DE10136769A1 - Reformereinheit zur Erzeugung eines Reformats - Google Patents

Reformereinheit zur Erzeugung eines Reformats

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Abstract

Es wird eine Reformereinheit zur Erzeugung eines wasserstoffreichen Reformats (R) aus wenigstens einem ein kohlenwasserstoffreiches, erstes Fluid (A) umformenden, zweiten Fluid (B), insbesondere Wasser und/oder Sauerstoff, mit einer Reformervorrichtung (D) vorgeschlagen, die eine besonders kompakte Ausführungsform gewährleistet und gleichzeitig den verfahrenstechnischen Aufwand reduziert. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass wenigstens eines der Fluide (A, B) als überkritisches Fluid (A, B) ausgebildet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Reformereinheit zur Erzeugung eines wasserstoffreichen Reformats nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Stand der Technik
  • Für die Reformierung von Kohlenwasserstoffen werden seit Jahren vor allem Verfahren der partiellen Oxidation sowie der Dampfreformierung zur Erzeugung eines wasserstoffreichen Gasstromes aus Kohlenwasserstoffen eingesetzt. Hierbei sind Gasreinigungsstufen vorzusehen, um den Kohlenmonoxidgehalt im Gasstrom beispielsweise für eine Niedertemperaturbrennstoffzelle bis auf etwa 100 ppm zu reduzieren. Im Allgemeinen werden hierfür mehrere Prozessstufen vorgesehen, so dass ein nicht unerheblicher Prozessaufwand bzw. konstruktiver Aufwand erforderlich ist. Dies bedingt zudem relativ hohe Kosten zur Verfahrensentwicklung, Fertigung sowie ein vergleichsweise hoher Wartungsbedarf der gesamten Anlage.
  • Aufgabe und Vorteil der Erfindung
  • Demgegenüber hat die Erfindung die Aufgabe, eine Reformereinheit zur Erzeugung eines wasserstoffreichen Reformats aus wenigstens einem ein kohlenwasserstoffreiches, erstes Fluid umformenden, insbesondere oxidierenden, zweiten Fluid vorzuschlagen, die eine besonders kompakte Ausführungsform gewährleistet und gleichzeitig den verfahrenstechnischen Aufwand reduziert.
  • Diese Aufgabe wird, ausgehend von einem Stand der Technik der einleitend genannten Art, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
  • Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.
  • Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemäße Reformereinheit dadurch aus, dass wenigstens eines der Fluide als überkritisches Fluid ausgebildet ist. Als überkritisches Fluid wird ein Fluid verstanden, das sich oberhalb seiner kritischen Temperatur sowie seines kritischen Drucks befindet.
  • Im Gegensatz zu Reformern gemäß dem Stand der Technik wirkt sich gemäß der Erfindung eine Erhöhung der Betriebstemperatur bzw. des Betriebsdrucks nicht nachteilig auf die Reformierung aus. Die Reformereinheit gemäß der Erfindung mit einem überkritischen Fluid vereint die Vorteile der gasförmigen und der flüssigen Phase des Fluids, wobei nicht mehr zwischen der flüssigen und der gasförmigen Phase unterschieden werden kann.
  • Beispielsweise ändern sich bei einem überkritischen Fluid in vorteilhafter Weise die Dichte, Polarität, Dielektrizitäts- und/oder Dissoziationskonstante der Fluide. Für die Reformierung der Fluide ergeben sich hierdurch vorteilhafte Reaktionswege bzw. tritt nahezu keine Limitierung der Reaktionsgeschwindigkeit durch den Massetransport auf.
  • Nachfolgend sind beispielhaft die kritischen Parameter für Druck und Temperatur einiger organischer Verbindungen einschließlich Wasser aufgeführt:


  • Bei Verwendung von überkritischem Benzin und Wasser wird hierdurch eine homogene Mischung bzw. Phase realisiert, so dass im Gegensatz zur entsprechend heterogenen Mischung des Standes der Technik im Allgemeinen keine aufwendigen Misch- und/oder Verdüsungsvorrichtungen vorgesehen werden müssen.
