DE10143656B4 - A method of generating energy in a cracking reactor fuel cell fuel cell system and apparatus for carrying out the method - Google Patents
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Abstract
Verfahren
zur Erzeugung von Energie in einem Brennstoffzellen-Gesamtsystem
mit Crackreaktor und Brennstoffzelle, welches die folgenden Schritte
umfasst:
a. Zuführen
mindestens eines Kohlenwasserstoffes in einen Crackreaktor mit mindestens
einer ersten Crack-Kammer und mindestens einer zweiten Crack-Kammer
unter Ausschluss von Sauerstoff;
b. Endothermes Spalten des
Kohlenwasserstoffes in dem Crackreaktor unter Ausschluss von Sauerstoff
in Kohlenstoff und ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch und Abführen des
wasserstoffhaltigen Gasgemisches;
c. Unterbrechen der Zuführung des
Kohlenwasserstoffes in den Crackreaktor;
d. Zuführen von
Wasserdampf oder einer Kombination aus Wasserdampf und Luft in den
Crackreaktor;
e. Vergasen des in Crack-Schritt b. erhaltenen
Kohlenstoffs mit Wasserdampf oder einer Kombination aus Wasserdampf
und Luft zu einem Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthaltenden Gasgemisch
und Weiterverwendung des so erhaltenen Gasgemisches in dem Brennstoffzellen-Gesamtsystem;
Zuführen des
in Crack-Schritt b. erhaltenen wasserstoffhaltigen Gasgemisches
in die Brennstoffzelle und Oxidieren des Wasserstoffes in der Brennstoffzelle
unter Gewinnung von Wärme
und elektrischer Energie, wobei...A method of generating energy in a cracking reactor fuel cell fuel cell system comprising the steps of:
a. Feeding at least one hydrocarbon into a cracking reactor having at least a first cracking chamber and at least one second cracking chamber in the absence of oxygen;
b. Endothermic cracking of the hydrocarbon in the cracking reactor with the exclusion of oxygen in carbon and a hydrogen-containing gas mixture and removal of the hydrogen-containing gas mixture;
c. Interrupting the feed of the hydrocarbon into the cracking reactor;
d. Supplying water vapor or a combination of water vapor and air into the cracking reactor;
e. Gasifying the in crack step b. obtained carbon with water vapor or a combination of water vapor and air to a carbon monoxide and hydrogen-containing gas mixture and further use of the gas mixture thus obtained in the fuel cell system;
Feeding the in cracking step b. obtained hydrogen-containing gas mixture in the fuel cell and oxidizing the hydrogen in the fuel cell with the production of heat and electrical energy, wherein ...
Description
Gegenstand dieser Erfindung ist ein Verfahren zur Erzeugung von Energie in einem Brennstoffzellen-Gesamtsystem mit Crackreaktor und Brennstoffzelle sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.object This invention is a method for generating energy in a fuel cell system with cracking reactor and fuel cell and a device for carrying out the method.
Es sind bereits die unterschiedlichsten Verfahren und Vorrichtungen zur Erzeugung von Brennstoffen, insbesondere von Wasserstoff als umweltfreundlichsten Brennstoff für Brennstoffzellen zur Gewinnung von elektrischer Energie und Wärme durch elektrochemische Reaktionen zwischen dem Brennstoff und Luftsauerstoff vorgeschlagen worden.It are already a variety of methods and devices for the production of fuels, in particular of hydrogen as most environmentally friendly fuel for fuel cells for recovery of electrical energy and heat by electrochemical reactions between the fuel and atmospheric oxygen been proposed.
Im Stand der Technik sind insgesamt fünf Typen von Brennstoffzellen bekannt:
- (a) „solid oxid fuel cells" (SOFCs),
- (b) „molten carbonate fuel cells" (MCFCs),
- (c) „phosphoric acid fuel cells" (PAFCs),
- (d) „alkaline fuel cells" (AFCs), und
- (e) „solid polymer fuel cells" (PEFCs).
- (a) solid oxide fuel cells (SOFCs),
- (b) molten carbonate fuel cells (MCFCs),
- (c) "phosphoric acid fuel cells" (PAFCs),
- (d) "alkaline fuel cells" (AFCs), and
- (e) solid polymer fuel cells (PEFCs).
Die Verwendung von Wasserstoff in den Niedertemperatur-Brennstoffzellen PEFC und AFC als Brennstoff bedingt eine sehr hohe Reinheit des Wasserstoffs, da der Betrieb von PEFCs durch Kohlenmonoxid und der von AFCs durch Kohlendioxid beeinträchtigt wird.The Use of hydrogen in the low-temperature fuel cells PEFC and AFC as fuel cause a very high purity of the Hydrogen, since the operation of PEFCs by carbon monoxide and the of AFCs is affected by carbon dioxide.
Gegenwärtig wird Wasserstoff zu etwa 90% aus fossilen Rohstoffen aller Art gewonnen. Die bevorzugteste Wasserstoffquelle ist dafür Erdgas. Aus den unterschiedlichen zur Verfügung stehenden wasserstoffhaltigen organischen Verbindungen, wie z.B. Kohlenwasserstoffen, lässt sich z.B. durch die folgenden vier Verfahrensprinzipien der benötigte Wasserstoff gewinnen:
- 1. Dampfreformierung, d.h. die endotherme katalytische Umsetzung mit Wasser,
- 2. Partielle Oxidation, d.h. die teilweise Umsetzung des Brennstoffes mit Sauerstoff und/oder Luft zu einem wasserstoffreichen Gasgemisch,
- 3. Autotherme Reformierung, d.h. eine Kombination aus Dampfreformierung und partieller Oxidation mit gleichzeitiger Zugabe von Wasser/Wasserdampf und Sauerstoff bzw. Luft, und
- 4. Cracken, d.h. endotherme Spaltung von organischen Verbindungen.
- 1. steam reforming, ie the endothermic catalytic reaction with water,
- 2. Partial oxidation, ie the partial conversion of the fuel with oxygen and / or air to a hydrogen-rich gas mixture,
- 3. Autothermal reforming, ie a combination of steam reforming and partial oxidation with simultaneous addition of water / steam and oxygen or air, and
- 4. Cracking, ie endothermic cleavage of organic compounds.
Einzelheiten können hierzu den Seiten 302 bis 317 der Monographie Fuel Cells and Their Applications von Karl Kordesch und Günter Simader entnommen werden, welche von der VCH-Verlagsgesellschaft mbH, Weinheim, Deutschland, 1996 herausgegeben wurde, entnommen werden.details can on pages 302 to 317 of the monograph Fuel Cells and Their Applications are taken from Karl Kordesch and Günter Simader, which of the VCH Verlagsgesellschaft mbH, Weinheim, Germany, 1996 was published.
