DE60022813T2 - System und Methode zur Stromerzeugung - Google Patents

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Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Energieerzeugungssystem und -verfahren und betrifft insbesondere einen Hybrid-Elektroantrieb mit einem Motor, der eingerichtet ist, um Reformat zum Speisen einer Feststoffoxid-Brennstoffzelle zu erzeugen.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Alternative Beförderungskraftstoffe wurden als Mittel, die es ermöglichen, toxische Emissionen im Vergleich mit jenen, die durch herkömmliche Kraftstoffe erzeugt werden, zu reduzieren, dargestellt. Gleichzeitig haben strengere Emissionsnormen und bedeutende Innovationen in Katalysatorformulierungen und Motorsteuerungen zu dramatischen Verbesserungen in dem geringen Emissionsvermögen und der Robustheit von Benzin- und Dieselmotorsystemen geführt. Dies hat mit Sicherheit die umweltrelevante Differenz zwischen optimierten herkömmlichen und alternativen Kraftstofffahrzeugsystemen reduziert. Es bleiben jedoch viele technische Herausforderungen, um den mit herkömmlichem Kraftstoff betriebenen Verbrennungsmotor zu einem System mit nahezu Null Emission zu machen, das den Wirkungsgrad aufweist, der notwendig ist, um das Fahrzeug wirtschaftlich brauchbar zu machen.
  • Alternative Kraftstoffe decken ein breites Spektrum potentieller Vorteile für die Umwelt ab, die von inkrementellen toxischen und CO2-Emissionsverbesserungen (neu formulierte/s Benzin, Alkohole, Flüssiggas etc.) bis zu signifikanten toxischen und CO2-Emissionsverbesserungen (Erdgas, DME etc.) reichen. Wasserstoff ist eindeutig der ultimative Kraftstoff bzw. Brennstoff für die Umwelt, mit einem Potential als nahezu emissionsfreier Kraftstoff für einen Verbrennungsmotor (einschließlich CO2, wenn es von einer nicht fossilen Quelle stammt). Unglücklicherweise ist. die marktbasierte Wirtschaftlichkeit alternativer Kraftstoffe oder neuer Antriebssysteme kurz- bis mittelfristig unsicher.
  • Die Automobilindustrie hat sehr deutliche Fortschritte in der Reduktion von Automobilemissionen sowohl für die angeordneten Testverfahren als auch für die „reale Welt" gemacht. Dies resultierte in gewissen zusätzlichen Kosten und Komplexität von Motormanagementsystemen, diese Kosten werden aber durch andere Vorteile von Computersteuerungen ausgeglichen: erhöhte Leistungsdichte, Kraftstoffeinsparung, Fahrverhalten, Verlässlichkeit und Echtzeit-Diagnostik.
  • Zukünftige Initiativen, die Fahrzeuge mit Null Emission verlangen, bringen uns in ein neues gesetzliches Paradigma, wo asymptotisch kleinere Vorteile für die Umwelt zu zunehmend sehr hohen Kosten führen. Jedoch selbst ein Fahrzeug mit zertifizierter „ultraniedriger Emission" kann in begrenzten extremen Umgebungs- und Betriebsbedingungen oder mit gestörten oder schlechter werdenden Komponenten hohe Emissionen ausstoßen.
  • Was im Stand der Technik benötigt wird, ist ein Energieerzeugungssystem mit im Wesentlichen Null Emissionen, hohem Wirkungsgrad und Kompatibilität mit bestehenden/r Kraftstoffen und Infrastruktur.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Das vorliegende System und Verfahren betreffen einen Motor, der eingerichtet ist und betrieben wird, um einen wasserstoffreichen Motoraustrag zu erzeugen, und Sauerstoffanreichungsvorrichtungen, um die Erzeugung eines wasserstoffreichen Motoraustrags weiter zu optimieren. Die derzeitigen Motoren mit einem wasserstoffreichen Austrag umfassen einen Freikolben-Gasgenerator mit einer Kompressionszündung mit fetter homogener Ladung, einen Sauerstoffgenerator und ein Fett-Verbrennungsmotor-Zylindersystem und ein Fett-Einlassturbogenerator-System mit Abgaswärmerückgewinnung. Sauerstoffanreicherungsvorrichtungen umfassen Druckwechselabsorption (pressure swing absorption = PSA) mit sauerstoffselektiven Materialien, Sauerstoffseparatoren wie z. B. einen SOFC-Sauerstoffseparator und einen Sauerstoffgeparator, der eine Keramikmembran und einen Differenzdruck nutzt, um Sauerstoff über die Membran zu befördern.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Energieerzeugungssystem und -verfahren, das die vorliegenden Motoren mit einem wasserstoffreichen Austrag und Sauerstoffanreicherungsvorrichtungen verwendet, und betrifft insbesondere einen Hybrid-Elektroantrieb mit einem Motor, der eingerichtet ist, um Reformat zum Speisen einer Feststoffoxid-Brennstoffzelle zu erzeugen. Das Energieerzeugungssystem umfasst einen Motor mit einem Einlass und einem Auslass, eine Luftversorgung in fluidmäßiger Verbindung mit dem Motoreinlass; eine Kraftstoffversorgung in fluidmäßiger Verbindung mit dem Motoreinlass; zumindest eine SOFC mit einem Kraftstoffeinlass in fluidmäßiger Verbindung mit dem Motorauslass, einen SOFC-Abfluss und einen Luftabfluss, wobei eine Sauerstoffanreichungsvorrichtung in fluidmäßiger Verbindung mit dem Motoreinlass vorgesehen ist, um sauerstoffreiches Verbrennungsgas an den Motor be reitzustellen, so dass der Motor einen wasserstoffreichen Austrag mit einer kombinierten Konzentration von Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid von mehr als 30% erzeugt.
  • Das Verfahren umfasst: das Zuführen von zumindest einem ersten Teil von Kraftstoff und einem ersten Teil von Luft zu einem Motor, wobei der Motor derart eingerichtet ist, dass er einen wasserstoffreichen Motoraustrag mit einer kombinierten Konzentration von Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid von mehr als 30% erzeugt, Reagieren lassen des ersten Teils von Kraftstoff und des ersten Teils von Luft in dem Motor, um den wasserstoffreichen Motoraustrag zu erzeugen; Einleiten des wasserstoffreichen Motoraustrags in einen Brennstoffeinlass einer SOFC, die auch eine Luftseite mit einem Lufteinlass aufweist; Einleiten eines zweiten Teils von Luft in den SOFC-Lufteinlass; und Ionisieren von Sauerstoff in dem zweiten Teil von Luft, sodass der ionisierte Sauerstoff von der Luftseite zu der Brennstoffseite der SOFC wandert, wo er mit dem wasserstoffreichen Motoraustrag reagiert, um einen SOFC-Abfluss zu erzeugen.