  • Aus den zuvor genannten Gründen kann eine Reformereinheit gemäß der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik unter anderem mit relativ hohen Leistungsdichten wesentlich kompakter bzw. leichter ausgebildet und mit deutlich geringerem Aufwand realisiert werden.
  • Vorzugsweise wird zur Realisierung der erfindungsgemäßen Betriebsbedingungen wenigstens eine Heizvorrichtung zum Erwärmen mindestens eines der Fluide über die kritische Temperatur und in vorteilhafter Weise wenigstens eine Druckerzeugungsvorrichtung zum Druck beaufschlagen mindestens eines der Fluide über den kritischen Druck vorgesehen.
  • Gegebenenfalls sind zwei Heizvorrichtungen und/oder zwei Druckerzeugungsvorrichtungen vorzusehen, wobei bei dieser Variante der Erfindung die beiden Fluide jeweils separat erwärmt und/oder mit Druck beaufschlagt werden und anschließend zusammengeführt bzw. in die Reformervorrichtung eingebracht werden.
  • Vor allem zur Reduzierung des konstruktiven Aufwands wird vorzugsweise lediglich eine Heizvorrichtung bzw. eine Druckerzeugungsvorrichtung verwendet. Bevorzugt umfasst wenigstens die Reformervorrichtung die Heizvorrichtung.
  • Alternativ oder in Kombination hierzu ist die Heizvorrichtung in Strömungsrichtung der Fluide vor der Reformervorrichtung angeordnet, so dass gegebenenfalls eine Vorwärmung bzw. Erwärmung des bzw. der Fluide ermöglicht wird und diese in die Reformervorrichtung einzubringen sind.
  • In einer bevorzugten Variante der Erfindung ist die Druckerzeugungseinheit im Strömungsrichtung vor der Reformervorrichtung angeordnet, so dass das Fluid bzw. die Fluide mit überkritischem Druck in die Reformervorrichtung eingebracht werden können. In vorteilhafter Weise kann eine Hochdruckpumpe oder dergleichen zur Erzeugung des überkritischen Drucks verwendet werden.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist wenigstens eine Mischvorrichtung zum Zusammenführen der Fluide vorgesehen. Diese Mischvorrichtung kann sowohl in die Reformervorrichtung integriert als auch in Strömungsrichtung der Fluide vor der Reformervorrichtung, insbesondere vor der Druckerzeugungseinheit, angeordnet werden.
  • Vor allem bei der Variante der Erfindung, bei der die Mischvorrichtung in Strömungsrichtung der Fluide vor der Druckerzeugungseinheit angeordnet ist, ist eine vorteilhafte Niederdruckmischung realisierbar. Demgegenüber sind bei einer Hochdruckmischung der Fluide mindestens zwei Druckerzeugungseinheiten erforderlich.
  • Vorzugsweise ist wenigstens ein Dosierelement zum Dosieren mindestens eines der Fluide vorgesehen. Mit Hilfe dieser Maßnahme kann ein vorteilhaftes Verhältnis der zuzuführenden Fluidmengen zur Reformervorrichtung realisiert werden. Zudem kann mittels einer vorteilhaften Regel- und/oder Steuereinheit die zuzuführenden Fluidströme an die Reformierung bzw. an nachgeschaltete Verbraucher und/oder Speichereinheiten angepasst werden.
  • In einer besonderen Variante der Erfindung ist wenigstens eine Reinigungsvorrichtung zum weitgehenden Reinigen des Reformats von unerwünschten Stoffanteilen vorgesehen.
  • Vorzugsweise erfolgt die Reinigung des Reformats in Abhängigkeit gegebenenfalls nachfolgender Verbraucher bzw. Umsetzer des Reformats.
  • Beispielsweise können bei der Verwendung der Reformereinheit in Brennstoffzellenanlagen insbesondere Kohlenmonoxidanteile im Reformat eine nachgeschaltete Brennstoffzelleneinheit schädigen, so dass vor allem für diesen Anwendungsfall die Kohlenmonoxidanteile aus dem Reformat weitestgehend entfernt bzw. umgeformt werden.