Es
ist bekannt, dass durch Dampfreformieren von Kohlenwasserstoffen,
insbesondere von Methan als Hauptbestandteil von Erdgas, ein wasserstoffhaltiges
Produktgas hergestellt werden kann. Die industrielle Dampfreformierungstechnologie
umfasst typischerweise eine Entschwefelungseinheit und einen Hochtemperaturreaktor
(800 bis 900°C),
welcher einen Katalysator beinhaltet. Da sich abhängig von den
Reaktionsparametern Druck, Temperatur und Wasserdampfüberschuss
nach der Reformierstufe Konzentrationen an CO bis über 10 Vol.-%
einstellen, werden oft zwei weitere Reaktionsstufen nachgeschaltet,
um den Kohlenmonoxidanteil zu vermindern und weiteren Wasserstoff
zu gewinnen, die sogenannten Shift-Konverter. Die Konvertierung
erfolgt nach der exothermen homogenen Wassergasreaktion
Im Ergebnis der industriellen Dampfreformierung von Erdgas wird ein Produktgas erhalten, welches in etwa zu 75% aus Wasserstoff und zu 25% aus Kohlendioxid besteht.in the Result of the industrial steam reforming of natural gas is one Product gas containing about 75% of hydrogen and to 25% consists of carbon dioxide.
Insbesondere für die Verwendung des erzeugten Wasserstoffes in einer PEFC Brennstoffzelle erweist sich die Herstellung von Wasserstoff durch Dampfreformieren insofern als nachteilig, da ein derart hoher Anteil an Kohlenmonoxid im Produktgas zur Inaktivierung der Katalysatoren in Brennstoffzellen führt und folglich eine kostenintensive Entfernung des Kohlenmonoxidanteils aus dem erhaltenen Produktgas erforderlich ist.Especially for the Use of the generated hydrogen in a PEFC fuel cell proves the production of hydrogen by steam reforming insofar as disadvantageous, since such a high proportion of carbon monoxide in the product gas leads to inactivation of the catalysts in fuel cells and consequently a costly removal of carbon monoxide from the product gas obtained is required.
Wie erwähnt können diese Nachteile bei der Wasserstoffherstellung durch thermisches oder katalytisches Cracken von wasserstoffhaltigen organischen Verbindungen vermieden werden.As mentioned can these disadvantages in hydrogen production by thermal or catalytic cracking of hydrogenated organic compounds be avoided.
Dabei ist insbesondere die Wahl des verwendeten Katalysators wichtig. Zur Auswahl eines geeigneten Katalysators wurden bereits einige Untersuchungen zur Eignung bestimmter Katalysatoren durchgeführt. So wurden z.B. aus Palladium, Rhodium, Nickel, Kobalt oder aus Eisen auf Aluminiumoxidbasis hergestellte Katalysatoren hinsichtlich ihrer Aktivität und Stabilität für den Spaltprozess und den Regenerierungsschritt getestet. Dabei zeigte sich, dass alle vorgenannten Katalysatoren prinzipiell zur Wasserstofferzeugung geeignet sind, sie jedoch eine verbesserungswürdige Langzeitaktivität besitzen.there In particular, the choice of the catalyst used is important. To select a suitable catalyst have already been some Studies on the suitability of certain catalysts carried out. So were e.g. from palladium, rhodium, nickel, cobalt or iron alumina-based catalysts for their activity and stability for the cleavage process and tested the regeneration step. It turned out that all of the aforementioned catalysts in principle for the production of hydrogen suitable, but they have a long-term activity for improvement.
Das Produktgas des Crackens, das im wesentlichen aus H2 und CH4 besteht, kann nach Verlassen des Crackreaktors noch Spuren von CO und CO2 beinhalten, die von der Regeneration der Crackkammer herrühren. Das Kohlenmonoxid im Produktgas ist auf eine partielle Oxidation des Katalysators während des Regenerierungsprozesses zurückzuführen. Da der partiell oxidierte Katalysator unmittelbar zu Beginn der Spaltung wieder reduziert wird, wird folglich auch Kohlenmonoxid zu Beginn einer katalytischen Spaltung mit einem frisch regenerierten Katalysator gebildet werden.The product gas of cracking that occurs in the we consists essentially of H 2 and CH 4 may, after leaving the cracking reactor still contain traces of CO and CO 2 , resulting from the regeneration of the cracking chamber. The carbon monoxide in the product gas is due to partial oxidation of the catalyst during the regeneration process. Since the partially oxidized catalyst is again reduced immediately at the beginning of the cleavage, consequently, carbon monoxide will also be formed at the beginning of a catalytic cleavage with a freshly regenerated catalyst.
In der Brennstoffzelle selbst kann aufgrund des entlang des Strömungsweges abnehmenden Wasserstoffpartialdruckes der im Gasgemisch vorliegende Wasserstoff nicht vollständig ausgenutzt werden, sondern lediglich ein bestimmter Anteil (Brennstoffausnutzungsfaktor), der oft bei etwa 80% des angebotenen Wasserstoffs liegt.In The fuel cell itself may be due to the flow path decreasing hydrogen partial pressure of the present in the gas mixture Hydrogen not complete be exploited, but only a certain proportion (fuel utilization factor), which is often about 80% of the hydrogen offered.
Obwohl bereits bekannt ist, den am Festbettkatalysator abgeschiedenen Kohlenstoff durch Verbrennen zur Wärmegewinnung zu benutzen, entsteht die Wärme unmittelbar am Katalysator und kann folglich nicht ohne weiteres aufgrund der relativ schlechten Wärmeleitfähigkeit von Katalysatorschüttungen zu einem anderen Ort hingeleitet werden.Even though is already known, deposited on the fixed bed catalyst carbon by burning to heat to use, the heat is generated directly on the catalyst and therefore can not readily due to the relatively poor thermal conductivity of catalyst beds too be guided to another place.
Des weiteren ist es wünschenswert, das in der Reaktorkammer bei der katalytischen Spaltung entstandene oder nicht umgesetzte Methan, bzw. das in der Methanisierungsstufe entstandene Methan ebenfalls zur Erzeugung von Wasserstoff für die Brennstoffzelle zu verwenden. Da die Leistung einer Brennstoffzelle unmittelbar vom Wasserstoffanteil des der Brennstoffzelle zugeführten Produktgases abhängt, ist es zudem wünschenswert, den Wasserstoffanteil gegenüber Produktgasen, die aus bereits im Stand der Technik bekannten Verfahren stammen, weiter zu steigern.Of further it is desirable the resulting in the reactor chamber in the catalytic cleavage or unreacted methane, or in the methanation resulting methane also for the production of hydrogen for the fuel cell to use. Because the performance of a fuel cell immediately is dependent on the hydrogen content of the fuel cell supplied product gas is it also desirable the hydrogen content compared Product gases from known in the art come, to increase further.
In
der Patentschrift
Ein
Verfahren zur Verbesserung des Entschwefelungsschrittes in Brenstoffzellen-Elektrizitätsgewinnungsverfahren,
in denen Petroleumprodukte als Ausgangsbrenn- und Treibstoffe verwendet werden,
sowie die angestrebte Diversifikation der verwendeten Brenn- und
Treibstoffe wird in
In
Ein
Reaktionsbett für
eine katalytische Crackanlage von Kohlenwasserstoffen ist aus
Im Stand der Technik sind keine Lösungen zu den vorgenannten Problemen bekannt. Die Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Bereitstellung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie und Wärme in einem Brennstoffzellen-Gesamtsystem, wobei das resultierende Produktgas einen erhöhten Wasserstoffanteil aufweist und der Brennstoffausnutzungsfaktor gesteigert ist.in the State of the art are no solutions to known the aforementioned problems. The object of the invention is therefore, in providing a method and apparatus for generating electrical energy and heat in a total fuel cell system, wherein the resulting product gas has an increased hydrogen content and the fuel utilization factor is increased.
