DE10033593C1 - Vorrichtung zur Erzeugung eines wasserstoffreichen Gases - Google Patents

Vorrichtung zur Erzeugung eines wasserstoffreichen Gases

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines wasserstoffreichen, kohlenmonoxidarmen Gases mit einer Gaserzeugungsvorrichtung zur katalytischen Wasserdampfreformierung eines Wasserdampf/Brennstoffgemisches und/oder zur partiellen Oxidation eines Sauerstoff/Brennstoffgemisches, mit einer Gasreinigungsstufe zur Entfernung von Kohlenmonoxid aus dem Produktgas der Gaserzeugungsvorrichtung mit Hilfe der selektiven CO-Oxidation, und mit Zu- und Abführleitungen, wobei stromauf von Reaktoren mit katalytisch aktiven Bereich strömungstechnisch abtrennbare, zusätzliche katalytisch aktive Bereiche vorgesehen sind, und wobei Strömungsumlenkmittel vorgesehen sind, um die zusätzlichen katalytisch aktiven Bereiche temperaturabhängig freizugeben oder abzusperren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines wasserstoffreichen Gases gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.
In der Kaltstartphase wird ein PEM-Brennstoffzellensystem in nicht optimalen Betriebszuständen betrieben, was besonders für die thermisch aufeinander abgestimmten Reaktionen im Gaserzeugungssystem nachteilig ist. Beim Starten muß das Gaserzeugungssystems jedoch auf Betriebstemperatur gebracht werden. Dies kann beispielsweise durch Aufheizen von außen oder durch Einleiten von heißen Gasen erfolgen. Zur Erzeugung der heißen Gase kann beispielsweise eine katalytische Verbrennung an einem Pt-haltigen Katalysator eingesetzt werden. Nachteilig bei diesen Vorrichtungen ist die Tatsache, daß für die Startphase zusätzliche Komponenten benötigt werden.
Aus der DE 197 27 588 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung eines wasserstoffreichen, kohlenmonoxidarmen Gases bekannt, wobei in einer Gaserzeugungsvorrichtung aus einem Wasser/Brennstoffgemisch durch katalytische Wasserdampfreformierung und/oder aus einem Sauerstoff/Brennstoffgemisch durch partielle Oxidation ein Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltendes Produktgas erzeugt und in einer Gasreinigungsstufe der Kohlenmonoxidanteil im Produktgas durch selektive CO-Oxidation an einem Oxidations­ katalysator reduziert wird. Es wird dort auch vorgeschlagen, daß während einer Startphase Sauerstoff zum zugeführten Brennstoff beigemischt und die Strömungsrichtung derart umgekehrt wird, daß zuerst die Gasreinigungsstufe und erst anschließend die Gaserzeugungsvorrichtung durchströmt wird. Aus der DE 197 54 013 A1 ist ein vergleichbares System zur Wasserstofferzeugung bekannt.
Aus der DE 196 39 150 C2, von der die Erfindung ausgeht, ist eine zentrale Heizvorrichtung für ein Gaserzeugungssystem bekannt, das aus mehreren katalytischen Brennkammern bestehen kann, wobei die erste Kammer als Kaltstartkomponente ausgebildet ist. Stromab der ersten Kammer befindet sich die Zentralkomponente, die als Plattenreaktor zur Wasserdampfreformierung ausgelegt sein kann. Stromauf der Zentralkomponente ist ein zusätzlicher katalytischer Bereich vorgesehen, der strömungstechnisch abtrennbar und mit Strömungsumlenkmitteln versehen ist, die temperaturabhängig freigegeben bzw. gesperrt werden können.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Erzeugung eines wasserstoffreichen, kohlenmonoxidarmen Gases mit verbesserten Kaltstarteigenschaften zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß sind stromauf von Reaktoren mit katalytisch aktiven Bereichen von diesen strömungstechnisch abtrennbare, zusätzliche katalytisch aktive Bereiche vorgesehen, wobei die zusätzlichen katalytisch aktiven Bereiche mit Strömungsumlenkmittel aufweisen, um die zusätzlichen katalytisch aktiven Bereiche temperaturabhängig freizugeben oder abzusperren, wobei die Strömungsumlenkmittel temperaturbedingt verformbar sind, so daß der zusätzliche katalytische Bereich passiv durch die temperaturbedingte Verformung des Strömungsumlenkmittels freigebbar oder absperrbar ist.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung/Verfahren ergibt sich gegenüber dem Stand der Technik eine einfache Lösung ohne aufwendige zusätzliche Komponenten.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den weiteren Ansprüchen und der Beschreibung hervor.
