МОДУЛЬ УСТАНОВКИ ДЛЯ РИФОРМИНГА
REFORMING PLANT MODULE

Настоящее изобретение относится к модулю установки для реформинга, применяемого в системе топливных элементов, и, в частности, касается особенности изготовления установки для реформинга, используемого в системе твердооксидных топливных элементов.
Паровой реформинг метана является чрезмерно теплопоглощающей (эндотермической) реакцией, в результате чего происходит местное охлаждение в узле установки для реформинга.
При температурах, используемых для парового реформинга в твердооксидном топливном элементе, кинетика реакции парового реформинга является чрезмерно ускоренной по своему темпу. Проблема с косвенным внутренним паровым реформингом в твердоокисном топливном элементе заключается в рассогласовании между активностью катализатора парового реформинга и теплотой, получаемой из твердоокисных топливных элементов. В результате может быть создан большой температурный градиент по длине узла установки для реформинга.
Эта проблема может быть уменьшена посредством использования малой доли имеющейся в наличии активности катализатора. Это может быть достигнуто фактически посредством обеспечения неравномерного распределения катализатора или путем обеспечения диффузионного барьера на поверхности катализатора. Традиционно наличие слоя катализатора обеспечивается на внешней поверхности топливной таблетки, наличие барьерного слоя предусматривается на слое катализатора, или наличие слоя жидкого раствора катализатора обеспечивается на внутренней поверхности пустотелой опоры, а наличие барьерного слоя предусматривается на слое катализатора. В обоих этих случаях применение катализатора или барьерного слоя чрезвычайно затруднено из-за неоднородной структуры поверхности топливной таблетки и пустотелой опоры, и в случае наличия пустотелой опоры чрезвычайно затруднена рабочая операция покрытия внутренней поверхности пустотелой опоры. Кроме того, неравномерное распределение слоя катализатора также чрезмерно затруднено в этих обоих случаях.
В соответствии с реализацией настоящего изобретения проводится поиск с целью обеспечения нового модуля установки для реформинга, который уменьшает значимость выше указанных проблем, а предпочтительно преодолевает их влияние.
Согласно настоящему изобретению обеспечивается наличие модуля установки для реформинга, включающего в себя пустотелый опорный элемент, имеющий, по меньшей мере, один сквозной проходной канал, идущий в продольном направлении, устройство для подачи топлива, по меньшей мере, в один проходной канал, при этом пустотелый опорный элемент имеет наружную поверхность, слой катализатора, расположенный, по меньшей мере, на части наружной поверхности пустотелого опорного элемента, и слой уплотнения, размещенный на слое катализатора и на наружной поверхности пустотелого опорного элемента, отличной, по меньшей мере, от части наружной поверхности пустотелого опорного элемента.
Предпочтительно барьерный слой расположен, по меньшей мере, на части наружной поверхности пустотелого опорного элемента, и слой катализатора размещен на барьерном слое.
Предпочтительно барьерный слой расположен, по существу, на всей наружной поверхности пустотелого опорного элемента.
Предпочтительно слой катализатора размещен на барьерном слое у каждого из множества участков наружной поверхности пустотелого опорного элемента, слой уплотнения расположен на слое катализатора у каждого участка наружной поверхности пустотелого опорного элемента, имеющего слой катализатора, на барьерном слое и на пустотелом опорном элементе, на участках его наружной поверхности, отличных от множества участков.
Слои катализатора, расположенные на множестве участков, могут быть удалены друг от друга в продольном направлении по пустотелому опорному элементу. Слои катализатора на участках могут иметь различные площади. Слои катализатора на множестве участков могут увеличиваться по своей площади от первого концевого участка до второго концевого участка пустотелого опорного элемента.
При альтернативном варианте модуля слой катализатора может располагаться, по существу, на всем барьерном слое, а барьерный слой имеет различную толщину на его различных участках. Барьерный слой может уменьшаться по своей толщине от первого концевого участка до второго концевого участка пустотелого опорного элемента.
При альтернативном варианте модуля барьерный слой может иметь сквозные отверстия, и суммарная площадь поперечного сечения этих отверстий в барьерном слое является различной на различных участках. Суммарная площадь поперечного сечения отверстий в барьерном слое на различных участках может увеличиваться от первого концевого участка до второго концевого участка пустотелого опорного элемента. Размеры отверстий могут увеличиваться, и/или может увеличиваться количество отверстий.
При альтернативе слой катализатора имеет различную активность на различных участках. Активность слоев катализатора на различных участках может увеличиваться в направлении от первого концевого участка до второго концевого участка пустотелого опорного элемента.
Предпочтительно первый концевой участок является впуском для углеводородного топлива, а второй концевой участок представляет собой выпуск для топлива, подвергнутого реформингу.