  • Vorteilhafterweise umfasst die Reinigungsvorrichtung wenigstens eine selektivdurchlässige Membran zum Abtrennen der Stoffanteile aus dem Reformat. Im Allgemeinen wird eine Reinigung des Reformats mittels entsprechender Membranen bei vergleichsweise hohen Drücken realisiert, so dass bei dieser Variante der Erfindung in vorteilhafter Weise der überkritische bzw. kritische Druck der Reformervorrichtung zum Betrieb der Membran verwendet werden kann. Vorzugsweise wird mittels der Membran der Druck des der Brennstoffzelleneinheit oder dergleichen zuzuführenden Stoffstromes vorteilhaft reduzierbar bzw. an die entsprechenden Betriebsbedingungen anpassbar.
  • Gegebenfalls kann als Reinigungsvorrichtung auch eine oder mehrere sogenannte Shift-Stufen und/oder eine Feinreinigung gemäß dem Stand der Technik verwendet werden. Vorteilhafterweise wird durch die Verwendung einer Reinigungsvorrichtung mit einer entsprechenden Membran sowohl der Aufwand als auch das Volumen der gesamten Einheit wesentlich verringert.
  • Darüber hinaus wird im Allgemeinen durch Verwendung einer wasserstoffpermeablen Membran, z. B. wenigstens teilweise aus Palladium oder dergleichen gefertigt, das Reformat derart gereinigt, dass das gereinigte Reformat ohne weitere, zusätzliche Reinigung direkt bzw. gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer Speichereinheit oder dergleichen einer Brennstoffzelleneinheit zugeführt werden kann.
  • In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist die Reinigungsvorrichtung in Strömungsrichtung der Fluide als separate Reinigungsvorrichtung hinter der Reformervorrichtung angeordnet, so dass diese vergleichsweise leicht unter anderem für Reparatur- und/oder Wartungsmaßnahmen zugänglich bzw. austauschbar ist.
  • In vorteilhafter Weise umfasst die Reformervorrichtung die Reinigungsvorrichtung. Mit Hilfe dieser Maßnahme ist eine besonders kompakte Reformereinheit realisierbar, so dass diese Variante der Erfindung insbesondere bei Anwendungsfällen mit vergleichsweise geringem Platzangebot einzusetzen ist.
  • Vorzugsweise ist in Strömungsrichtung hinter der Reformervorrichtung wenigstens eine Druckverwertungseinheit zur Verwertung des Drucks der Stoffanteile und/oder des Reformats angeordnet. Hiermit ist die zur Erzeugung des entsprechenden Drucks des bzw. der Fluide aufgebrachte Energie in vorteilhafter Weise wenigstens teilweise wiederverwertbar. Beispielsweise kann die Gewinnung der Energie der komprimierten Produktgase über einen Expander, eine Turbine oder dergleichen erfolgen, wodurch sich vor allem der Wirkungsgrad des Gesamtsystems zusätzlich erhöht.
  • Vorteilhafterweise ist mindestens eine Rückströmleitung zur wenigstens teilweisen Rückführung der Stoffanteile und/oder des Reformats in die Reformervorrichtung vorgesehen. Mit Hilfe einer entsprechenden Rückströmleitung können gegebenenfalls nicht reformierte Anteile des die Reformervorrichtung bereits durchströmten Stromes wieder durch die Reformervorrichtung strömen und hierdurch reformiert werden. Dies verbessert die Reformierung der eingesetzten Ausgangsstoffe zusätzlich, so dass der Wirkungsgrad des Gesamtsystems erhöht wird.
  • Generell kann die Reformereinheit gemäß der Erfindung sowohl endo-, exo- oder autotherm betrieben werden. Die Energiebilanz der Reformierung kann insbesondere durch eine Variation des zweiten Fluids entsprechend beeinflusst werden. Beispielsweise kann hierfür als zweites Fluid Wasser, Luft bzw. Sauerstoff als Gas oder gegebenenfalls indirekt durch Versetzung von Precursorn wie Wasserstoffperoxid oder dergleichen getrennt bzw. gegebenenfalls zeitgleich mit einem vorgegebenen Verhältnis der Reformervorrichtung zugeführt werden.