Die Erfindung ist nachstehend anhand einer Zeichnung näher beschrieben, wobei die Figuren zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer bevorzugten Vorrichtung bei Betriebstemperatur des Reaktors,
Fig. 2 eine Prinzipdarstellung einer bevorzugten Vorrichtung bei Kaltstart mit Strömungsaufteilung,
Fig. 3 eine Prinzipdarstellung einer weiteren bevorzugten Vorrichtung bei Kaltstart mit Strömungsumlenkung.
Die Erfindung eignet sich besonders für den Kaltstart von Gaserzeugungsvorrichtungen in Brennstoffzellensystemen mit Reaktoren, die erst ab einer bestimmten Starttemperatur funktionstüchtig sind. Besonders bevorzugt ist der Einsatz solcher erfindungsgemäßer Kaltstartreaktoren in Brennstoffzellensystemen bei katalytischen Brennereinheiten und Kohlenmonoxid-Entfernungseinheiten.
Im folgenden ist die Erfindung anhand einer CO-Oxidationsstufe dargestellt, soll aber nicht auf die dort verwendeten Medien eingeschränkt sein.
Eine übliche Vorrichtung zur Erzeugung eines wasserstoffreichen, kohlenmonoxidarmen Mediums weist eine Gaserzeugungsvorrichtung zur katalytischen Wasserdampfreformierung eines Wasserdampf/Brennstoffgemisches und/oder zur partiellen Oxidation eines Sauerstoff/Brennstoffgemisches auf. Weiterhin ist eine Gasreinigungsstufe zur Entfernung von Kohlenmonoxid aus dem Produktgas der Gaserzeugungsvorrichtung mit Hilfe der selektiven CO-Oxidation vorgesehen. Die Reaktoren der Gaserzeugungsvorrichtung und der Gasreinigungsstufe weisen Zu- und Abführleitungen auf. Bevorzugt wird eine solche Vorrichtung in einem PEM-Brennstoffzellensystem verwendet. Der erfindungsgemäße Kaltstartreaktor kann in einer solchen Vorrichtung verwendet werden.
Beim Kaltstart eines solchen Systems kann das Problem auftreten, daß das Brennmittel von der Gaserzeugungsvorrichtung unterhalb der gewünschten Betriebstemperatur nicht vollständig in das wasserstoffreiche Medium umgesetzt werden kann. Dies führt auch zu einer stark erhöhten Kohlenmonoxidkonzentration im Reformat, die für nachfolgende Reaktoren und auch die Brennstoffzelle selbst schädlich ist.
In Fig. 1 ist eine Prinzipdarstellung einer Anordnung gemäß der Erfindung dargestellt. Die Anordnung befindet sich auf Betriebstemperatur. In einen Kaltstartreaktor 1 strömt ein katalytisch umzusetzendes Medium ein, hier ein Reformat/Luftgemisch 2. In dem Reaktor 1 ist ein zusätzlicher katalytischer Bereich 3 vorgesehen, der bei Betriebstemperatur abgedeckt ist. Dazu ist ein Strömungsumlenkungsmittel 4 vorgesehen. Der zusätzliche katalytische Bereich 3 nimmt den Querschnitt 1.2 des Reaktors ein. Dabei kann der ganze Querschnitt 1.2 mit katalytisch aktivem Material aufgefüllt sein und/oder es können auch nur die Begrenzungen des Querschnitts 1.2 zumindest bereichsweise katalytisch beschichtet sein. Das Reformat bzw. das Reformat/Luftgemisch umgeht den abgedeckten zusätzlichen katalytischen Bereich 3 und strömt durch den Querschnitt 1.1 des Reaktors. Von dort tritt das Reformat/Luftgemisch 2 in die eigentliche CO- Oxidationsstufe ein, die nicht dargestellt ist und die sich auf ihrer üblichen Betriebstemperatur befindet.
Um Rückströmungen zu vermeiden, kann der Querschnitt 1.2 stromab des Strömungsumlenkmittels 4 ebenfalls mit einem weiteren, nicht dargestellten Strömungsumlenkmittel verschlossen sein. Dieses kann von gleicher Art sein wie das Strömungsumlenkmittel 4 oder auch als eine Art Rückschlagventil ausgebildet sein. Der Kaltstartreaktor 1 kann als separates Bauteil vorgesehen sein oder auch als Bestandteil der CO- Oxidationsstufe ausgebildet sein.