  • Diese und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden kurzen Beschreibung der Zeichnungen, der detaillierten Beschreibung und den angefügten Ansprüchen und Zeichnungen ersichtlich.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Unter nunmehriger Bezugnahme auf die Zeichnungen, die beispielhaft nicht einschränkend zu verstehen sind und wo Masseströme mit Volllinien und Energieströme mit gebrochenen Linien veranschaulicht sind, ist:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Hybrid-Elektroantriebssystems der vorliegenden Erfindung unter Verwendung einer SOFC an der Auslassseite von einem Motor, wobei der Motor derart eingerichtet ist, dass er einen wasserstoffreichen Austrag zum Speisen der SOFC erzeugt.
  • 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform unter Verwendung eines Freikolben-Gasgenerators mit einer Kompressionszündung mit überfetter homogener Ladung, zur Bereitstellung eines wasserstoffreichen Motoraustrags zum Speisen der SOFC.
  • 3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform unter Verwendung eines Sauerstoffgenerators und eines Fett-Verbrennungsmotor-Zylindersystems, zur Bereitstellung eines wasserstoffreichen Motoraustrags zum Speisen der SOFC.
  • 4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform unter Verwendung eines Turbogeneratorsystems mit einem extrem fetten Zulauf mit einer Abgaswärmerückgewinnung, zur Bereitstellung eines wasserstoffreichen Motoraustrags zum Speisen der SOFC.
  • 5 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Sauerstoffanreicherungsvorrichtung mit einem SOFC-Sauerstoffseparator, der ein elektrisches Rückwärtspotential verwendet, um Sauerstoff über einen Keramikelektrolyten zu pumpen und einen sauerstoffreichen Strom zur Verstärkung der fetten Verbrennung in dem ganzen oder einem Teil des Motor/s zu erzeugen.
  • 6 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Sauerstoffanreicherungsvorrichtung mit einem Sauerstoffseparator, unter Verwendung einer Keramikmembran, z. B. mit einem gemischten Leitelektrolyt und einem Differenzdruck, um den Sauerstoff über die Membran zu befördern.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Das vorliegende System und Verfahren betreffen einen Motor, der derart eingerichtet ist und betrieben wird, dass er einen wasserstoffreichen Motoraustrag erzeugt, und Sauerstoffanreicherungsvorrichtungen, um die Erzeugung eines wasserstoffreichen Motoraustrags weiter zu optimieren. Die vorliegenden Motoren mit einem wasserstoffreichen Austrag umfassen, sind aber nicht begrenzt auf einen Freikolben-Gasgenerator mit einer Kompressionszündung mit fetter homogener Ladung, einen Sauerstoffgenerator und ein Fett-Verbrennungsmotor-Zylindersystem und ein Fett-Einlassturbogeneratorsystem mit Abgaswärmerückgewinnung. Sauerstoffanreicherungsvorrichtungen umfassen, sind aber nicht begrenzt auf, Druckwechselabsorption (PSA) mit sauerstoffselektiven Materialien, Sauerstoffseparatoren wie z. B. einen SOFC-Sauerstoffseparator und einen Sauerstoffseparator, der eine Keramikmembran und einen Differenzdruck nutzt, um Sauerstoff über die Membran zu befördern.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Energieerzeugungssystem und -verfahren, das die vorliegenden Motoren mit einem wasserstoffreichen Austrag und Sauerstoffanreicherungsvorrichtungen verwendet, und betrifft insbesondere einen Hybrid-Elektroantrieb mit einem Motor, der derart eingerichtet ist, dass er Reformat zum Speisen einer Feststoffoxid-Brennstoffzelle erzeugt.
  • Während sich die restliche Erläuterung hierin auf Ausführungsformen konzentriert, worin der/die vorliegende/n wasserstoffreiche Austrag und Sauerstoffanreicherungsvorrichtungen zum Speisen einer SOFC verwendet werden, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Bei Verwendung in anderen Energieumwandlungsvorrichtungen als einer SOFC ist der wasserstoffreiche Austrag besonders für den Vorteil zur Steuerung von Abgasen wertvoll.
  • Die vorliegenden Motorkonfigurationen mit einem wasserstoffreichen Austrag und Sauerstoffanreicherungsvorrichtungen können verwendet werden, um Energieumwandlungsvorrichtungen wie z. B. zusätzliche SOFCs und/oder andere Brennstoffzellen, Gasturbinen, fremdgezündete Motoren oder kompressionsgezündete Motoren zu speisen.
  • Der/die vorliegende/n wasserstoffreiche Austrag und Sauerstoffanreicherungsvorrichtungen werden nun im Detail in einer Ausführungsform beschrieben, die einen Hybrid-Elektroantrieb mit einem Motor, der derart eingerichtet ist, dass er einen wasserstoffreichen Motoraustrag zum Speisen einer Feststoffoxid-Brennstoffzelle (SOFC) erzeugt, umfasst. Das Verfahren und System sind entworfen und optimiert für einen extrem fetten Motorbetrieb, um den wasserstoffreichen Motoraustrag zu erzeugen. Das System umfasst einen Motor, der derart eingerichtet ist, dass er einen wasserstoffreichen Austrag zum Speisen einer SOFC erzeugt, wobei der Motor einen Einlass und einen Auslass aufweist; eine Luftversorgung in fluidmäßiger Verbindung mit dem Motoreinlass; eine Kraftstoffversorgung in fluidmäßiger Verbindung mit dem Motoreinlass; und zumindest eine Feststoffoxid-Brennstoffzelle (SOFC) mit einem Lufteinlass in fluidmäßiger Verbindung mit einer Luftversorgung, einem kraftstoffseitigen Einlass, einem SOFC-Abfluss und einem Luft-Abfluss, wobei der kraftstoffseitige Einlass der SOFC in fluidmäßiger Verbindung mit dem wasserstoffreichen Motoraustrag steht.
  • Das Verfahren umfasst: Zuführen von zumindest einem ersten Teil von Kraftstoff und einem ersten Teil von Luft zu einem Motor; Reagieren lassen des ersten Teils von Kraftstoff und des ersten Teils von Luft in einem Motor, um einen wasserstoffreichen Motorabfluss zu erzeugen. Einleiten des wasserstoffreichen Motorabflusses in einen Brennstoffeinlass einer SOFC; Einleiten eines zweiten Teils von Luft in den Lufteinlass der SOFC; und Ionisieren von Sauerstoff in dem zweiten Teil von Luft, so das der ionisierte Sauerstoff zu der Kraftstoffseite der SOFC wandert, wo er mit dem wasserstoffreichen Motorabfluss reagiert, um einen SOFC-Abfluss zu erzeugen.
  • Im Allgemeinen kann das System umfassen: zumindest eine Feststoffoxid-Brennstoffzelle („SOFC"), einen Motor der derart eingerichtet ist, um einen wasserstoffreichen Motoraustrag zu erzeugen, einen oder mehrere Wärmetauscher und optional einen oder mehrere Kompressoren, eine Abgasturbine, einen Katalysator, eine Vorheizvorrichtung, einen Schnellstart-Reformer, umfassend aber nicht beschränkt auf ein Plasmatron, einen Fett-Brenner oder katalytischen Reformer, eine Stromquelle und herkömmliche Verbindungen, Verdrahtungen, Steuerventile und ein Vielzahl elektrischer Belastungen, umfassend aber nicht beschränkt auf Lichter, Heizwiderstände, Gebläse, Klimaanlagen-Kompressoren, Startermotoren, Antriebsmotoren, Computersysteme, Radio-/Stereosysteme, und eine Vielzahl von Sensoren und Aktuatoren, etc.