Die Erfindung betrifft daher ein Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie und Wärme in einem Brennstoffzellen-Gesamtsystem mit Crackreaktor und Brennstoffzelle, welches die folgenden Schritte umfasst:
- a. Zuführen mindestens eines Eduktes in einen Crackreaktor mit mindestens einer ersten Crack-Kammer und mindestens einer zweiten Crack-Kammer unter Ausschluß von Sauerstoff;
- b. Endothermes Spalten des Eduktes in dem Crackreaktor unter Ausschluss von Sauerstoff in Kohlenstoff und ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch und Abführen des wasserstoffhaltigen Gasgemisches
- c. Unterbrechen der Zuführung des Eduktes in den Crackreaktor;
- d. Zuführen von Wasserdampf oder einer Kombination aus Wasserdampf und Luft in den Crackreaktor;
- e. Endothermes Vergasen, bzw. kombiniertes endothermes Vergasen und exothermes Verbrennen des in Crack-Schritt b. erhaltenen Kohlenstoffs mit Wasserdampf bzw. Wasserdampf/Luft zu einem Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthaltenden Gasgemisch und Weiterverwendung des so erhaltenen Gasgemisches in dem Brennstoffzellen-Gesamtsystem;
- f. Zuführen des in Crack-Schritt b. erhaltenen wasserstoffhaltigen Gasgemisches in die Brennstoffzelle und Oxidieren des Wasserstoffes in der Brennstoffzelle unter Gewinnung von Wärme und elektrischer Energie.
- a. Feeding at least one educt into a cracking reactor having at least a first cracking chamber and at least one second cracking chamber in the absence of oxygen;
- b. Endothermic cleavage of the educt in the cracking reactor with the exclusion of oxygen in carbon and a hydrogen-containing gas mixture and removal of the hydrogen-containing gas mixture
- c. Interrupting the feed of the educt into the cracking reactor;
- d. Supplying water vapor or a combination of water vapor and air into the cracking reactor;
- e. Endothermic gasification, or combined endothermic gasification and exothermic burning of the in cracking step b. obtained carbon with water vapor or water vapor / air to a carbon monoxide and hydrogen-containing gas mixture and further use of the resulting gas mixture in the fuel cell system;
- f. Feeding the in cracking step b. obtained hydrogen-containing gas mixture in the Brenn substance cell and oxidizing the hydrogen in the fuel cell with the production of heat and electrical energy.
Die Erfindung betrifft somit insbesondere ein Brennstoffzellen-Gesamtsystem, bei dem der Wasserstoffprozessor auf dem thermischen oder zusätzlich katalytischen Cracken von Kohlenwasserstoffen (z.B. Erdgas, Methan, Propan, Butan, LPG, Benzin, Heizöl, Diesel etc.), Alkoholen, Aldehyden und organischen Säuren (> C2) basiert. Damit kann ein Produktgas mit hohem Wasserstoffgehalt erzeugt werden.The invention thus relates in particular to a fuel cell system in which the hydrogen processor is based on the thermal or additionally catalytic cracking of hydrocarbons (eg natural gas, methane, propane, butane, LPG, gasoline, fuel oil, diesel etc.), alcohols, aldehydes and organic acids (> C 2 ) based. This can produce a product gas with a high hydrogen content.
Die Erfindung betrifft dabei bevorzugt zwei Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens, deren Wasserstofferzeugungsprozess auf dem thermischen oder zusätzlich katalytischen Cracken basiert. Dabei wird das Produktgas in einer Brennstoffzelle eingesetzt, dort entstehen elektrischer Strom und Wärme. Die beiden Abgasströme, das Anodenabgas (H2, N2, CH4, H2O) und das Kathodenabgas (Luft, N2, O2, H2O) werden bevorzugt im Gesamtsystem prozessintern genutzt.The invention preferably relates to two embodiments of the method according to the invention, the hydrogen production process of which is based on thermal or additionally catalytic cracking. The product gas is used in a fuel cell, where electrical power and heat are generated. The two exhaust gas streams, the anode exhaust gas (H 2 , N 2 , CH 4 , H 2 O) and the cathode exhaust gas (air, N 2 , O 2 , H 2 O) are preferably used in-process in the overall system.
Prinzipiell ist das Verfahren für alle Brennstoffzellentypen bis auf die Direkt-Methanol-Brennstoffzelle einsetzbar. Das Verfahren eignet sich außerdem prinzipiell für einen weiten Leistungsbereich von wenigen Watt bis zu einigen hundert kW und für unterschiedlichste Anwendungen im mobilen, portablen und stationären Bereich.in principle is the procedure for all fuel cell types except for the direct methanol fuel cell used. The method is also suitable in principle for a wide power range from a few watts to a few hundred kW and for a variety of Mobile, portable and stationary applications.
Eine
wesentliche Besonderheit des erfindungsgemäßen Verfahrens ist für Brennstoffzellen-Gesamtsystem
das Verfahren der Wasserstofferzeugung über das thermische oder katalytische
Cracken von flüssigen
oder gasförmigen
Brennstoffen, wobei im folgenden zunächst Propan als Beispiel dienen
möge. Bei
hohen Temperaturen, z.B. oberhalb von 800°C, wird Propan an einem Katalysator
in seine Bestandteile Kohlenstoff und Wasserstoff zerlegt:
Das erzeugte Gasgemisch besteht dann aus über 90% Wasserstoff, der Rest ist nahezu ausschließlich Methan, ein Zwischenprodukt des Crackprozesses, welches den Betrieb einer Brennstoffzelle praktisch nicht beeinträchtigt.The generated gas mixture then consists of over 90% hydrogen, the rest is almost exclusive Methane, an intermediate of the cracking process, which stops the operation a fuel cell practically not affected.
Über diesen verfahrenstechnisch einfachen Prozess kann ohne komplexe und aufwendige Gasreinigungsverfahren eine Wasserstoffqualität dargestellt werden, die sogar für den Einsatz in einer Membran-Brennstoffzelle (PEFC) geeignet ist. Die Wasserstofferzeugung durch das katalytische Cracken kann daher in einem sehr kostengünstigen System ausgeführt werden.About this procedurally simple process can be done without complex and elaborate Gas purification processes can be represented as a hydrogen quality even for the Use in a membrane fuel cell (PEFC) is suitable. The Hydrogen production by catalytic cracking may therefore occur in a very inexpensive System running become.
