发明的重组器10用作产生重组物30，该重组物通过借助于催化的部分氧化的重组从输送到重组器10的氧化剂34和燃料32中产生。如此产生的重组物30再向燃料电池堆输送，该燃料电池堆可用于产生电能。
重组器10包括燃料输送装置20，通过该燃料输送装置可以将燃料32，即比如天然气、汽油或柴油输送给重组器10的混合物形成室24。重组器10还包括氧化剂输送装置22，通过该氧化剂输送装置可以将氧化剂34，在该实施例中为空气，输送给混合物形成室24。重组器10还具有与混合物形成室24相连的催化剂装置12，在混合物形成室24中形成的燃料32和氧化剂34的混合物可以通过该催化剂装置的催化剂装置入口到达催化剂装置12。此外，催化剂装置12包括催化剂装置出口38，通过该催化剂装置出口可以将重组物30输送给未示出的燃料电池或者燃料电池堆。在该实施例中，催化剂装置入口36和催化剂装置出口38分别表示催化剂装置的一个端部，其中，在氧化剂34或燃料32的流动方向上，催化剂装置入口36构成催化剂装置的上游的端部并且催化剂装置出口38构成催化剂装置的下游的端部。
在该实施例中，可以通过氧化剂输送装置22向混合物形成室24中输送氧化剂34，然而由氧化剂输送装置22输送的氧化剂34在到达混合物形成室24之前流经小室26。该小室26可以任意地设计，例如以管道的形式或以其它的方式设计，并且至少部分地靠近重组器10的换热器24延伸。小室26通过连接器28，例如以一个或多个孔的形式的连接器与换热器14相连。换热器14用一个部分与催化剂装置12进行热传递。此外，换热器14用另一个部分与混合物形成室24进行热传递。可通过输送装置16向换热器14输送换热器流体，在该实施例中为空气，并且可通过输出装置18将换热器流体输出，从而可借助于换热器流体的输入和输出调节热传递的程度。因此在该实施例中不仅换热器流体而且氧化剂34均为空气。
根据本发明的用于运行根据本发明的重组器10的方法如下设计。首先，通过氧化剂输送装置22和燃料输送装置20向混合物形成室24输送氧化剂34和燃料32。在混合物形成室24中以技术人员公知的方式产生氧化剂34和燃料32的混合物，例如在氧化剂到达混合物形成室之前施加一个涡旋，该涡旋可以通过相应的氧化剂引导装置产生。该混合物穿过催化剂装置入口36进入催化剂装置12并且流经该催化剂装置直到催化剂装置出口38。同时，该混合物通过借助于催化部分氧化的重组过程在重组器30中转化。通过由此出现的放热反应、特别是在催化剂装置入口36的区域中的放热反应，催化剂装置12的温度、特别是在催化剂装置入口36的区域或者说周围的温度升高。与之相反，在催化剂装置出口38的区域中具有通过主要的吸热反应引起相比于在催化剂装置入口的区域中的温度更低的温度。此外，为了防止在催化剂装置12的区域中的过热，特别是在催化剂装置入口36的区域中的过热，调节向混合物形成室24的氧化剂输送或者说空气量输送，从而相应地改变重组器10中的空气系数。由此可以大体上避免催化剂装置12在催化剂装置入口区域中的过热。然而，同样为了防止催化剂装置12中的强烈的温度波动和重组器10中的空气系数的波动，还调节换热器流体输入/输出。由此一方面获得从催化剂装置12向换热器14的热输出，该换热器将热量通过换热器流体输出。另一方面由此调节在换热器14中的压力与在混合物形成室24中的压力之间的压力差。此外，该压力差取决于氧化剂输送和换热器流体输入/或输出的调节。为了防止例如在重组器10中的空气系数太大的变化以及因此连带的催化剂装置12中的温度波动，首先以这样的大小向换热器供应换热器流体，即换热器中的压力小于混合物形成室24中的压力。由此氧化剂34在到达混合物形成室24之前通过小室26的连接器28流入换热器14中，由此首先可以减小空气系数提高的程度。因此，还阻止了在重组器中的不适当的高的空气系数波动以及因此连带的催化剂装置12中的不适当的高的温度升高。压力差以及流入换热器的氧化剂34的体积流可以通过换热器流体输入/输出进行调节并且精确定量。因此可以借助于氧化剂输送以及换热器流体输入/输出的调节分别调节压力差，从而首先避免不适当的高的空气系数波动。同时，通过换热器14至少在催化剂装置入口36的区域中将热量通过换热器14输出。由此还防止了催化剂装置12的过热。在换热器14中的压力与在混合物形成室24中的压力之间的压力差可优选借助于压差传感器获取，其中同样可以获取各个氧化剂输送和换热器流体输送。附加的或可替换的方式是，可以考虑通过温度传感器获取在催化剂装置入口36的区域中的温度。借助于温度可以结合特征曲线得到相应的氧化剂输送和换热器流体输送以及当前的空气系数。
反之，例如当重组器10应在燃烧器模式中运行时，当然也可以将换热器12用于加热催化剂装置12来运行。
在上述的说明书、图例以及在权利要求中公开的本发明的特征可以独立地或者任意组合，为实现本发明是不可缺少的。
附图标记
10重组器
12催化剂装置
14换热器
16输入装置
18输出装置
20燃料输送装置
22氧化剂输送装置
24混合物形成室
26小室
28连接器
30重组物
32燃料
34氧化剂
36催化剂装置入口
38催化剂装置出口