  • Das vorliegende Energieerzeugungssystem und -verfahren stellt einen wasserstoffreichen Motoraustrag zum Speisen einer an der Auslassseite eines Motors vorgesehenen SOFC bereit. Die Idee, eine SOFC an der Aus lassseite eines Motors vorzusehen, ist in der gemeinsam übertragenen US-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 09/241 239 weiter definiert. Die gemeinsam übertragene US-Patentanmeldung mit der Serien-Nr. 09/241 171 definiert ferner die Verwendung einer SOFC in verschiedenen Hybridantriebs-Ausführungsformen, die zulassen, dass der Motor und die SOFC einzeln oder gleichzeitig in Betrieb sind.
  • Das vorliegende Energieerzeugungssystem und -verfahren bietet die Vorteile einer Erhöhung des Wasserstoffgehalts des Motoraustrags, der die SOFC speist, und erhöht dadurch die Leistungsdichte einer gegebenen SOFC und verbessert die Fähigkeit des Systems, eine effiziente und/oder kompakte SOFC anzutreiben. Es ist bekannt, dass Wasserstoff der ideale Kraftstoff zum Betreiben einer SOFC ist. Das vorliegende System und Verfahren erhöht den Wasserstoffgehalt des Motoraustrags und erlaubt somit, dass eine viel kleinere SOFC einen Energiebetrag bereit stellt, der bisher nur mit einer größeren SOFC erzielt wurde.
  • Des Weiteren zieht die vorliegende Antriebskonfiguration eine Austragsposition in Erwägung, die den Vorteil eines graduellen Aufheizens der SOFC mit Abwärme zulässt, wobei der Bedarf an zusätzlichem Energieverbrauch, um die SOFC aufzuheizen, umgangen wird. Zusätzlich erlaubt die Austragskonfiguration, dass der Abgaskatalysator heiß bleibt, wenn der Motor abgestellt ist, was ermöglicht, dass der Motor mit minimalen Emissionen einen Zyklus beginnt oder beendet. Die SOFC versorgt die Basisbelastung, und Batterien handhaben die Übergänge beim Langsamlauf.
  • Ein weiterer Vorteil des Systems und Verfahrens besteht darin, dass es nützliche Arbeit für den Antrieb und Nebenverbraucherbelastungen abzieht und somit Reforming-Verluste minimiert.
  • Das vorliegende System und Verfahren ist besonders gut geeignet für ein Hybrid-Elektroantriebssystem, obwohl es auch in Verbindung mit einer kleinen Batterie verwendet werden kann und noch immer niedrige Emissionen erzielt.
  • Ein Wassershift-Katalysator kann verwendet werden, um eine Wasserrückgewinnung zu bewirken, und die Wasserstoffausbeute zu erhöhen. Der Wassershift-Katalysator kann allein oder in Kombination mit einem zusätzlichen Katalysator zum Entfernen von kohlenstoffhaltigen Partikelemissionen verwendet werden.
  • Unter nunmehriger Bezugnahme auf die Figs. offenbart 1 eine Ausführungsform des vorliegenden Hybrid-Elektroantriebs mit einem Motor, der derart eingerichtet ist, dass er einen wasserstoffreichen Austrag (Reformat) zum Speisen zumindest einer SOFC in einer einen Austrag aufnehmenden Verbindung mit dem wasserstoffreichen Motoraustrag erzeugt. Bei einem Kaltstart wird der Schnellstart-Reformer 10 mit Kraftstoff 11 von einer Kraftstoffversorgung 9 und einer Luftversorgung 61 betrieben, um den Betrieb eines Motors 30 mit einer Erzeugung eines Reformeraustrags 20 zu erlauben. Die Kraftstoffversorgung 11 speist den Motor 30 auch dann, wenn der Motor nicht mit Reformat 21 läuft. Die Verwendung solch eines Plasmatrons oder anderen „Sofort-Ein"-Startreformers erlaubt einen Fahrzeugbetrieb mit Null Emission mit Motor und Batterie, während die SOFC (oder optional eine Vielzahl von SOFCs) auf Betriebstemperaturen aufgeheizt wird, wobei Betriebstemperaturen typischerweise etwa 600 °C bis etwa 900 °C betragen. Während Startbedingungen läuft der Motor 30 mit Reformat 21 und Luft 63 wie z. B. von der Luftversorgung 61 mit Hilfe eines optionalen Elektromotors/-generators 110, während die SOFC 40 in dem Motoraustrag langsam aufgeheizt wird. Die SOFC 40 kann mit Reformeraustrag 20 oder mit einem fetten Austrag von dem Motor gespeist sein. Die Motoraustragsposition ist derart, dass sie ein schrittweises Aufheizen der SOFC 40 mit Abwärme zulässt. Der Abgaskatalysator 90 kann mit einem heißen Austrag, zusätzlicher Luft oder Kraftstoff (nicht gezeigt) oder Reformat 20 aggressiver aufgeheizt werden. Während Startbedingungen besitzen der Motor 30 und die Stromquelle 100 (umfassend aber nicht beschränkt auf eine Taschenlampenbatterie, eine Lithiumpolymer-Batterie oder eine andere Stromquelle) genug Energie, um das Fahrzeug zu betreiben. Wenn der Abgaskatalysator 90 heiß ist, kann der Schnellstart-Reformer 10 ausgeschaltet werden.
  • Beim Erreichen der Betriebstemperatur bedient die SOFC 40 die Basisbelastung von elektrischen Nebenverbrauchern und Antriebsenergie-Nebenverbrauchern und lädt die Stromquelle 100 wieder auf, während der Motor 30 nun als Fett-Gasgenerator arbeitet, wobei er eine begrenzte Antriebskraft bereitstellt. In Situationen, in denen eine hohe Leistung benötigt wird, kann der Motor 30 zu einer stöchiometrischen Kraftstoffversorgung für eine Spitzenleistung umschalten. In dieser Situation kann die Stromquelle 100 zusätzliche Energie bereitstellen. Die in 1 gezeigte Ausführungsform zeigt einen Motorgenerator 110 in einer Anordnung, die typisch für einen integrierten parallelen Hybrid ist. Dies lässt zu, dass elektrische Leistung der Welle zugefügt oder von dieser entfernt wird. Die vorliegende Erfindung zieht die Verwendung weiterer Parallel- oder Reihenkonfigurationen in Erwägung. Die vorliegende Erfindung zieht auch die Verwendung von Nicht-Hybrid-Konfigurationen in Erwägung.
  • In Modi mit niedriger Leistung kann der Motor 30 insgesamt abgeschaltet sein. Die SOFC 40 und die Batterien, wie z. B. die Stromquelle 100 liefern die komplette Antriebs- und Zusatzleistung, wenn der Motor 30 abgeschaltet ist. Das vorliegende System und Verfahren bieten den Vorteil, dass, wenn der Motor abgeschaltet ist (Antriebsbetrieb in Modus mit ge ringer Leistung), der Abgaskatalysator 90 heiß gehalten wird.