Das Cracksystem wird vorzugsweise im Batch-Betrieb mit mindestens zwei Reaktoren oder in einem Reaktorsystem mit mindestens zwei Crack-Kammern gefahren, von denen sich eine oder mehrere im Crackzyklus befinden, während die andere oder die anderen simultan von dem angesammelten Kohlenstoff gereinigt werden.The Cracking system is preferably in batch operation with at least two Reactors or in a reactor system with at least two crack chambers driven, one or more of which are in the cracking cycle, while the other or the others simultaneously from the accumulated carbon getting cleaned.
Das Abreinigen der Kammern kann auf verschiedene Weisen erfolgen. Die einfachste Möglichkeit ist zunächst das exotherme Abbrennen des Kohlenstoffs mit Luftsauerstoff, wie im US-Patent 3,962,411 beschrieben. Dies führt allerdings zu hohen thermischen Belastungen der Katalysatoren.The Cleaning the chambers can be done in several ways. The easiest way is first the exothermic burning off of the carbon with atmospheric oxygen, such as in U.S. Patent 3,962,411. However, this leads to high thermal Loads on the catalysts.
Erfindungsgemäß erfolgt dies durch eine endotherme Vergasung des festen Kohlenstoffs mit Wasserdampf bzw. einer kombinierten Verbrennung/Vergasung mit einem Gemisch aus Wasserdampf und Luft. Dabei entsteht ein Synthesegas aus CO und H2 (ggfs. auch CH4, CO2 und N2), dessen Energieinhalt z.B. im Brenner genutzt werden kann, der die Reaktoren auf die für das Cracken bzw. die Wasserdampfvergasung erforderlichen Temperaturen von ca. 800 bis 900°C aufheizt.According to the invention this is done by an endothermic gasification of the solid carbon with water vapor or a combined combustion / gasification with a mixture of water vapor and air. This results in a synthesis gas of CO and H 2 (possibly also CH 4 , CO 2 and N 2 ), the energy content can be used for example in the burner, the reactors to the required for cracking or steam gasification temperatures of about 800 heats up to 900 ° C.
Ein wichtiger Vorteil dieses verfahrenstechnischen Konzeptes ist die Vermeidung von hohen Regenerationstemperaturen während der Abreinigung, was sich sehr positiv auf die Lebensdauer der Katalysatoren auswirkt.One important advantage of this procedural concept is the Avoidance of high regeneration temperatures during cleaning, what has a very positive effect on the life of the catalysts.
Während des Crackvorganges und der Wasserdampfregenerierung stellt der Brenner die benötigte Reaktionswärme, die Verlustwärme sowie die Wärme zur Wasserverdampfung zur Verfügung, soweit diese nicht durch Wärmerückgewinnung bzw. Wärmeintegration des Prozesses geliefert werden kann.During the Cracking process and the Wasserdampfregenerierung provides the burner the needed Heat of reaction, the heat loss as well as the heat available for water evaporation, as far as these are not due to heat recovery or heat integration of the process can be delivered.
Als Alternative kann auch eine externe elektrische Beheizung verwendet werden. Bei Einsatz von Katalysatoren auf elektrisch leitenden Metallwaben können diese auch direkt durch Stromdurchgang auf Betriebstemperatur gebracht bzw. gehalten werden. Denkbar ist auch eine Kombination beider Beheizungsverfahren, bei der zur Inbetriebnahme rasch elektrisch aufgeheizt werden kann, und zum weiteren Betrieb ein Brenner eingesetzt wird.When Alternative can also use external electric heating become. When using catalysts on electrically conductive metal honeycomb can these are also brought directly to the operating temperature by passage of current or held. Also conceivable is a combination of both heating methods, in which can be quickly electrically heated for commissioning, and a burner is used for further operation.
Obgleich das erfindungsgemäße Verfahren in einem Crack-Reaktor mit einer Kammer betrieben werden kann, wobei insbesondere ein oder mehrere Zwischenspeicher verwendet werden können, in denen das aus der Crackkammer abgeführte Gas gespeichert und, falls erforderlich, über eine Gasreinigungstufe gereinigt der Brennstoffzelle zugeführt werden kann, betrifft eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Verfahren, bei dem ein Crackreaktor mit mindestens einer ersten Kammer und mindestens einer zweiten Kammer eingesetzt wird, wobei zu Beginn des Verfahrens in Schritt a. die erste Kammer mit dem Edukt kontinuierlich gefüllt wird, in der so gefüllten ersten Kammer die endotherme Spaltung gemäß Schritt b. durchgeführt wird, die Zuführung des Eduktes in die erste Kammer gemäß Schritt c. unterbrochen wird, gemäß Schritt d. Wasserdampf bzw. eine Wasserdampf/Luftgemisch in die erste Kammer zugeführt wird und der Vergasungsschritt e. in der ersten Kammer durchgeführt wird. Zu Beginn von Schritt c wird die Zuführung des Eduktes von der ersten Kammer auf die zweite Kammer umgeschaltet. In der zweiten Kammer werden nun die Verfahrensschritte a. bis b. durchgeführt, während in der ersten Kammer die Verfahrensschritte d. und e. zur Vergasung/Verbrennung des abgeschiedenen Kohlenstoffes durchgeführt werden. Nach der Entfernung des Kohlenstoffs in Schritt e. in der ersten Kammer wird der Zyklus von neuem durchgeführt und es kann wieder das Edukt der ersten Kammer zugeführt werden, wobei das jeweils in der Schritt b. gebildete wasserstoffhaltige Gasgemisch zur Brennstoffzelle abgeführt wird.Although the process according to the invention can be operated in a single-chamber cracking reactor, in particular one or more intermediate storages can be used in which the gas discharged from the cracking chamber can be stored and, if necessary, purified via a gas purification stage, fed to the fuel cell, In a preferred embodiment of the method according to the invention, a method in which a cracking reactor with at least one first chamber and at least one second chamber is used, wherein at the beginning of the process in step a. the first chamber is filled continuously with the educt, in the first chamber filled in this way the endothermic cleavage according to step b. is performed, the supply of the educt into the first chamber according to step c. is interrupted, according to step d. Water vapor or a water vapor / air mixture is supplied into the first chamber and the gasification step e. is performed in the first chamber. At the beginning of step c, the feed of the educt is switched from the first chamber to the second chamber. In the second chamber, the process steps a. till B. performed while in the first chamber, the process steps d. and e. be carried out for gasification / combustion of the deposited carbon. After removing the carbon in step e. In the first chamber, the cycle is carried out anew and it can again be fed to the educt of the first chamber, wherein in each case in step b. formed hydrogen-containing gas mixture is discharged to the fuel cell.
Bei dieser Ausführungsform des Verfahrens wird eine kontinuierliche Zuführung an Brenngas zur Brennstoffzelle ohne Zwischenspeicher ermöglicht.at this embodiment The method is a continuous supply of fuel gas to the fuel cell without buffering enabled.
Besonders bevorzugt wird ein Mehrkammer-Crackreaktorsystem mit mindestens drei Kammern eingesetzt, dessen Kammern in mindestens zwei Kammergruppen wie zuvor beschrieben unterteilt sind und wobei in den Kammergruppen die Schritte a. bis e. zeitlich versetzt durchgeführt werden.Especially preferred is a multi-chamber cracking reactor system with at least used three chambers, whose chambers in at least two chamber groups subdivided as described above and wherein in the chamber groups the steps a. to e. be carried out offset in time.