  • Im Gegensatz zum Stand der Technik kann auf die Verwendung von katalytisch aktivem Material in der Reformervorrichtung zur katalytischen Reformierung der Fluide im Allgemeinen verzichtet werden. Hierdurch erhöht sich vor allem die Standzeit der Reformereinheit gemäß der Erfindung ohne entsprechenden Leistungsabfall im Laufe der Zeit. Gegebenenfalls kann auch katalytisch aktives Material vorteilhaft verwendet werden.
  • Darüber hinaus ist die Reformereinheit gemäß der Erfindung ohne katalytisch aktivem Material entscheidend unempfindlicher gegenüber Katalysatorgiften wie beispielsweise Schwefelwasserstoff oder dergleichen, das sich im Allgemeinen neben anderen schwefelhaltigen Verbindungen in kohlenwasserstoffreichen Fluiden wie Diesel oder Benzin befindet. Dementsprechend kann gegebenenfalls handelsübliches Benzin oder Diesel in vorteilhafter Weise für die Reformereinheit gemäß der Erfindung verwendet werden.
  • Generell ist gemäß Erfindung eine vergleichsweise kompakte Reformereinheit gegebenenfalls als Baueinheit realisierbar. Hierdurch werden unter anderem die Einsatzmöglichkeiten erfindungsgemäßer Reformereinheiten im Vergleich zum Stand der Technik erhöht.
    • Ausführungsbeispiel
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der einzigen Figur näher erläutert.
  • In Fig. 1 ist ein schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Reformereinheit dargestellt. Die Reformereinheit umfasst hierbei zwei Fluidspeicher 1 und 2 zur Speicherung eines kohlenwasserstoffreichen Edukts A sowie eines Oxidationsmittels B. Beispielsweise kann als Edukt A ein Alkohol wie Methanol, Ethanol, usw. bzw. Benzin, Diesel oder dergleichen sowie entsprechende Gemische verwendet werden. Das Oxidationsmittel B bzw. ein Sauerstofflieferant kann gegebenenfalls in wässriger Lösung enthalten sein.
  • Das Verhältnis zwischen den Fluiden A und B wird derart eingestellt, dass auf der einen Seite gerade höhere Kohlenwasserstoffe oxidativ gecrackt werden und auf der anderen Seite der gebildete Wasserstoff nicht mit sauerstoffhaltigen Spezies in unerwünschten Nebenreaktionen abreagiert.
  • Die beiden Fluide A, B werden mittels zweier Dosierventile 11, 12 einem Mischer 3 mit einer Temperatur T1 und einem Druck P1 zugeführt. Die Temperatur T1 und der Druck P1 entsprechen beispielsweise den Umgebungsbedingungen. Der Mischer 3 kann gegebenenfalls mittels einer handelsüblichen Rohrverbindung oder dergleichen realisiert werden.
  • Die beiden, gegebenenfalls heterogen vermischten Fluide A, B werden mittels einer Pumpe C mit einem überkritischen Druck P2 beaufschlagt. In Strömungsrichtung hinter der Pumpe C ist ein Reformer D angeordnet, der in nicht näher dargestellter Weise eine Heizvorrichtung umfasst, die die Fluide A, B bzw. deren Mischung auf eine überkritische Temperatur T2 erwärmt. Im Reformer D werden die beiden Ausgangsstoffe A, B unter überkritischer Betriebsbedingung reformiert, d. h. insbesondere zu einem wasserstoffreichen Reformat R umgeformt.
  • Das wasserstoffreiche Reformat R wird einer Reinigungsstufe E zugeführt. Die Reinigungsstufe E weist beispielsweise eine wasserstoffpermeable Membran auf, so dass zwei Stoffströme H und 5 erzeugt werden. Der Stoffstrom H besteht dagegen im Wesentlichen aus Wasserstoff. Der Stoffstrom S besteht im Wesentlichen aus Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, nicht reformierte Bestandteile der Ausgangsstoffe, usw. Der Wasserstoff H wird beispielsweise einer nicht näher dargestellten Brennstoffzelleneinheit zugeführt. Der Stoffstrom S wird beispielsweise einem Expander F zugeführt, wodurch eine Gewinnung der Kompressionsenergie der komprimierten Produktgase ermöglicht wird.