  • Wenn eine höhere Leistung benötigt wird, kann der Motor 30 für kurze Impulse mit minimalen Emissionen voranschreiten, da der Abgaskatalysator 90 heiß gehalten ist. Alternativ kann, wenn der Motor kalt ist, der Schnellstart-Reformer 10 wie z. B. ein Plasmatron für einen Betrieb mit hoher Leistung und minimaler Emission verwendet werden.
  • Das vorliegende System und Verfahren optimiert (erhöht) den Wasserstoffgehalt des Motoraustrags, was eine Verwendung einer viel kleineren SOFC als bisher verfügbar für eine gleiche Leistung zulässt.
  • Zusätzlich kann der Wasserstoffgehalt des Austrags, der die SOFC antreibt, durch Verwenden einer Wasserrückgewinnung und eines Wassershift-Katalysators in einer Wassershift-Vorrichtung 60 weiter erhöht werden. Der Wassershift-Katalysator wird einfach aus im Stand der Technik bekannten Wassershift-Katalysatoren ausgewählt. Der Abgaskatalysator-Abfluss 119, der rückgewonnenes Wasser enthält, durchströmt den unterstromig von den Abgaskatalysator 90 angeordneten Wärmetauscher 57. Der Wärmetauscher 57 kondensiert Wasser aus dem Abgaskatalysator-Abfluss 119, kühlt den Abgaskatalysator-Abfluss 119 und heizt Ansaugluft 63 von der Luftversorgung 61 auf. Wasser aus dem rückgewonnenen Strom 120 reagiert in der Gegenwart des Wassershift-Katalysators in der Wassershift-Vorrichtung 60, um Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff gemäß bekannten Reaktionsmechanismen zu erzeugen. Optional kann eine Mischvorrichtung (nicht gezeigt) vorgesehen sein, um den rückgewonnen Strom 120 und einen wasserstoffreichen Motoraustrag 50 vor dem Speisen der Wassershift-Vorrichtung 60 zu mischen.
  • Die SOFC wird betrieben durch Verwenden eines wasserstoffreichen Kraftstoffs in der Form eines Wassershift-Abflusses 55 oder eines wasserstoffreichen Kraftstoffes in der Form eins wasserstoffreichen Motoraustrags 50, um die Kraftstoffseite 42 der SOFC 40 zu speisen. Die Luftseite 44 kann mit einer Luftversorgung 59 von einer vorgeheizten Luftquelle wie z. B. einem Wärmetauscher 57 gespeist werden. Der SOFC-Abfluss 70 speist dann den Abgaskatalysator 90, während ein sauerstoffabgereicherter Luftstrom 75 von der Luftseite 44 der SOFC 40 freigesetzt wird. Der sauerstoffabgereicherte Luftstrom 75 kann dem Abgaskatalysator 90 zugeführt werden oder verwendet werden, um Verdünnungszylinder wie z. B. die Zylinder 314 und 316 in 3 (Verbindungen nicht gezeigt) zu speisen.
  • Die 2, 3 und 4 zeigen drei Ausführungsformen zum Konfigurieren des vorliegenden Systems mit einem Motor 30, der als ein optimierter Erzeuger von wasserstoffreichem Kraftstoff für die SOFC 40 betrieben wird.
  • 2 zeigt eine Ausführungsform, die einen Freikolben-Gasgenerator 200 verwendet, worin Leistung durch einen Generator für linearen Wechselstrom elektrisch abgenommen wird, wobei eine Kompressionszündung mit überfetter homogener Ladung (homogenous charge compression ignition = HCCl) einen wasserstoffreichen Austrag bereitstellt. Freikolben-Gasgeneratoren wurden in der Literatur beschrieben, wie z. B. in dem SAE-Paper No. 9 FL-486 von Van Blarigan et al mit dem Titel „Homogenous Charge Compression Ignition with a Free Piston: A New Approach to Ideal Otto Cycle Performance", welches hierin durch Verweis aufgenommen ist. 2 zeigt den Basisaufbau eines Freikolben-Gasgenerators 200, umfassend Kolben 202, die über eine Verbindungsstange 204 verbunden sind, die in einem Zylindergehäuse 206, das den Zylinder bildet, in dem die Kolben laufen, enthalten sind. Eine Permanentmagnetanordnung 208 befindet sich innerhalb des Zylindergehäuses 206 zwischen den Wicklun gen 210 des Generators für linearen Wechselstrom. Die Verbindungsstange 204 verbindet die Kolben 202 und die Permanentmagnetanordnung 208 zu einer festen Einheit. Ein neuer Ansatz für die HCCl, der einen Teil dieser Erfindung bildet, besteht in der Verwendung der HCCl, um eine extrem fette Verbrennung zu ermöglichen. Motoren mit überfetter HCCl laufen bei unüblich fetten Äquivalenzverhältnissen, um eine sehr hohe Wasserstoffausbeute zu erzeugen. In dem vorliegenden System und Verfahren kann dieser Typ von Motor für niedrige Emissionen mager gestartet werden und dann zu einer überfetten Verbrennung übergeführt werden, wenn die SOFC bereit ist. Der Freikolben-Gasgenerator 200 kann als ein kompakter Motor mit geringer Reibung für die vorliegenden Hybrid-Elektroantriebe verwendet werden. Falls gewünscht, können andere herkömmliche kurbelwellenbasierte Motoren verwendet werden, die solche Merkmale aufweisen wie: ein hohes Kompressionsverhältnis, eine hohe Ansaugtemperatur, eine aufgeladene oder hohe Abgasrückführung, wobei diese Merkmale dazu dienen, eine HCCl zu ermöglichen.
  • In einer weiteren Ausführungsform des vorliegenden Systems und Verfahrens dient der Motor 30 als Sauerstoffgenerator und die Sauerstoffanreicherung wird genutzt, um eine schnelle Verbrennung mit sehr fetten Äquivalenzverhältnissen zu erlauben.
  • 3 zeigt eine Ausführungsform, die einen Sauerstoffgenerator und ein Fett-Verbrennungsmotor-Zylindersystem 300 verwendet, um einen wasserstoffreichen Motoraustrag bereitzustellen. Diese Ausführungsform zieht die Verwendung eines Fett-Verbrennungsmotor-Zylindersystems 300 mit einer verbesserten fetten Verbrennung in dem gesamten oder zumindest in einem Teil des Motor/s in Erwägung. In dieser Ausführungsform ist die Verwendung der HCCl optional. In der in 3 gezeigten Ausführungsform führt eine Luftquelle (nicht gezeigt) einem Sauerstoffseparator 302 mit einer Sauerstoffdiffusionsmembran 306 Luft 201 zu. Der Sauerstoff diffundiert über die Sauerstoffdiffusionsmembran 306 und stellt einen sauerstoffreichen Strom 308, um den Fett-Zylinder 310 zu speisen, der einen wasserstoffreichen Austrag 50 erzeugt, bereit. Die Verwendung des wasserstoffreichen Stroms 308 in dem Fett-Zylinder 310 sorgt für den signifikanten Vorteil einer Vermeidung einer N2-Verdünnung des fetten Motoraustrags 50. Dies resultiert in einem/r erhöhten SOFC-Wirkungsgrad und -Leistung. Der stickstoffangereicherte Nebenprodukt-Strom 312 (d. h. sauerstoffabgereicherte Luft) kann verwendet werden, um mit einem hohen Wirkungsgrad und niedrigen Emissionen Nicht-fett-Zylinder wie z. B. die Zylinder 314 und 316, die einen verdünnten Motoraustrag 80 erzeugen, zu versorgen. N2 ist als Verdünnungsmittel thermodynamisch bevorzugt und stellt eine Effizienz bei magerer Verbrennung mit stöchiometrischer Kraftstoffversorgung bereit. Diese Ausführungsform bietet sodann den Vorteil, dass sie die Erzeugung eines wasserstoffreichen Austrags 30 mit im Wesentlichen keinem Stickstoff erlaubt. Sie erlaubt ferner eine sauerstoffreiche Verbrennung ohne Ruß durch Verwendung einer Hochtemperatur-Verbrennung. Zusätzlich wird der Nebenproduktstrom 312, anstatt als Abfall verloren zu gehen, in dem Motor genutzt, um die Nicht-fett-Zylinder 314 und 316 zu versorgen.