Bei Brennstoffzellen, bei denen Kohlenmonoxid als Katalysatorgift wirkt, wird das der Brennstoffzelle zugeführte wasserstoffhaltige Gasgemisch bevorzugt vor der Zuführung in die Brennstoffzelle einer Zwischenbehandlung zur Erniedrigung des Kohlenmonoxidgehaltes unterzogen.at Fuel cells, where carbon monoxide acts as a catalyst poison, becomes the fuel cell supplied hydrogen-containing gas mixture preferably before the feed into the fuel cell of an intermediate treatment for lowering subjected to the carbon monoxide content.
In einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das jeweils im Schritt e. gebildete Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthaltende Gasgemisch zur Erzeugung der im Verfahren, bevorzugt in den Verfahrensschritten b. und e. benötigten Wärmeenergie verwendet.In a variant of the method according to the invention this is done in step e. formed carbon monoxide and hydrogen containing gas mixture for producing the in the process, preferred in process steps b. and e. required heat energy used.
Bei dieser Ausführungsform ist der Gehalt an Kohlenmonoxid schon relativ niedrig. Weil auch der Gehalt an Kohlendioxid sehr gering ist, kann daher das der Brennstoffzelle zugeführte wasserstoffhaltige Gasgemisch vor der Zuführung in die Brennstoffzelle einer Methanisierung unterzogen werden, bei der das Kohlenmonoxid und das Kohlendioxid in Methan umgewandelt werden.at this embodiment The content of carbon monoxide is already relatively low. Because too The content of carbon dioxide is very low, therefore, that of the fuel cell supplied hydrogen-containing gas mixture before being fed into the fuel cell Be subjected to methanation, in which the carbon monoxide and the carbon dioxide is converted into methane.
Wenn in einer zweiten Ausführungsform des Verfahrens das jeweils im Schritt e. gebildete, im wesentlichen aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff bestehende Gasgemisch dem in Schritt b. abgeführten wasserstoffhaltigen Gasgemisch zugemischt wird, um dessen Energiegehalt zu erhöhen, wird das der Brennstoffzelle zugeführte wasserstoffhaltige Gasgemisch vor der Zuführung in die Brennstoffzelle einer Shift-Konvertierungs-Behandlung, und gegebenenfalls einer weiteren Feinreinigung zur Erniedrigung des Kohlenmonoxidgehaltes unterzogen.If in a second embodiment of the method in step e. educated, essentially carbon monoxide and hydrogen gas mixture in step b. discharged hydrogen-containing Gas mixture is added to increase its energy content, is that supplied to the fuel cell hydrogen-containing gas mixture before being fed into the fuel cell a shift conversion treatment, and optionally a further fine cleaning to reduce the Subjected to carbon monoxide.
Bei allen Ausführungsformen des Verfahrens kann das in Schritt b. abgeführte wasserstoffhaltige Gasgemisch einem Speicher zugeführt werden, aus dem wiederum das wasserstoffhaltige Gasgemisch der Brennstoffzelle zugeführt wird.at all embodiments of the method, the in step b. discharged hydrogen-containing gas mixture supplied to a memory from which in turn the hydrogen-containing gas mixture of the fuel cell supplied becomes.
Bevorzugt wird in Schritt a. des Verfahrens das eingesetzte Edukt dem Crack-Reaktor im gasförmigen Zustand, vorzugsweise in einer Inertgasatmosphäre zugefügt. Das in Schritt a. eingesetzte Edukt wird bevorzugt aus niederen Alkan-, Alken- und Alkin-Kohlenwasserstoffen, Alkoholen, Aldehyden, Ketonen und organischen Säuren mit bis zu 30, vorzugsweise 20 Kohlenstoffatomen oder Gemischen davon ausgewählt.Prefers becomes in step a. of the process, the starting material used in the cracking reactor in gaseous form Condition, preferably added in an inert gas atmosphere. That in step a. used Starting material is preferably selected from lower alkane, alkene and alkyne hydrocarbons, alcohols, Aldehydes, ketones and organic acids with up to 30, preferably 20 carbon atoms or mixtures thereof.
Hohe Reaktionsgeschwindigkeiten und/oder niedrigere Temperaturen für das Cracken können durch den Einsatz von Katalysatoren erreicht werden. In den letzten Jahren sind dazu Untersuchungen zum katalytischen Cracken von leichten Kohlenwasserstoffen, meistens Propan, Butan, LPG, Erdgas und Heizöl durchgeführt worden. Die Studien ergaben, dass Materialien auf Basis von Pd, Rh, Ru, Ni, Co and Fe am besten für diese Anwendung geeignet sind. Es sind bislang in der Literatur jedoch keine Lebensdaueruntersuchungen zu realen Katalysatoren beim Cracken von Kohlenwasserstoffen gemacht worden. Darüber hinaus weisen auch die bei Crackprozess entstandenen Kohlenstoffpartikel eine gewisse katalytische Aktivität für den Crackprozess auf (Autokatalyse). Es gibt bis heute keine kommerziellen Katalysatoren für das Cracken zur Erzeugung von Wasserstoff, da dieses Verfahren dafür bis heute nicht eingesetzt wird. Die Katalysatoren werden durch den Crackprozess und den nachfolgenden Reinigungsschritt erheblich thermisch und mechanisch belastet, so dass kommerziell erhältliche Katalysatoren, die die o.a. Materialien enthalten, nicht zyklenstabil sind. Daher ist von den Erfindern ein spezieller, stabilisierter Edelmetallkatalysator entwickelt worden, der über mehrere hundert Zyklen (Cracken und Regeneration) ohne messbare Degradation getestet wurde.Height Reaction rates and / or lower temperatures for cracking can through the use of catalysts can be achieved. In recent years are studies on the catalytic cracking of light Hydrocarbons, mostly propane, butane, LPG, natural gas and fuel oil has been performed. The studies showed that materials based on Pd, Rh, Ru, Ni, Co and Fe are best for this application are suitable. There are so far in the literature however, no lifetime studies on real catalysts at Cracking of hydrocarbons has been made. Furthermore also show the carbon particles formed during the cracking process a certain catalytic activity for the cracking process on (autocatalysis). There are no commercial catalysts for cracking to date for the production of hydrogen, since this process is not yet is used. The catalysts are made by the cracking process and the subsequent cleaning step considerably thermally and mechanically loaded, so that commercially available catalysts, the the o.a. Materials are not stable to the cycle. thats why from the inventors a special, stabilized noble metal catalyst has been developed over several hundred cycles (cracking and regeneration) without measurable Degradation was tested.