Предпочтительно пустотелый опорный элемент включает в себя множество проходных каналов, проходящих в продольном направлении.
Предпочтительно пустотелый опорный элемент является пористым.
При альтернативе пустотелый опорный элемент не является пористым и имеет множество сквозных отверстий.
Суммарная площадь поперечного сечения отверстий в пустотелом опорном элементе, не имеющем пор, может быть различной на различных участках.
Суммарная площадь поперечного сечения отверстий в пустотелом опорном элементе, не имеющем пор, на различных участках может увеличиваться от первого концевого участка до второго концевого участка пустотелого опорного элемента. Размеры отверстий могут увеличиваться, и/или может увеличиваться количество отверстий.
Настоящее изобретение также обеспечивает наличие модуля установки для реформинга, включающего в себя пустотелый пористый опорный элемент, имеющий, по меньшей мере, один сквозной проходной канал, идущий в продольном направлении, устройство для подачи топлива, по меньшей мере, в один проходной канал, при этом пустотелый пористый опорный элемент имеет наружную поверхность, барьерный слой, расположенный, по меньшей мере, на части наружной поверхности пустотелого пористого опорного элемента, слой катализатора, расположенный на барьерном слое, и слой уплотнения, размещенный на слое катализатора и на наружной поверхности пустотелого опорного элемента, отличной, по меньшей мере, от части наружной поверхности пустотелого пористого опорного элемента.
Настоящее изобретение теперь будет более полно описано посредством представления примера его реализации со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
фиг.1 - аксонометрическая проекция модуля установки для реформинга, выполненного в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.2 - увеличенное по масштабу поперечное сечение модуля установки для реформинга, показанного на фиг.1;
фиг.3 - увеличенное по масштабу продольное сечение модуля установки для реформинга, показанного на фиг.1;
фиг.4 - вид сверху на слой катализатора модуля установки для реформинга, выполненного в соответствии с реализацией настоящего изобретения;
фиг.5 - продольное сечение модуля установки для реформинга, показанного на фиг.4;
фиг.6 - увеличенное по масштабу поперечное сечение модуля установки для реформинга, показанного на фиг.1, при альтернативном варианте этого модуля;
фиг.7 - увеличенное по масштабу поперечное сечение модуля установки для реформинга, показанного на фиг.1, при дополнительном альтернативном варианте воплощения этого модуля;
фиг.8 - увеличенное по масштабу поперечное сечение модуля установки для реформинга, показанного на фиг.1, при другом дополнительном альтернативном варианте воплощения этого модуля на фиг.1.
Модуль 10 установки для реформинга, как показано на фиг.1, 2 и 3, включает в себя пустотелый пористый опорный элемент 12, который имеет множество сквозных проходных каналов 14, проходящих в продольном направлении от первого концевого участка 16 ко второму концевому участку 18. Пустотелый пористый опорный элемент 12 имеет наружную поверхность 20, при этом пористый барьерный слой 22 расположен, по существу, на всей наружной поверхности 20 пустотелого опорного элемента 12. Слой 24 катализатора размещен, по существу, по всему пористому барьерному слою 22, при этом слой уплотнения 26 расположен на слое катализатора, на какой-либо части пористого барьерного слоя 22, не покрытого слоем 24 катализатора, и на наружной поверхности пустотелого опорного элемента 12, в отличие от того участка, который покрыт пористым барьерным слоем 22.
Следует отметить, что пустотелый опорный элемент 12 имеет две, по существу, плоских параллельных наружных поверхности и что пористый барьерный слой 22, слой 24 катализатора и слой 26 уплотнения наложены на обе наружные поверхности.
Пористый слой 22 является диффузионным барьерным слоем, предназначенным для контролирования темпа диффузии углеводородного топлива из проходных каналов 14 в слой 24 катализатора. Пустотелый пористый опорный элемент 12 включает в себя, например, шпинель, изготовленную из алюмината магния, окись иттрия, стабилизированную циркониевым ангидридом, карбид кремния или другую подходящую для этого керамику. Пористый барьерный слой 22 включает в себя, например, окись иттрия, стабилизированную циркониевым ангидридом. Слой 24 катализатора включает в себя, например, родий, никель или другой катализатор, подходящий для осуществления реформинга, и предпочтительно включает в себя учитываемый по массе один процент материала катализатора, рассеянного в подходящем для этого материале, например, в окиси иттрия, стабилизированной циркониевым ангидридом. Слой 26 уплотнения является газонепроницаемым и содержит, например, стекло или плотную непористую окись иттрия, стабилизированную циркониевым ангидридом.
Барьерный слой 22 и слой 24 катализатора могут накладываться посредством использования трафаретной печати, струйной печати, закрашивания кистью, погружения или покрытия суспензией.