  • 4 zeigt eine Ausführungsform, die ein extrem fett vorgeheiztes Einlassturbogenerator-System 400 mit einem Hochgeschwindigkeitsgenerator 406 zur Bereitstellung eines wasserstoffreichen Austrags verwendet. Vorgeheizte Luft kann unter Verwendung eines unterstromig von dem Abgaskatalysator 90 (in 1 gezeigt) angeordneten Wärmetauschers bereitgestellt sein. Zum Beispiel kann ein in 1 gezeigter Wärmetauscher (Wasserkondensator) 57 verwendet werden. Vorgeheizte Luft 59, die z. B. von dem Wärmetauscher 57 (in 1 gezeigt) bereitgestellt sein kann, wird in dem Kompressor 402 komprimiert und in den Fett-Verbrenner 404 zuge führt, wo sie reagiert, um den Hochgeschwindigkeitsturbogenerator mit einer Welle 408 und einer Turbine 410 zu speisen, der einen wasserstoffreichen Austrag 50 erzeugt. Diese Ausführungsform zieht einen Überfett-Turbogenerator in Erwägung, der bei einer hohen Leistungsdichte nahe stöchiometrischen Kraftstoffzufuhr-Bedingungen betrieben werden kann, oder bei einem Niedrigleistungs-Gaserzeugungsmodus, wenn er mit vorgeheizter Luft betrieben wird. Ein wichtiger Vorteil wird dadurch bereitgestellt, dass die Turbogeneratoren ölfrei sein können, was die SOFC-Robustheit verbessert.
  • In zusätzlichen Ausführungsformen werden Sauerstoffanreicherungsvorrichtungen verwendet, um die Erzeugung eines wasserstoffreichen Austrags 50 zu verbessern. Eine Sauerstoffanreicherung kann in Verbindung mit einer beliebigen der wasserstoffangereicherten Austragskonfigurationen verwendet werden. Eine Sauerstoffanreicherung ist jedoch besonders für die Verwendung mit der Fett-Zylinderausführungsform von 3 bevorzugt, wo eine herkömmliche Verbrennung andernfalls den Grad, bis zu dem ein überfetter Betrieb möglich ist, begrenzt. Die 5 und 6 zeigen Ausführungsformen, in denen Sauerstoffanreicherungsvorrichtungen verwendet werden.
  • Eine Sauerstoffanreicherung kann durch Verwendung von Druckwechselabsorptionstechniken (PSA) mit sauerstoffselektiven Materialien bewirkt werden. Die PSA verwenden ein Absorberbett, das bevorzugt Sauerstoff oder Stickstoff absorbiert. Bei einer PSA wird das Absorberbett Druckzyklen unterworfen, die bewirken, dass angereicherte und abgereicherte Ströme aus dem System herausgezogen werden.
  • 5 zeigt einen Sauerstoffseparator 500 mit einer zwischen einer positiven Elektrode 506 und einer negativen Elektrode 504 angeordneten Mem bran 502. Ein vorgeheizter Luftstrom 59 tritt in den Sauerstoffseparator 500 ein und ein elektrisches Rückwärtspotential verwendet, um Sauerstoffionen über einen an der Membran 502 vorgesehenen Keramikelektrolyten zu pumpen. Der erzeugte sauerstoffabgereicherte Strom 312 kann verwendet werden, um z. B. die Nicht-fett-Zylinder 314 und 316 (in 3 gezeigt) zu speisen, während der sauerstoffreiche Strom 308 verwendet wird, um einen Motor wie z. B. den Fett-Zylinder 310 (in 3 gezeigt) in einem Fett-Zylindersystem zu speisen.
  • 6 zeigt eine Ausführungsform eines Sauerstoffseparators 600, der eine Keramikmembran z. B. mit einem gemischten Leitelektrolyt verwendet. In 6 strömt vorgeheizte Luft 59 durch einen Kompressor 604. Komprimierte Luft 606 tritt in den Sauerstoffseparator 600 ein, der eine Keramikmembran 602 mit einem gemischten Leitelektrolyt aufweist. Sauerstoffionen und Elektronen werden über die Keramikmembran in entgegengesetzte Richtungen geleitet. Druck kann auf eine Seite der Membran aufgebracht werden, oder alternativ kann Vakuum auf die entgegengesetzte Seite der Membran aufgebracht werden, um Sauerstoff durch die Membran zu zwingen. Alternativ kann eine Kombination von Druck und Vakuum verwendet werden. Ein sauerstoffreicher Strom 308 und ein sauerstoffabgereicherter Strom (d. h. stickstoffreicher Strom) 312 werden erzeugt. Der erzeugte sauerstoffreiche Strom 308 kann optional durch den Kompressor 608 geleitet werden, um einen Drucksauerstoffstrom 610 zu erzeugen. Der Drucksauerstoffstrom 610 kann dann zum Speisen eines Motors verwendet werden, der einen wasserstoffreichen Austrag 50 gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt.
  • Während die vorhergehenden Sauerstoffseparationstechniken bevorzugt sind, können andere Sauerstoffseparationstechniken verwendet werden und sind innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung eingeschlos sen.