Im Gegensatz zum Stand der Technik gemäß US-Patent 5,899,175 enthält das Produktgasgemisch bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens keine bei Raumtemperatur kondensierbaren Bestandteile. Die Anordnung des Katalysators, d.h. das Leervolumen im Bereich des Katalysators muss die Abscheidung des Kohlenstoffs ermöglichen, damit sich kein unzulässig hoher Gegendruck aufbauen kann. Dies kann z.B. mit einer Katalysatorschüttung erfolgen, aber es sind auch andere Geometrien möglich, wie z.B. beschichtete Wärmeaustauscher, mit Katalysatormaterial beschichtete metallische oder keramische Träger, z.B. Wabenträger (Honeycombstrukturen) etc.In contrast to the prior art according to US Pat. No. 5,899,175, the product gas mixture when carrying out the process according to the invention contains no condensates at room temperature ren constituents. The arrangement of the catalyst, ie the void volume in the region of the catalyst must allow the deposition of the carbon, so that no unacceptably high back pressure can build up. This can be done, for example, with a catalyst bed, but other geometries are possible, such as coated heat exchangers, coated with catalyst material metallic or ceramic carrier, eg honeycomb carrier (Honeycombstrukturen) etc.
Zur
höheren
energetischen Ausnutzung des eingesetzten Gases wird das Anodenabgas
in
Das endotherme katalytische Spalten und das endotherme katalytische Vergasen wird erfindungsgemäß bevorzugt in einem Temperaturbereich von 500 bis 1000°C, bevorzugt von 700 bis 1000°C und besonders bevorzugt 800 bis 900°C erfolgen, während das thermische Spalten bei deutlich höheren Temperaturen stattfindet.The endothermic catalytic columns and the endothermic catalytic Gasification is preferred according to the invention in a temperature range from 500 to 1000 ° C, preferably from 700 to 1000 ° C and especially preferably 800 to 900 ° C done while the thermal splitting takes place at much higher temperatures.
Die vorliegende Erfindung ist auch auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche gerichtet.The The present invention is also directed to an apparatus for carrying out the Method according to one of the preceding claims.
Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird anhand der folgenden zwei Ausführungsformen weiter erläutert. Dabei
betrifft das in
Das
in
Das Produktgas, das im wesentlichen aus H2 und CH4 besteht, kann nach Verlassen des Crackreaktors noch Spuren von CO und CO2 beinhalten, die von der Regeneration der Crackkammer herrühren. Sowohl Kohlenmonoxid als auch Kohlendioxid können in der folgenden Methanisierungsstufe praktisch vollständig mit Wasserstoff zu Methan umgesetzt werden. Das Kohlenmonoxid stellt ein starkes Katalysatorgift für eine Membran-Brennstoffzelle (PEFC) dar. Da CO am anodischen Edelmetallkatalysator Platin adsorbiert wird, würde es diesen nach kurzer Zeit desaktivieren. PEFC-Systeme benötigen daher Brenngase mit einem sehr niedrigen CO-Gehalt, die eben vom Cracker ohne sonst übliche aufwendige CO-Feinreinigung allein mit einer einfachen Methanisierung dargestellt werden können. Die Methanisierung benötigt keine aufwendige Regelung.The product gas, consisting essentially of H 2 and CH 4 , may still contain traces of CO and CO 2 resulting from regeneration of the cracking chamber after leaving the cracking reactor. Both carbon monoxide and carbon dioxide can be almost completely converted to methane with hydrogen in the following methanation stage. The carbon monoxide is a strong catalyst poison for a membrane fuel cell (PEFC). Since CO adsorbs on the anodic noble metal catalyst platinum, it would deactivate it after a short time. PEFC systems therefore require fuel gases with a very low CO content, which can just be represented by the cracker without otherwise complex CO fine cleaning alone with a simple methanation. The methanation requires no complicated regulation.
Das Brenngas besteht danach praktisch vollständig aus Wasserstoff und Methan, das für die Brennstoffzelle ein harmloses Inertgas ist. Für den Einsatz einer alkalischen Brennstoffzelle (AFC), die empfindlich auf CO2 reagiert, ist das Produktgas daher ebenfalls hervorragend geeignet. Für PAFC und SOFC kann auf die Methanisierung verzichtet werden, die PAFC toleriert aufgrund ihrer Betriebstemperatur von 200°C bis zu etwa 1 vol.-% CO, für die SOFC ist Kohlenmonoxid sogar ein Brenngas.The fuel gas then consists almost entirely of hydrogen and methane, which is a harmless inert gas for the fuel cell. For the use of an alkaline fuel cell (AFC), which is sensitive to CO 2 , the product gas is therefore also ideally suited. For PAFC and SOFC can be dispensed with the methanation, the PAFC tolerated because of their operating temperature of 200 ° C up to about 1 vol .-% CO, for the SOFC is carbon monoxide even a fuel gas.
Das Produktgas (Wasserstoff und Methan) wird nun in der Brennstoffzelle verstromt. Es entstehen elektrische Energie und Wärme. Eine Brennstoffzelle kann allerdings den Brennstoff Wasserstoff in einem Gasgemisch nicht vollständig ausnutzen, sondern wegen des entlang des Strömungsweges abnehmenden Wasserstoffpartialdrucks nur einen bestimmten Anteil, was durch den Brennstoffausnutzungsfaktor (fuel utilization) angegeben wird, der oft bei etwa 80% des angebotenen H2 liegt.The product gas (hydrogen and methane) is now converted into electricity in the fuel cell. It creates electrical energy and heat. However, a fuel cell can not fully utilize the fuel hydrogen in a gas mixture, but only a certain proportion due to the hydrogen partial pressure decreasing along the flow path, as indicated by the fuel utilization factor, which is often about 80% of the offered H 2 .
Der
im Abgas noch vorhandene restliche Wasserstoff wird bei dieser Ausführungsform (
Auf diese Weise wird erfindungsgemäß trotz des bei Gasgemischen unvermeidlichen Brennstoffausnutzungsfaktors einer Brennstoffzelle durch die Rückführung des Anodenabgases ein fast vollständiger Umsatz des im Eduktes befindlichen Wasserstoffs für die Stromerzeugung erreicht.On This way is inventively despite the for gas mixtures inevitable fuel utilization factor of a Fuel cell through the return of the Anode exhaust a nearly more complete Sales of hydrogen in the reactant for power generation reached.
Das ebenfalls feuchte Kathodenabgas, bestehend aus nicht umgesetztem Luftsauerstoff, Luftstickstoff und Wasserdampf wird zunächst bevorzugt ebenfalls über einen Kondensator geleitet, bevor es an die Umgebung abgegeben wird. Das Wasser der beiden Kondensatoren wird gesammelt und steht anschließend für die Wasserdampfvergasung des Kohlenstoffs im Crackreaktor und ggfs. für die Befeuchtung der Brennstoffzellengase zur Verfügung.The likewise moist cathode exhaust gas, consisting of unreacted atmospheric oxygen, atmospheric nitrogen and water vapor, is preferably first also passed through a condenser before it is released into the environment. The water of the two capacitors is collected and then stands for the steam gasification of the Koh lenstoffs in the cracking reactor and, if necessary, for the humidification of the fuel cell gases available.