При обработке углеводородного топлива, например метана, он подается к первому концевому участку 16 модуля 10 установки для реформинга. Углеводородное топливо протекает через проходные каналы 14 от первого концевого участка 16 ко второму концевому участку 18 модуля 10 установки для реформинга. Углеводородное топливо посредством диффузии проходит через пустотелый пористый опорный элемент 12 и через пористый барьерный слой 22 к слою катализатора 24. Углеводородное топливо подвергается преобразованию в слое 24 катализатора, и продукты реакции реформинга: водород, угарный газ, углекислый газ и др. посредством диффузии проходят через пористый барьерный слой 22 и через пустотелый пористый опорный элемент 12 к проходным каналам 14. Продукты реакции реформинга протекают по проходным каналам 14, выпускаются из второго концевого участка 18 модуля 10 и поступают в систему твердоокисных топливных элементов (на чертежах не показана).
На фиг.4 и 5 иллюстрирован дополнительный вариант изготовления модуля 10В в соответствии с реализацией настоящего изобретения. Модуль 10В установки для реформинга, по существу, является тем же самым, который изображен на фиг.1 и 3, и аналогичные детали модуля обозначены одними и теми же числовыми позициями. При этом варианте реализации изобретения слой 24 катализатора не покрывает весь пористый барьерный слой 22, но скорее предусмотрено наличие слоя 24 катализатора на множестве участков, удаленных друг от друга в продольном направлении по длине модуля 10В установки для реформинга. Следует отметить, что площади контактирования слоев 24 катализатора с пористым барьерным слоем 22 непрестанно увеличиваются от первого концевого участка 16 ко второму концевому участку 18 модуля 10В установки для реформинга. Это должно контролировать величину скорости осуществления реакции реформинга в слое 24 катализатора в продольном направлении по длине модуля 10В установки для реформинга посредством гарантирования того, что у первого концевого участка 16 имеется количество катализатора, которое меньше того его количества, которое находится у второго концевого участка 18 модуля 10В установки для реформинга, и что непрестанно увеличивается количество катализатора между первым концевым участком 16 и вторым концевым участком 18 модуля 10В установки для реформинга таким образом, что температурные градиенты уменьшаются или доводятся до своего минимума в продольном направлении по длине модуля 10В установки для реформинга.
На фиг.6 иллюстрирован другой вариант выполнения модуля 10С установки для реформинга в соответствии с реализацией настоящего изобретения. Модуль 10С установки для реформинга, по существу, является таким же самым, как тот, который показан на фиг.1-3, и аналогичные детали модуля обозначены одними и теми же числовыми позициями. При этом варианте модуля пористый барьерный слой 22 уменьшается по своей толщине от первого концевого участка 16 ко второму концевому участку 18 модуля 10С установки для реформинга. Целью этого является осуществление контролирования величины скорости реакции преобразования в слое 24 катализатора в продольном направлении по длине модуля 10С установки для реформинга посредством гарантирования того, что существует более толстый барьерный слой 22 у первого концевого участка 16 по сравнению с тем барьерным слоем, который имеется у второго концевого участка 18 таким образом, что диффузия через пористый барьерный слой 22 у второго концевого участка 18 является более быстрой по сравнению с той скоростью диффузии, которая происходит у первого концевого участка 16, таким образом, что температурные градиенты уменьшаются или доводятся до своего минимума в продольном направлении по длине модуля 10С установки для реформинга.
Пористый барьерный слой 22 может уменьшаться по своей толщине скорее ступенчато, чем непрерывно. Пористый барьерный слой 22 может накладываться посредством погружения, по существу, по всей длине пустотелого пористого опорного элемента 12 в резервуар, содержащий материал, предназначенный для получения барьерного слоя и являющийся окисью иттрия, стабилизированной циркониевым ангидридом, таким образом, что вся наружная поверхность пустотелого пористого опорного элемента 12 покрывается пористым барьерным слоем 22. Затем пустотелый пористый опорный элемент 12 соответственно должен погружаться в резервуар, содержащий материал, предназначенный для получения барьерного слоя и являющийся окисью иттрия, стабилизированной циркониевым ангидридом, при непрестанно укорачивающихся глубинах погружения таким образом, что пустотелый пористый опорный элемент 12 покрывается все меньшим и меньшим по его длине пористым барьерным слоем 22 для получения ступенчато изменяющейся толщины пористого барьерного слоя 22.
Дополнительная альтернатива заключается в погружении пустотелого пористого опорного элемента 12 последовательно в резервуары, содержащие материалы барьерного слоя с различными композициями.