  • Innerhalb eines Motors wird Kraftstoff in Gegenwart von Luft verbrannt. Wie hierin offen gelegt sind das vorliegende System und Verfahren derart eingerichtet und optimiert, dass sie einen überfetten Motoraustrag, reich an H2 und CO, erzeugen, um eine effiziente und/oder kompakte SOFC anzutreiben. Der Motor wird fett betrieben, um diese Erzeugung zu ermöglichen. Ein typischer Verbrennungsmotor kann nicht mehr als etwa 15 Vol.-% kombinierter Konzentration von Wasserstoff- und Kohlenstoffmonoxidabgas erzeugen. In der Theorie ist eine Erzeugung von 100% Wasserstoff möglich. Um jedoch die Wasserstoffanreicherung zu erhöhen und auch nützliche Arbeit aus dem Motor herauszuziehen, können das vorliegende System und Verfahren wie hierin beschrieben mehr als etwa 30 Vol.-% kombinierter Konzentration von Wasserstoff- und Kohlenstoffmonoxidabgas auf Basis des gesamten Austragsvolumens erzeugen. Ferner wird mit dem vorliegenden System und Verfahren mehr als etwa 50 Vol.-% kombinierter Konzentration von Wasserstoff- und Kohlenstoffmonoxidabgas auf Basis des gesamten Austragsvolumens erzielt, insbesondere wenn eine Wasserstoffanreicherung mit dem Fett-Turbogeneratorsystem bewirkt wird. Ferner werden, wenn die vorliegenden wasserstoffreichen Austragskonfigurationen mit den vorliegenden Sauerstoffanreicherungs-Konfigurationen kombiniert werden, in Abhängigkeit von dem verwendeten Kraftstoff kombinierte Wasserstoff- und Kohlenstoffmonoxidkonzentrationen von mehr als etwa 70 Vol.-% auf Basis der Gesamtaustragskonzentration erreicht.
  • Von dem Motor wird der wasserstoffreiche Motoraustrag 50 in die Kraftstoffseite einer SOFC eingeleitet. Ein Luftstrom 59 wird zu der Luftseite 44 der SOFC geleitet, wo Sauerstoff in der Luft zu O–2 ionisiert wird und Elektrizität erzeugt wird. Die Elektrizität wird von der SOFC über eine elekt rische Leitung (in 1 als punktierte Line gezeigt) zu einer Stromquelle 100 wie z. B. einer Batterie, einem Kondensator, einem Motor/Generator, einer Kombination davon und/oder einer anderen Vorrichtung geleitet, während die Sauerstoffionen über den Keramikelektrolyten zu der Kraftstoffseite 42 wandern, wo sie reagieren, um hauptsächlich Wasser und Kohlenstoffdioxid zu bilden.
  • Der SOFC-Abfluss 70 und/oder die sauerstoffabgereicherte Luft 75 können optional eine Turbine (nicht gezeigt) durchströmen, die Energie aus dem SOFC-Abfluss 70 und/oder der sauerstoffabgereicherten Luft 75 rückgewinnt. Der SOFC-Abfluss 70 und optional die sauerstoffabgereicherte Luft 75 durchströmt/en dann vorzugsweise einen Katalysator 90 bevor er/sie in einen Wärmetauscher 57 eintritt/eintreten. Innerhalb des Wärmetauschers 57 werden der SOFC-Abfluss 70 und die sauerstoffabgereicherte Luft 75 typischerweise auf Temperaturen von unter 100 °C abgekühlt, während der Kraftstoff und die Luft auf Temperaturen aufgeheizt werden, die typischerweise etwa 300 °C übersteigen. Der Austragsstrom 121 aus dem Wärmetauscher 57 kann dann in die Umgebung (nicht gezeigt) entlüftet werden.
  • Wie oben festgestellt, kann die in das System eintretende Luft vor der Einleitung in die SOFC komprimiert werden, der Kompressor ist jedoch nicht wesentlich, da der Motor selbst als eine Pumpe wirken kann, was eine Beseitigung des Kompressors ermöglicht. Der Kompressor erlaubt jedoch eine erhöhte Leistungsabgabe. Der in dem System verwendete spezielle Kompressortyp ist abhängig von der speziellen Anwendung. Zum Beispiel wird ein herkömmlicher Kompressor, der zum Komprimieren auf mittlere Drücke (bis zu etwa 3 Atmosphären) in der Lage ist, typischerweise in turbogeladenen Motoren verwendet, wobei der verwendete Druck gesteuert wird, um die Leistungsabgabe und den Wirkungsgrad der SOFC und den Motor als ein System zu konfigurieren. Für Verwendungen innerhalb eines Fahrzeugs kann der Druck bis zu zwei Atmosphären (Absolutdruck) betragen oder diese überschreiten, wobei etwa 1 bis etwa 2 Atmosphären (Absolutdruck) bevorzugt sind. Mögliche Kompressoren umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf, mechanische Vorrichtungen, die z. B. durch eine direkte Verbindung mit der Abgasturbine oder durch einen mechanischen Lader angetrieben sind, oder können unabhängig über Elektrizität oder Hydraulik eingerichtet sein.
  • Die bei der vorliegenden Erfindung verwendete SOFC 40 kann eine beliebige herkömmliche SOFC sein, die in der Lage ist, Sauerstoff zu ionisieren und zu leiten. Die SOFC umfasst einen Elektrolyt mit einem sowohl an der Kraftstoffseite wie auch an der Luftseite des Elektrolyten angeordneten Katalysator. Mögliche Katalysatoren umfassen jene, die in der Lage sind, Sauerstoff zu ionisieren und den ionisierten Sauerstoff mit herkömmlichen Kraftstoffen reagieren zu lassen, umfassend u. a. Katalysatoren auf Basis von Edelmetallen und Legierungen davon, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Es ist vorgesehen, dass mehrere SOFCs in Serie oder parallel an der Auslassseite des Motors verwendet werden können. Optional können zusätzliche SOFCs an der Induktionsseite des Motors verwendet werden.
  • Innerhalb der SOFC 40 erzeugt die Ionisierung des Sauerstoffes Elektrizität (als punktierte Linie gezeigt), die von dem Fahrzeug direkt verwendet werden kann, um verschiedene elektrische Teile, umfassend, aber nicht beschränkt auf, Lichter, Heizwiderstände, Gebläse, Klimaanlagen-Kompressoren, Startermotoren, Antriebsmotoren, Computersysteme, Radio-/Stereosysteme und eine Vielzahl von Sensoren und Aktuatoren, etc. Im Gegensatz zu herkömmlichen Kraftfahrzeugen ist die durch die SOFC 40 erzeugte Elektrizität ein Gleichstrom, der mit der normalen System spannung des Fahrzeugs abgestimmt werden kann, wodurch der Bedarf an Vorrichtungen wie z. B. Dioden, Spannungsumwandlungs- und andere Verluste wie z. B. Widerstandsverluste in der Verdrahtung und in die/aus der Batterie, die mit herkömmlichen Fahrzeugsystemen und traditionellen Hybrid-Elektrosystemen verbunden sind, minimiert werden. Diese hocheffiziente Elektrizität erlaubt eine wirksame Elektrifizierung des Fahrzeugs, mit Funktionen wie z. B. Klimaanlage und weitere, was Gewichts-, Kraftstoffökonomie- und Leistungsvorteile im Vergleich mit einer herkömmlichen Hybrid-Elektromechanisierung und herkömmlichen Verbrennungsmotoren erlaubt.
  • Während eines Starts und für die Fahrzeuginnenraumheizung kann die SOFC 40 bei hohen adiabatischen Temperaturen, z. B. bis zu etwa 1000 °C konfiguriert sein, abhängig von den Einschränkungen durch einen Katalysator, wobei die typischen Betriebstemperaturen von etwa 600 °C bis etwa 900 °C reichen und vorzugsweise von etwa 650 °C bis etwa 800 °C. Demzufolge wird zumindest ein Wärmetauscher 57 vorzugsweise verwendet, um den SOFC-Abfluss 70 zu kühlen und im Gegensatz dazu die Luft 59 aufzuheizen, bevor sie in die SOFC 40 eintritt, wobei im Allgemeinen herkömmliche Wärmetauscher verwendet werden.