Der während des Crack-Zyklusses im Reaktor angefallene Kohlenstoff wird vollständig oder aber zu einem wesentlichen Teil durch den Wasserdampf, der bevorzugt aus dem Kondensat erzeugt wird, vergast. Es kann aber auch Wasser von außen für den Regenerationsschritt zugeführt werden. Dadurch entsteht ein Synthesegasgemisch mit hohem CO- und H2-Gehalt mit einem erheblichen Heizwert, welches für die Versorgung des Brenners genutzt werden kann. Der Energieinhalt des Synthesegases reicht dabei prinzipiell für die Versorgung des Cracksystems aus.The carbon accumulated in the reactor during the cracking cycle is completely or partly gasified by the steam, which is preferably produced from the condensate. But it can also be supplied from the outside water for the regeneration step. This results in a synthesis gas mixture with high CO and H 2 content with a significant calorific value, which can be used for the supply of the burner. The energy content of the synthesis gas is sufficient in principle for the supply of the cracking system.
Für die vollständige Regeneration der Reaktorkammer, d.h. die vollständige Entfernung des angefallenen Kohlenstoffs, kann es erforderlich sein, die Wasserdampfvergasung mit einer Verbrennung des Kohlenstoffs mit Luft zu kombinieren.For the complete regeneration the reactor chamber, i. the complete removal of the accrued Carbon, it may be necessary to steam the gasification to combine with a combustion of carbon with air.
Auf diese Weise kann erfindungsgemäß der Energieinhalt des abgeschiedenen Kohlenstoffs über die Synthesegaserzeugung für die Wärmeversorgung des Systems verwendet werden. Die Verwendung des abgeschiedenen Kohlenstoffs kann alternativ folgendermaßen durchgeführt werden:
- – Vollständige Vergasung mit Wasserdampf,
- – Kombinierte Regeneration durch Vergasung mit Wasserdampf und Verbrennung mit Luftsauerstoff, wobei Wasserdampf und Luft dabei gleichzeitig, nacheinander oder in zyklischer Folge eingebracht werden können,
- – Kombinierte Regeneration durch Vergasung mit Wasserdampf und Verbrennung mit Luftsauerstoff und mit Brennerabgas, wobei Wasserdampf, Luft und Abgas dabei gleichzeitig, nacheinander oder in zyklischer Folge eingebracht werden können.
- Complete gasification with steam,
- Combined regeneration by gasification with water vapor and combustion with atmospheric oxygen, water vapor and air being introduced simultaneously, successively or in cyclical sequence,
- - Combined regeneration by gasification with water vapor and combustion with atmospheric oxygen and with burner exhaust gas, whereby water vapor, air and exhaust gas can be introduced simultaneously, successively or in a cyclic sequence.
Durch die Regeneration mit Wasserdampf, bzw. die kombinierte Regeneration mit Wasserdampf, Luftsauerstoff und/oder Brennerabgas wird eine Absenkung der Reaktortemperatur gegenüber einer Abreinigung durch reine Verbrennung des Kohlenstoffs mit Luftsauerstoff und damit eine Schonung der Katalysatoren erreicht.By the regeneration with water vapor, or the combined regeneration With water vapor, atmospheric oxygen and / or burner exhaust gas is a Lowering of the reactor temperature compared to a cleaning by pure combustion of the carbon with atmospheric oxygen and thus achieved protection of the catalysts.
Das
in
Das Produktgas entspricht erfindungsgemäß durch diese Verfahrensführung in seiner Zusammmensetzung praktisch dem eines Reformates, d.h. dem Produktgas, welches durch eine Dampfreformierung des Eduktes entstehen würde. So kann auch aus höheren Kohlenwasserstoffen, wie z.B. Heizöl oder Diesel, ein reformatgasähnliches Gasgemisch mit Wasserstoffgehalten von je nach Edukt 70 bis 80% erzeugt werden.The Product gas corresponds to the invention by this process in its composition practically that of a reformate, i. the Product gas, which is produced by steam reforming of the educt would. So can also from higher Hydrocarbons, such as e.g. Fuel oil or diesel, a reformatgasähnliches Gas mixture with hydrogen contents of depending on the starting material 70 to 80% be generated.
Ein Stickstoffanteil von fast 50%, wie er bei der autothermen Reformierung oder der partiellen Oxidation von Kohlenwasserstoffen üblich ist, tritt bei dieser Verfahrensführung nicht auf. Es ist ggfs. im Falle der reinen Wasserdampfvergasung des abgeschiedenen Kohlenstoffes lediglich der geringe N2-Anteil durch die PROX von ca. 5% zu berücksichtigen. Bei der kombinierten Regeneration mittels Vergasung und Verbrennung (Wasserdampf, Rauchgas und Luft) kann der Stickstoffanteil entsprechend höher liegen.A nitrogen content of almost 50%, as is customary in the autothermal reforming or the partial oxidation of hydrocarbons, does not occur in this process. If necessary, in the case of pure water vapor gasification of the deposited carbon, only the low N 2 content by the PROX of approximately 5% must be taken into account. In the combined regeneration by gasification and combustion (water vapor, flue gas and air), the nitrogen content may be correspondingly higher.
Das Produktgas (Wasserstoff und Methan) wird wiederum in der Brennstoffzelle zu Strom und Wärme umgesetzt. Der restliche, nicht umgesetzte Wasserstoff wird anschließend wie beim ersten System, falls erforderlich, zunächst über den Kondensator zur Verringerung des Wassergehaltes geleitet und anschließend dem Brenner zugeführt. Der Wassergehalt der Kathodenabluft wird ebenfalls im Kondensator verringert. Das Kondensat wird bevorzugt für die Vergasung des abgeschiedenen Kohlenstoffes eingesetzt. Das dabei entstehende Synthesegasgemisch wird mit dem Produktgas der Reaktoren, die sich im Crackzyklus befinden, vermischt.The Product gas (hydrogen and methane) is in turn in the fuel cell to electricity and heat implemented. The remaining, unreacted hydrogen is then like in the first system, if necessary, first via the condenser to reduce passed the water content and then fed to the burner. Of the Water content of the cathode exhaust air is also reduced in the condenser. The condensate is preferred for the Gasification of the deposited carbon used. That here resulting synthesis gas mixture is mixed with the product gas of the reactors, which are in the cracking cycle, mixed.
Dieser Wasserstofferzeugungsprozess weist die folgende Reihe von Vorteilen auf:
- – Das Produktgas weist einen hohen Wasserstoffanteil von ca. 70 bis 80% (je nach verwendetem Brennstoff) auf, was zu einer höheren Leistung der Brennstoffzelle führt.
- – Die Vergasung des abgeschiedenen Kohlenstoffs findet mit geringeren Wassermengen statt (S/C-Verhältnis oder Steam to Carbon ratio ca. 1), zusätzliches Wasser wird für die Shiftkonvertierung benötigt, was zu einem S/C-Verhältnis von etwa 2 für den Gesamtprozess führt. Damit wird deutlich weniger Energie für die Wasserverdampfung benötigt, als dies bei einer konventionellen Dampfreformierung mit üblicherweise S/C = 3 der Fall ist.