  • Optional ist eine Verzweigung 4 vorzusehen, mit der insbesondere eine teilweise Rückführung der nicht zu Wasserstoff umgesetzten Bestandteile des Reformats R erfolgt. Die Einleitung dieser rückgeführten Bestandteile erfolgt vorzugsweise mittels einem Dosierelement 5, womit insbesondere das Verhältnis zwischen rückgeführtem. Stoffstrom S und zugeführter Fluide A, B einstellbar ist.

Claims (16)

1. Reformereinheit zur Erzeugung eines wasserstoffreichen Reformats (R) aus wenigstens einem ein kohlenwasserstoffreiches, erstes Fluid (A) umformenden, zweiten Fluid (B), insbesondere Wasser und/oder Sauerstoff, mit einer Reformervorrichtung (D), dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Fluide (A, B) als überkritisches Fluid (A, B) ausgebildet ist.
2. Reformereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Heizvorrichtung zum Erwärmen mindestens eines der Fluide (A, B) über die kritische Temperatur (T2) vorgesehen ist.
3. Reformereinheit nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Druckerzeugungsvorrichtung (C) zum Druck beaufschlagen mindestens eines der Fluide (A, B) über den kritischen Druck (P2) vorgesehen ist.
4. Reformereinheit nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Mischvorrichtung (3) zum Zusammenführen der Fluide (A, B) vorgesehen ist.
5. Reformereinheit nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischvorrichtung (3) in Strömungsrichtung der Fluide (A, B) vor der Druckerzeugungseinheit (C) angeordnet ist.
6. Reformereinheit nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Dosierelement (11, 12) zum Dosieren mindestens eines der Fluide (A, B) vorgesehen ist.
7. Reformereinheit nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Reinigungsvorrichtung (E) zum weitgehenden Reinigen des Reformats (R) von unerwünschten Stoffanteilen (5) vorgesehen ist.
8. Reformereinheit nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungsvorrichtung (E) wenigstens eine selektiv durchlässige Membran zum Abtrennen der Stoffanteile (S) aus dem Reformat (R) umfasst.
9. Reformereinheit nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reformervorrichtung (D) die Reinigungsvorrichtung (E) umfasst.
10. Reformereinheit nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung hinter der Reformervorrichtung (D) wenigstens eine Druckverwertungseinheit (F) zur Verwertung des Drucks (P2) der Stoffanteile (5) und/oder des Reformats (R) angeordnet ist.
11. Reformereinheit nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Rückströmleitung zur wenigstens teilweisen Rückführung der Stoffanteile (S) und/oder des Reformats (R) in die Reformervorrichtung (D) vorgesehen ist.
12. Brennstoffzellenanlage mit einer Reformereinheit zur Erzeugung eines Reformats (R), das als Brennstoff für eine Brennstoffzelleneinheit vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Reformereinheit nach einem der vorgenannten Ansprüche ausgebildet ist.
13. Abgasbehandlungsanlage mit einer Reformereinheit zur Erzeugung eines Reformats (R), das als Reduktionsmittel zur Reduktion eines Abgasstromes einer Verbrennungseinrichtung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Reformereinheit nach einem der vorgenannten Ansprüche ausgebildet ist.
14. Verfahren zur Erzeugung eines wasserstoffreichen Reformats (R) aus wenigstens einem ein kohlenwasserstoffreiches, erstes Fluid (A) oxidierenden, zweiten Fluid (B), insbesondere Wasser und/oder Sauerstoff, dadurch gekennzeichnet, dass eine Reformereinheit nach einem der vorgenannten Ansprüche verwendet wird.
15. Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzellenanlage, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 12 verwendet wird.
16. Verfahren zum Betrieb einer Abgasbehandlungsanlage, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasbehandlungsanlage nach Anspruch 13 verwendet wird.
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