  • Der in dem System verwendete Kraftstoff wird typischerweise auf Basis der Anwendung, der Kosten, Verfügbarkeit und Umweltproblemen in Zusammenhang mit dem Kraftstoff ausgewählt. Mögliche Kraftstoffe umfassen herkömmliche Kraftstoffe wie z. B. Kohlenwasserstoffkraftstoffe, umfassend aber nicht beschränkt auf herkömmliche flüssige Kraftstoffe wie z. B. Benzin, Diesel, Ethanol, Methanol, Kerosin und andere; herkömmliche gasförmige Brennstoffe wie z. B. Erdgas, Propan, Butan und andere; und alternative oder „neue" Kraftstoffe wie z. B. Wasserstoff, Biokraftstoffe, Fischer-Tropsch, Dimethylether und andere, sowie Kombinationen davon.
  • Der bevorzugte Kraftstoff basiert typischerweise auf dem verwendeten Motortyp, wobei leichtere Kraftstoffe, d. h. jene, die einfacher verdampft werden können, und/oder herkömmliche Kraftstoffe, die für die Verbraucher einfach erhältlich sind, im Allgemeinen bevorzugt sind.
  • Die andere Hauptkomponente neben der SOFC 40, die typischerweise von dem System der vorliegenden Erfindung verwendet wird, um Antriebskraft für ein Fahrzeug zu erzeugen, ist der Motor 30. Innerhalb des Motors 30 wird Luft 63, Reformat 21 und/oder Kraftstoff 11 verbrannt, um Wellenleistung zu erzeugen, während der wasserstoffreiche Motoraustrag 50 oder Reformeraustrag 20 als Kraftstoff in der SOFC 40 verwendet wird. Der Motor 30 kann ein beliebiger herkömmlicher Verbrennungsmotor sein, der derart eingerichtet ist, dass er einen wasserstoffreichen Motoraustrag zum Speisen einer SOFC erzeugt, umfassend aber nicht beschränkt auf Verbrennungsmotoren wie z. B. Gasturbinen, fremdgezündete und kompressionsgezündete Motoren, umfassend aber nicht begrenzt auf Motoren mit variabler Kompression. Vorzugsweise wurde der Motor derart modifiziert, dass er eine oder eine Kombination von Fett-Verbrennungsvorrichtung/en aufweist, umfassend aber nicht beschränkt auf Freikolben-Gasgeneratoren mit einer überfetten HCCl-Verbrennung, Sauerstoffseparatoren mit Fett-Verbrennungsmotor-Zylindersystemen, die eine verbesserten fette Verbrennung in dem ganzen oder einem Teil des Motor/s oder einem Teil davon aufweisen und optional HCCl- und extrem fett vorgeheizte Einlassturbogenerator-Systeme, die ein ein- oder zweistufiges Verbrennungssystem aufweisen. Vorzugsweise wurde das System derart modizifiert, dass es eine oder eine Kombination von Sauerstoffseparator-Vorrichtung/en aufweist, umfassend aber nicht beschränkt auf Druckwechselabsorptionsvorrichtungen, SOFC-Sauerstoffseparatoren und Keramikmembranen.
  • Der SOFC-Abfluss 70 tritt bevorzugt in einen Katalysator 90 ein, um extrem niedrige nahezu Null Emissionen von Kohlenwasserstoffen und Stickoxiden zu erreichen. Der Katalysator 90 ist typischerweise einer jener, die in Kraftfahrzeuganwendungen verwendet werden und umfasst jene, die (1) Edelmetalle und Legierungen davon wie u. a. z. B. Platin-, Rhodium- und Paladiumkatalysatoren und Legierungen davon und/oder (2) Partikelfilterung und -zerstörung verwenden.
  • Optionale Einrichtungen, die zusätzlich mit dem vorliegenden System verwendet werden können, umfassen, sind aber nicht beschränkt auf Sensoren und Aktuatoren, Wärmetauscher, eine Batterie, einen Kraftstoffreformer, einen Brenner, Phasenumwandlungsmaterial, ein Wärmespeichersystem, ein Plasmatron, einen Entschwefler oder Kombinationen davon. Der Entschwefler kann verwendet werden, wenn der Kraftstoff reich an Schwefel ist, oder wenn unter anderen herkömmlichen Einrichtungen der in der SOFC verwendete Katalysator, wie z. B. nickelbasierte Katalysatoren, besonders intolerant gegenüber Schwefel ist. Im Gegensatz zu herkömmlichen Fahrzeugen und selbst zu Systemen nach dem Stand der Technik, die Kraftstoffzellen verwenden, benötigt das System der vorliegenden Erfindung nicht die Verwendung einer Batterie, obwohl eine kleine Batterie vorzugsweise als Vorrichtung für Spitzen für Hochleistungsmodi verwendet wird. Der Motor kann als eine Vorrichtung für Spitzen für Hochleistungsmodi wirken (analog einer Batterie).
  • Die verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bieten Vorteile gegenüber dem Stand der Technik, indem sie: (1) einen wasserstoff- und kohlenstoffmonoxidreichen Austrag bereitstellen; (2) die Wasserstoffausbeute in dem Austrag durch Anwendung von Sauerstoffanreicherungskonzepten weiter erhöhen; (3) eine kleinere SOFC bereitstellen als frühere Konzepte, wobei die vorliegende Hybrid-Elektroantriebs- Konfiguration im Speziellen eine sehr kleine SOFC verwendet und geeignet ist für die Verwendung mit einem leichten Stadt-SULEV (super ultra low emission vehicle = Fahrzeug mit extrem niedriger Emission), das sehr energiesparend ist; (4) Abfall minimieren durch Verwendung sowohl sauerstoffangereicherter Ströme als auch sauerstoffabgereicherter Ströme, um jeweils sowohl Fett-Zylinder als auch Verdünnungs-Zylinder zu betreiben; (5) beinahe Null Emissionen verursachen, auf Grund der Fähigkeit, bei dem Kaltstart extrem verdünnte Gemische zu verbrennen, und unverbrannten und teilweise verbrannten Kraftstoff, der in der Verbrennung (insbesondere der fetten Verbrennung) immer erzeugt wird, zu verbrauchen, mit der Absicht, SULEV-Standards von 0,010 Gramm Kohlenwasserstoffe je Meile (g/mi), 1,0 g/mi Kohlenstoffmonoxid, 0,02 g/mi Stickoxide und 0,01 g/mi Partikel zu erfüllen oder zu übertreffen; (6) den Wirkungsgrad des Gesamtsystems erhöhen, bis etwa 60% oder mehr bei geringer Belastung und etwa 45% oder mehr bei schwerer Belastung; und (7) mit fortgeschrittenen Verbrennungssystemen wie z. B. Kompressionszündung mit homogener Ladung – eine „saubere" Dieseltechnologie, wo vorgemischter Kraftstoff durch Kompressionsdruck und Temperatur entzündet wird, kompatibel sind; (8) eine Verbrennung von Kraftstoffen mit extrem niedrigen Partikelemissionen erlauben, durch Einfangen und Verbrauchen von Partikeln in der SOFC und den Katalysatoren; (9) zusätzliche Zuverlässigkeit von zwei unabhängigen „Motoren", d. h. dem Verbrennungsmotor und der SOFC, bereitstellen; (10) eine Verzögerungsperiode beseitigen, bevor das Fahrzeug mit nahezu Vollleistung gefahren werden kann; und (11) einen Einsteck-SOFC-Betrieb bereitstellen, der Heim, Büro, Arbeitsstätte etc. mit einer Quelle verteilter hocheffizienter elektrischer Energie und Wärme speisen kann.