- – Üblicherweise werden die Schwefelanteile des Brennstoffs vor der Entschwefelung in einem ZnO-Bett durch die Zugabe eines Wasserstoffstroms zu H2S umgewandelt. Die Integration der Entschwefelungsstufe in den Verlauf des Gasprozesses ist vorteilhaft, da keine Wasserstoffzugabe zur Erzeugung von H2S aus den Schwefelkomponenten des Brennstoffs mehr erforderlich ist.
- – Das Anodenabgas der Brennstoffzelle, welches Reste von Methan und Wasserstoff enthält, also brennbare Gase, die nicht in der Brennstoffzelle genutzt werden können, wird zum Brenner zurückgeführt und so energetisch sinnvoll zur Erhöhung des Wirkungsgrades des Gesamtsystems eingesetzt.
- - The product gas has a high hydrogen content of about 70 to 80% (depending on the fuel used), resulting in a higher performance of the fuel cell.
- - The gasification of the deposited coals Substance takes place with smaller amounts of water (S / C ratio or steam to carbon ratio approx. 1), additional water is required for the shift conversion, which leads to an S / C ratio of about 2 for the entire process. This requires significantly less energy for water evaporation than is the case with conventional steam reforming with usually S / C = 3.
- Typically, the sulfur components of the fuel are converted to H 2 S prior to desulfurization in a ZnO bed by the addition of a hydrogen stream. The integration of the desulfurization in the course of the gas process is advantageous because no hydrogen addition to produce H 2 S from the sulfur components of the fuel is required more.
- - The anode exhaust gas of the fuel cell, which contains residues of methane and hydrogen, ie combustible gases that can not be used in the fuel cell, is returned to the burner and so energetically useful to increase the efficiency of the overall system.
In
Die
beiden Kammern d) und der Methanisierungsreaktor g) werden durch
den Brenner i) auf die für
den Prozess notwendige Temperatur aufgeheizt. Nach Erreichen der
Temperatur wird eine der Kammern d) mit dem durch den Kompressor
b) geförderten
Erdgasstrom, der in der Entschwefelungsstufe c) entschwefelt wird, über das
Ventil
Der Wasserstoff des gereinigten Produktgases wird in der Brennstoffzelle p) zusammen mit Luftsauerstoff in elektrischen Strom und Wärme umgesetzt. Vor dem Eintritt in die Brennstoffzelle p) ist das Sauerstoff enthaltende Gas gegebenenfalls in einem Gasbefeuchter m) zu befeuchten.Of the Hydrogen of the purified product gas is in the fuel cell p) reacted together with atmospheric oxygen into electricity and heat. Before entering the fuel cell p) is the oxygen-containing If necessary, humidify the gas in a gas humidifier m).
Das in der Brennstoffzelle p) nicht vollständig umgesetzte Produktgas sowie das aus der Regenerierung stammende Synthesegas werden gemischt und dem Brenner i) zur Energieversorgung zugeführt. Optional kann die Leistung des Brenners durch Zumischen von Erdgas erhöht werden.The in the fuel cell p) not completely reacted product gas as well as the originating from the regeneration synthesis gas are mixed and the burner i) supplied to the power supply. Optionally, the performance of the burner can be increased by adding natural gas.
Während in
Kammer d) Erdgas gecrackt wird, findet in Kammer s) die Regeneration
des in einem vorhergehenden Crackzyklus abgeschiedenen Kohlenstoffs
statt. Der Kammer s) wird dazu Wasser über das Ventil
Wasser,
und wird über
die Ventile
Es ist ebenso möglich, den abgeschiedenen Kohlenstoff in einer Regenerierungsstufe durch ein Wasser/Luftgemisch zu vergasen, so die Kammer wieder zu reinigen und danach in der gereinigten Kammer das Cracken wieder zu beginnen.It is also possible the deposited carbon in a regeneration step through to gasify a water / air mixture, so to clean the chamber again and then begin cracking again in the cleaned chamber.
Nach
dem Spülen
von Kammer s) mit Erdgas wird Kammer d) der Regenerationsphase unterzogen und
in Kammer s) wird ein wasserstoffreiches Gas für die Brennstoffzelle p) produziert.
Dazu wird Ventil
- a)a)
- Pumpe/Kompressor zur Luftversorgung des Brenners undPump / compressor to the air supply of the burner and
- der Brennstoffzelle.of the Fuel cell.
- b)b)
- Pumpe/Kompressor für das Brenngas und das CrackgasPump / compressor for the Fuel gas and the cracking gas
- c)c)
- Entschwefelung des Crackgasesdesulphurization the cracking gas
- d)d)
- Crackreaktorcracking reactor
- e)e)
- Abgaswärmeübertrager zur Nutzung der Abgaswärme imExhaust gas heat exchanger to use the exhaust heat in the
- hohen Temperaturbereichhigh temperature range
- f)f)
- Abgaswärmeübertrager und Produktgas/RegenerationsgasExhaust gas heat exchanger and product gas / regeneration gas
- wärmetauscher. Nutzt die restliche Abgaswärme undheat exchangers. Uses the remaining exhaust heat and
- kühlt das Produktgas sowie das Regenerationsgas austhat cools Product gas and the regeneration gas off
- den Reaktoren.the Reactors.
- g)G)
- Methanisierungmethanation
- h)H)
- Pumpe für Kondensat/Regenerationswasserpump for condensate / regeneration water
- i)i)
- Brennerburner
- k)k)
- Brennraum zur Aufnahme der Reaktoren und dercombustion chamber for receiving the reactors and the
- WärmeübertragerHeat exchanger
- l)l)
- Isolierung des Brennraumesinsulation of the combustion chamber
- m)m)
- Befeuchter für die Kathodenluft der Brennstoffzellehumidifier for the Cathode air of the fuel cell
- (optional)(Optional)
- o)O)
- Kondensatabscheider für Produktwasser dercondensate for product water of the
- Brennstoffzellefuel cell
- p)p)
- Brennstoffzellefuel cell
- q)q)
- Cracksystem mit zwei ReaktorenCrack system with two reactors
- r)r)
- Fluid für Wärmeübertrager e) und f)fluid for heat exchangers e) and f)
- s)s)
- Crackreaktorcracking reactor
- 1)1)
- Ventil für Crackgas Reaktor AValve for cracking gas Reactor A
- 2)2)
- Ventil für Crackgas Reaktor BValve for cracking gas Reactor B
- 3)3)
- Ventil für Luft und/oder Wasser Reaktor AValve for air and / or water reactor A
- 4)4)
- Ventil für Luft und/oder Wasser Reaktor BValve for air and / or water reactor B
- 5)5)
- Ventil zur Methanisierung des Produktgases vonValve for the methanation of the product gas of
- Reaktor Areactor A
- 6)6)
- Ventil zur Methanisierung des Produktgases vonValve for the methanation of the product gas of
- Reaktor Breactor B
- 7)7)
- Regenerierungsabgas von Reaktor Aregeneration exhaust from reactor A
- 8)8th)
- Regenerierungsabgas von Reaktor Bregeneration exhaust from reactor B
- 9)9)
- Ventil zur BrenngasversorgungValve to the fuel gas supply
- 10)10)
- Ventil zur Luftversorgung des BrennersValve to the air supply of the burner
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