In Fig. 2 ist der Kaltstartreaktor 1 aus Fig. 1 in einem Betriebszustand dargestellt, der unterhalb der Betriebstemperatur eines nachfolgenden Reaktors, etwa der nachfolgenden CO-Oxidationsstufe liegt. Gleiche Elemente sich mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Im kalten Zustand ist nunmehr der zusätzliche katalytische Bereich 3 für das Reformat bzw. das Reformat/Luftgemisch 2 zugänglich. Das Strömungsumlenkmittel 4 ist geöffnet und der Querschnitt 1.2 freigegeben. Das Medium 2 kann nunmehr durch beide Querschnitte 1.1 und 1.2 des Reaktors 1 strömen. Dabei wird derjenige Teil des Reformat/Luftgemischs 2, der durch den Querschnitt 1.2 strömt, dort katalytisch umgesetzt, also z. B. wird CO dort selektiv oxidiert. Die Reaktion im zusätzlichen katalytisch aktiven Bereich ist stark exotherm, so daß sich dieser Bereich und das Abgas des umgesetzten Mediums stark erwärmen. Das erwärmte Gas mischt sich mit dem Reformat/Luftgemisch 2, welches chemisch unbeeinflußt durch den Querschnitt 1.1 strömt und heizt dieses auf. Gleichzeitig kann die Wandung zwischen den Querschnitten 1.1 und 1.2 die Funktion eines Wärmetauschers übernehmen, so daß das im Querschnitt 1.1 strömende Reformat/Luftgemisch 2 auch durch diesen Wärmeeintrag erhitzt wird. Insgesamt kommt das Reformat/Luftgemisch 2 schnell auf seine Betriebstemperatur, so daß die folgende CO- Oxidationsstufe schnell aufgewärmt und einsatzbereit ist.
Die Menge des Reformats bzw. Reformat/Luftgemischs 2, welche durch den jeweiligen Querschnitt 1.1 oder 12 strömt, kann vorteilhaft durch die Querschnittsverhältnisse eingestellt werden.
Damit kann auf eine zusätzliche Luftdosierung für den Kaltstart verzichtet werden. Bei Erreichen der Betriebstemperatur der Gasreinigungsstufe kann der Startreaktor einfach außer Kraft gesetzt werden, indem das Strömungsumlenkmittel 4 den Bereich 3 absperrt. Damit ist sichergestellt, daß sich im Betrieb keine überhöhten Temperaturen einstellen und die Funktion nachgeschalteter Reaktoren gefährdet wird oder Bauteile überhitzt werden.
Wird gemäß Erfindung dafür gesorgt, daß im kalten Betriebszustand der Reformatstrom bzw. das Reformat/Luftgemisch 2 durch den zusätzlichen katalytisch aktiven Bereich 3 strömen kann und bei Erreichen einer gewünschten Eintrittstemperatur des Reformats dieser Bereich 3 abgesperrt wird, so ist ein Hochheizen von nachgeschalteten Komponenten und/oder Reaktoren möglich.
In Fig. 3 ist eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung dargestellt. Die Elemente entsprechen denen in den Fig. 1 und 2. Dabei ist bei Temperaturen unterhalb der Betriebstemperatur jedoch nur der Querschnitt 1.2 durchströmbar, der einen zusätzlichen katalytischen Bereich 3 aufweist; der Querschnitt 1.1 ist vollständig abgesperrt. Vorzugsweise wird der Querschnitt 1.1 durch das Strömungsumlenkmittel 4 abgesperrt, welches bei Betriebstemperaturen den Querschnitt 1.2 absperrt.
Mit Vorteil können im Bereich des zusätzlichen katalytisch aktiven Bereichs 3 nicht dargestellte Wärmetauscherelemente vorgesehen sein, um die Temperatur des Kaltstartreaktors 1 und/oder die Medientemperatur zu begrenzen.
Bevorzugt ist das Strömungsumlenkmittel 4 ein Bimetallelement. Bei tieferen Temperaturen als die vorgegebene Betriebstemperatur des nachfolgenden Reaktors ist das Bimetallelement so verformt, daß der Querschnitt 1.2 des zusätzlichen katalytisch aktiven Bereichs 3 freigegeben ist und von einem katalytisch umzusetzenden Medium ganz oder teilweise durchströmt werden kann. Wird die Betriebstemperatur des nachfolgenden Reaktors erreicht, verformt sich das Bimetallelement so, daß der Querschnitt 1.2 abgedeckt wird und nicht mehr dem Medium ausgesetzt ist. Ein etwaiges Strömungsumlenkmittel stromab des zusätzlichen katalytisch aktiven Bereichs 3, welches Rückströmungen des Mediums unterbinden soll, kann ebenfalls als Bimetallelement ausgebildet sein.