  • Die Ausführungsformen des vorliegenden Systems und Verfahrens können, obwohl meist in Bezug auf eine Verwendung innerhalb eines Fahr zeugs beschrieben, in zahlreichen Anwendungen genutzt werden, umfassend aber nicht beschränkt auf: Kraftwärmekopplung von Wärme und elektrischer Energie, verteilte elektrische Energieerzeugung wie z. B. kleine Kraftwerke für wirtschaftliche/industrielle/Schiffarts-Anwendungen und mobile Energieerzeugung wie z. B. u. a. Militär-/Konstruktions-/Freizeitanwendungen.
  • Es wird einzusehen sein, dass ein Fachmann Abwandlungen der hierin gezeigten bevorzugten Ausführungsform innerhalb des Umfangs und der Absicht der Ansprüche vornehmen kann. Während die vorliegende Erfindung in einer speziellen Ausführungsform davon ausgeführt beschrieben wurde, soll sie dadurch nicht beschränkt sein, sondern sie soll die Erfindung allgemein innerhalb des Umfangs der Ansprüche abdecken.

Claims (15)

  1. Energieerzeugungssystem, umfassend: (a) einen Motor (30) mit einem Einlass und einem Auslass; (b) eine Luftversorgung (61) in fluidmäßiger Verbindung mit dem Motoreinlass; (c) eine Kraftstoffversorgung (9) in fluidmäßiger Verbindung mit dem Motor (30); (d) zumindest eine SOFC (= Festoxid-Brennstoffzelle) (30) mit einem Kraftstoffeinlass in fluidmäßiger Verbindung mit dem Motorauslass, einem SOFC-Abfluss (70) und einem Luftabfluss (75); dadurch gekennzeichnet, dass (e) eine Sauerstoffanreichungsvorrichtung ( ) in fluidmäßiger Verbindung mit dem Motoreinlass steht, um sauerstoffreiches Verbrennungsgas an den Motor (30) zu liefern, so dass der Motor (30) ein wasserstoffreichen Austrag (50) mit einer kombinierten Konzentration von Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid von mehr als 30% erzeugt.
  2. Energieerzeugungssystem nach Anspruch 1, wobei der Motor ein Fremdzündungs-Verbrennungsmotor, ein Kompressionszündungs-Verbrennungsmotor, ein Freikolben-Gasgenerator oder ein Fett-Brennkammerturbogenerator-System ist.
  3. Energieerzeugungssystem nach Anspruch 1, wobei der Motor ein Mehrzylinder-Verbrennungsmotor ist und wobei die Sauerstoffanreichungsvorrichtung in fluidmäßiger Verbindung mit einem oder mehreren aber weniger als allen Zylinder/n steht, wobei diese Zylinder als Fett-Verbrennungszylinder wirken.
  4. Energieerzeugungssystem nach Anspruch 3, wobei der/die Zylinder, der/die nicht als Fett-Verbrennungszylinder wirkt/wirken, in fluidmäßiger Verbindung mit einem Auslass der Sauerstoffanreichungsvorrichtung steht/stehen, um sauerstoffabgereicherte Verbrennungsluft aufzunehmen.
  5. Energieerzeugungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Motor (30) derart eingerichtet ist, dass er einen wasserstoffreichen Austrag mit einer kombinierten Konzentration von Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid von mehr als 50% erzeugt.
  6. Energieerzeugungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sauerstoffseparationsvorrichtung ausgewählt ist aus Druckwechselabsorptions-Sauerstoffseparatoren, SOFC-Sauerstoffseparatoren, Keramikmembran-Sauerstoffseparatoren und Kombinationen davon.
  7. Energieerzeugungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Turbine in fluidmäßiger Verbindung mit dem SOFC-Abfluss.
  8. Energieerzeugungssystem nach Anspruch 7, wobei die Turbine ferner in fluidmäßiger Verbindung mit dem Luftabfluss ist.
  9. Energieerzeugungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der SOFC-Kraftstoffeinlass ferner in fluidmäßiger Verbindung mit der Kraftstoffversorgung (9) steht.
  10. Energieerzeugungssystem nach Anspruch 9, wobei der SOFC-Kraftstoffeinlass ferner in Verbindung mit der Luftversorgung (61) steht.
  11. Energieerzeugungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen Schnellstart-Reformer (10) mit einem Einlass in fluidmäßiger Verbindung mit einer Kraftstoffversorgung (9) und einem Abfluss (20) in fluidmäßiger Verbindung mit dem SOFC-Kraftstoffeinlass.
  12. Energieerzeugungssystem nach Anspruch 11, wobei der Schnellstart-Reformer (10) ausgewählt ist aus einem Brenner, Wärmetauscher, Plasmatron, Verdampfer, Kraftstoff-Reformer, katalytischen Reformer, Fett-Brenner oder einer Kombination davon.
  13. Energieerzeugungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Katalysator (90) mit einem Einlass in fluidmäßiger Verbindung mit dem SOFC-Abfluss (70).
  14. Energieerzeugungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Wärmetauscher (57) mit einem Lufteinlass in fluidmäßiger Verbindung mit dem Motorauslass und einem Luftabfluss in fluidmäßiger Verbindung mit dem SOFC-Lufteinlass.
  15. Verfahren zum Betrieb eines Energieerzeugungssystems umfassend die Schritte: (a) Zuführen von zumindest einem ersten Teil von Kraftstoff (11) und einem ersten Teil von Luft (63) zu einem Motor (30), wobei der Motor derart eingerichtet ist, dass er einen wasserstoffreichen Austrag (50) mit einer kombinierten Konzentration von Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid von mehr als 30% erzeugt; (b) Reagieren lassen des ersten Teils von Kraftstoff (11) und des ersten Teils von Luft (63) in dem Motor, um den ersten wasserstoffreichen Austrag (50) zu erzeugen; (c) Einleiten des wasserstoffreichen Motoraustrags (50) in einen Kraftstoffeinlass (42) einer SOFC (40), die auch eine Luftseite mit einem Lufteinlass (44) aufweist; (d) Einleiten eines zweiten Teils von Luft in den SOFC-Lufteinlass (44); und (e) Ionisieren von Sauerstoff in dem zweiten Teil von Luft, sodass der ionisierte Sauerstoff von der Luftseite zu der Kraftstoffseite (42) der SOFC wandert, wo er mit dem wasserstoffreichen Motoraustrag (50) reagiert, um einen SOFC-Abfluss (70) zu erzeugen.
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