На фиг.7 иллюстрирован дополнительный вариант выполнения модуля 10D установки для реформинга в соответствии с реализацией настоящего изобретения. Модуль 10D установки для реформинга, по существу, является таким же самым, как тот, который показан на фиг.1-3, и аналогичные детали модуля обозначены одними и теми же числовыми позициями. При этом варианте воплощения изобретения непористый барьерный слой 22 имеет сквозные отверстия, а количество и/или размеры отверстий 28 изменяются от первого концевого участка 16 ко второму концевому участку 18 таким образом, что суммарная площадь отверстий 28 у первого концевого участка 16 меньше, чем суммарная площадь отверстий 28 у второго концевого участка 18, причем суммарная площадь отверстий 28 увеличивается от первого концевого участка 16 ко второму концевому участку 18 модуля 10D установки для реформинга. И вновь это предназначено для контролирования величины скорости реакции реформинга в слое 24 катализатора в продольном направлении по длине модуля 10D установки для реформинга таким образом, чтобы диффузия через барьерный слой 22 была более быстрой у второго концевого участка 18 по сравнению с той, которая имеется у первого концевого участка 16, таким образом, что температурные градиенты уменьшаются или доводятся до своего минимума в продольном направлении по длине модуля 10D установки для реформинга.
При альтернативе слой 24 катализатора может иметь уменьшенную активность у первого концевого участка 16 по сравнению с той активностью, которая имеется у второго концевого участка 18 модуля 10 установки для реформинга.
На фиг.8 иллюстрирован дополнительный вариант изготовления модуля 10Е в соответствии с реализацией настоящего изобретения. Модуль 10Е установки для реформинга, по существу, является тем же самым, который изображен на фиг.1-3, и аналогичные детали модуля обозначены одними и теми же числовыми позициями. При этом варианте реализации изобретения непористый пустотелый опорный элемент 12 имеет сквозные отверстия 30, а количество и/или размеры отверстий 30 изменяются от первого концевого участка 16 ко второму концевому участку 18 таким образом, что суммарная площадь отверстий 30 у первого концевого участка 16 меньше, чем суммарная площадь отверстий 30, находящихся у второго концевого участка 18, причем суммарная площадь отверстий 30 увеличивается от первого концевого участка 16 ко второму концевому участку 18 модуля 10Е установки для реформинга. Имеется пористый барьерный слой 22. И вновь это предназначается для того, чтобы контролировать величину скорости реакции реформинга в слое 24 катализатора в продольном направлении по длине модуля 10Е установки для реформинга таким образом, чтобы диффузия через барьерный слой 22 была более быстрой у второго концевого участка 18 по сравнению с той, которая имеется у первого концевого участка 16, таким образом, что температурные градиенты уменьшаются или доводятся до своего минимума в продольном направлении по длине модуля 10Е установки для реформинга. Непористый пустотелый опорный элемент 12, предпочтительно, включает в себя оксид алюминия, но он может включать в себя шпинель из плотного непористого алюмината магния, плотный непористый оксид иттрия, стабилизированный циркониевым ангидридом, плотный непористый карбид кремния и др. Пустотелый опорный элемент, выполненный из алюмината магния, является более прочным.
Имеется возможность обходиться без барьерного слоя при некоторых обстоятельствах в случае примера, иллюстрированного на фиг.8.
Преимущества настоящего изобретения заключаются в том, что посредством обеспечения слоя катализатора на наружной поверхности пустотелого опорного элемента может более точно контролироваться распределение катализатора, и таким образом может быть достигнуто неравномерное распределение катализатора. Кроме того, можно более легко обеспечивать наличие барьерного слоя между пустотелым опорным элементом и слоем катализатора, распределение барьерного слоя может более точно контролироваться, и таким образом может быть достигнуто неравномерное распределение барьерного слоя. Наружные поверхности пустотелого опорного элемента могут поддерживаться равномерными и плоскими, облегчая нанесение ровного и непрерывного слоя. Наряду с этим слои могут более легко проверяться на наличие дефектов, трещин, отклонений их по толщине и так далее. Имеется только слой уплотнения, наличие которого обеспечивается между наружной средой, обеспечивающей теплотой для реакции реформинга преобразования, и слоем катализатора, в котором осуществляется реакция реформинга, и это обеспечивает низкий тепловой барьер передачи теплоты к слою катализатора.
Дополнительной возможностью считается то, что модуль установки для реформинга может самостоятельно формировать часть твердоокисного топливного пакета, как это описано в публикации Международной заявки WO 2003/010847, опубликованной 6 февраля 2003 года. В этом случае один участок одной или обеих наружных поверхностей модуля установки для реформинга имеет барьерный слой, слой катализатора и слой уплотнения, а остальные участки одной или обеих наружных поверхностей могут также иметь один или большее количество твердоокисных топливных элементов.
Хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на использование твердоокисных топливных элементов, оно с равной возможностью может использоваться при других топливных элементах и вообще для парового реформинга или горения в присутствии катализатора.