Das Bimetallelement kann flächig ausgebildet sein und selbst als Abdeckung des zusätzlichen katalytisch aktiven Bereichs 3 fungieren. Das Bimetallelement kann jedoch auch mit einem Bypassventil so zusammenwirken, daß die temperaturbedingte Verformung des Bimetallelements zum Öffnen oder Schließen des Bypassventils führt. Die Verwendung eines Bimetallelements hat den Vorteil, die temperaturabhängige Umlenkung der Medienströmung passiv erfolgen kann und keine aufwendigen Regelungsmechanismen notwendig sind.
Besonders bevorzugt ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Kaltstartreaktors in einem Brennstoffzellensystem mit PEM- Brennstoffzellen. Dadurch gelingt es, die Kaltstartzeiten des Systems deutlich zu verringern. Das Gaserzeugungssystem kann kompakter ausgeführt werden, und es ist keine zusätzliche Sauerstoffzudosierung notwendig, um die Medientemperatur möglichst schnell auf Betriebstemperatur zu bringen. Die Kaltstartvorrichtung kann auf einfache Weise in den zu beheizenden Reaktor integriert werden. Beim Kaltstart ist der Startreaktor freigegeben und führt zum Schnellen Aufheizen, bei Erreichen der Betriebstemperatur wird der Startreaktor einfach abgesperrt. Durch Verwenden von Bimetallelementen erfolgt dies passiv und ohne aufwendige Regelung, da das Öffnen und Schließen des Startreaktors praktisch nur durch die Temperatur des Bimetalls aktiviert wird.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Erzeugung eines wasserstoffreichen, kohlenmonoxidarmen Gases mit einer Gaserzeugungsvorrichtung zur katalytischen Wasserdampfreformierung eines Wasser­ dampf/Brennstoffgemisches und/oder zur partiellen Oxidation eines Sauerstoff/Brennstoffgemisches, mit einer Gasreinigungs­ stufe zur Entfernung von Kohlenmonoxid aus dem Produktgas der Gaserzeugungsvorrichtung mit Hilfe der selektiven CO-Oxidation, und mit Zu- und Abführleitungen (1), wobei in der Gaserzeugungsvorrichtung und/oder in der Gasreinigungsstufe stromauf von zumindest einem Reaktor mit katalytisch aktivem Bereich zumindest ein strömungstechnisch abtrennbarer, zusätzlicher katalytisch aktiver Bereich (3) vorgesehen ist, und wobei Strömungsumlenkmittel (4) vorgesehen sind, um den zumindest einen zusätzlichen katalytisch aktiven Bereich (3) temperaturabhängig freizugeben oder abzusperren, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsumlenkmittel (4) temperaturbedingt verformbar sind, so daß der zusätzliche katalytische Bereich (3) passiv durch die temperaturbedingte Verformung des Strömungsumlenkmittels (4) freigebbar oder absperrbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsumlenkmittel (4) ein Bimetallelement umfassen, welches einen Strömungsweg (1.1, 1.2) temperaturabhängig freigibt oder abschließt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bimetallelement als Abdeckung des zumindest einen zusätzlichen katalytisch aktiven Bereichs (3) ausgebildet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bimetallelement mit einem Ventilschaft eines Ventils so zusammenwirkt, daß ein den zumindest einen zusätzlichen katalytisch aktiven Bereich (3) enthaltender Strömungsweg (1.2) durch das Ventil temperaturabhängig abschließbar oder freigebbar ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß stromauf der Gasreinigungsstufe im Reformatströmungsweg (1.1, 1.2) ein zusätzlicher katalytisch aktiver Bereich (3) mit einem stromauf zum katalytischen Bereich (3) angeordneten Strömungsumlenkmittel (4) angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zumindest eine zusätzliche katalytisch aktive Bereich (3) in einem Teilquerschnitt (1.2) der Zuleitung (1) der Gaserzeugungsvorrichtung und/oder der Gasreinigungsstufe angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des zumindest einen zusätzlichen katalytisch aktiven Bereichs (3) Wärmetauscherelemente thermisch angekoppelt sind, um die Temperatur des zumindest einen zusätzlichen katalytischen Bereichs (3) zu begrenzen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß stromauf und stromab des zumindest einen zusätzlichen katalytisch aktiven Bereichs (4) Strömungsumlenkmittel (4) vorgesehen sind, um den zumindest einen zusätzlichen katalytisch aktiven Bereich (3) temperaturabhängig freizugeben und abzusperren.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zumindest eine zusätzliche katalytisch aktive Bereich (3) einen exothermen Startreaktor der Gaserzeugungsvorrichtung und/oder der Gasreinigungsstufe bildet.
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