DE102004014090A1

DE102004014090A1 - Apparat zur Erzeugung von Wasserstoff

Info

Publication number: DE102004014090A1
Application number: DE200410014090
Authority: DE
Inventors: Nicolas Zartenar; Peter Dr. Britz; Klaus Dr. Heikrodt; Christian Lorenz
Original assignee: Viessmann Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Viessmann Werke GmbH and Co KG
Priority date: 2004-03-20
Filing date: 2004-03-20
Publication date: 2005-10-06

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Apparat zur Erzeugung von Wasserstoff, umfassend einen Reaktor (1) zum thermischen Cracken eines Kohlenwasserstoffgases in Wasserstoff und Kohlenstoff. Nach einer ersten Erfindungsvariante ist vorgesehen, dass dem Reaktor (1) zur Abtrennung des Kohlenstoffes aus dem Wasserstoff ein Rußfilter (2) mit mindestens zwei Filterzonen (3, 4) nachgeschaltet ist, die wechselweise in den Prozess der Kohlenstoffabtrennung oder in einen Prozess zur Regeneration der jeweiligen Filterzone (3, 4) eingebunden sind. Nach einer zweiten Erfindungsvariante ist vorgesehen, dass dem Reaktor zur Abtrennung des Kohlenstoffes aus dem Produktgasstrom ein Elektrofilter nachgeschaltet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Apparat zur Erzeugung von Wasserstoff gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und 7.

Ein deraratiger Apparat ist beispielsweise nach der DE 101 43 656 A1 bekannt, in der auch der technische Hintergrund zur Verwendung von Wasserstoff als Brennstoff in Brennstoffzellen sehr ausführlich erläutert ist. Diese Beschreibung dient als Grundlage der nachfolgenden Erläuterungen und Erklärungen, d. h. auf dieses Dokument wird hiermit vollumfänglich Bezug genommen.

Insbesondere bei einen sich anschließenden Brennstoffzellenprozeß ist beim Cracken von Kohlenwasserstoffgas der dabei anfallende Kohlenstoff problematisch. Gemäß der DE 24 53 089 A1 besteht eine einfache Möglichkeit zur Abtrennung des Kohlenstoffes darin, diesen exotherm mit Luftsauerstoff abzubrennen, was allerdings zu einer hohen thermischen Belastung des Katalysators führt.

Nach der genannten DE 101 43 656 A1 erfolgt deshalb alternativ die Abtrennung durch eine endotherme Vergasung des festen Kohlenstoffes mit Wasserdampf bzw. einer kombinierten Verbrennung/Vergasung mit einem Gemisch aus Wasserdampf und Luft. Dabei entsteht ein Synthesegas aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff, dessen Energiegehalt z. B. in einem beigeordneten Brenner genutzt werden kann, der die Reaktoren auf die für das Cracken bzw. die Wasserdampfvergasung erforderliche Temperatur von ca. 800°C bis 900°C aufheizt.

Um den Apparat kontinuierlich betreiben zu können, sind zwei Crackkammern vorgesehen, die wechselweise betrieben werden. Während also in der einen Kammer das Kohlenwasserstoffgas gecrackt wird, erfolgt in der anderen Kammer die erläuterte Reinigung. Bei dieser Ausführungsform des Verfahrens wird also eine kontinuierliche Zuführung an Brenngas zur Brennstoffzelle ohne Zwischenspeicherung gewährleistet.

Nachteilig ist dabei offensichtlich, dass zwei Crackkammern erforderlich sind. Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde einen Apparat der eingangs genannten Art bei gewährleisteter Kohlenstoffabtrennung dahingehend zu vereinfachen, dass auch bei Verwendung von nur einer Crackkammer bzw. einem Crackreaktor ein kontinuierlicher Betrieb einer Brennstoffzelle ohne Zwischenspeicherung des Wasserstoffes möglich ist.

Diese Aufgabe ist mit einem Apparat der eingangs genannten Art einerseits durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 und andererseits durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 7 aufgeführten Merkmale gelöst.

Nach der ersten Lösungsvariante ist also vorgesehen, dass dem Reaktor zur Abtrennung des Kohlenstoffes aus dem Produktgasstrom ein Rußfilter mit mindestens zwei Filterzonen nachgeschaltet ist, die wechselweise in den Prozess der Kohlenstoffabtrennung oder in einen Prozess zur Regeneration der jeweiligen Filterzone eingebunden sind.

Im Reaktor wird somit bei einer Temperatur von etwa 1100 °C kontinuierlich Kohlenwasserstoffgas vollständig oder zumindest teilweise in Wasserstoff und Kohlenstoff gecrackt. Nicht gecrackte Reste an Kohlenwasserstoffgas sind für einen sich anschließenden Brennstoffzellenprozess nicht nur unproblematisch, sondern insofern sogar günstig, als diese nach Passage der Brennstoffzelle als Anodenrestgas in einem den Crackreaktor aufheizenden Brenner verbrannt werden können.

Das Produktgas aus Wasserstoff, Kohlenstoff und Kohlenwasserstoffgasresten gelangt nach dem Crackreaktor zum erfindungsgemäßen Rußfilter, der zur Gewährleistung eines kontinuierlichen Betriebes der Brennstoffzelle ohne Zwischenspeicherung von Wasserstoff mindestens zwei Filterzonen aufweist. In den Kohlenstoffabtrennprozess ist dabei eine Filterzone eingebunden. Sobald die Kohlenstoff-Aufnahmekapazität dieser Zone erschöpft ist, wird auf die nächste Filterzone umgeschaltet. Während die zweite Filterzone die Abtrennung des Kohlenstoffes aus dem Brennstoffzellengas gewährleistet, wird die erste Filterzone gereinigt. Dies kann beispielsweise durch mechanische Reinigung erfolgen, was unten noch näher erläutert wird.

Sind mehrere Filterzonen vorhanden, können natürliche auch jeweils mehrere Filterzonen am Abtrenn- und am Reinigungsprozess beteiligt sein. Zu gewährleisten ist lediglich, dass jeweils mindestens eine Filterzone zum Abtrennen bereit steht, während eine andere für den nächsten Zyklus gereinigt wird.

Nach Passage des Rußfilters gelangt das kohlenstofffreie, nur noch Wasserstoff und (je nach Cracktemperatur) eventuell Kohlenwasserstoffgasanteile enthaltende Brennstoffzellengas zum Anodenanschluss der Brennstoffzelle. Das Brennstoffzellengas ist dabei hinsichtlich des sogenannten Brennstoffzellengiftes Kohlenmonoxid derart rein, dass damit sogar sogenannte PEM-Brennstoffzellen (Polymermembran-Brennstoffzellen) betrieben werden können.

Nach der zweiten Lösungsvariante ist vorgesehen, dass dem Reaktor zur Abtrennung des Kohlenstoffes aus dem Produktgasstrom ein Elektrofilter nachgeschaltet ist. Bezüglich eines solchen Elektrofilters wird auf das den Anmeldungsunterlagen beigefügte, auch im Internet unter der Adresse http://www.physik.unimuenchen.de/didaktik/U_materialien/leifiphysik/web_ph10/umwelt -technik/01elektrofilter/elektrofilter.htm abrufbare und vom Fachberich Physik der Universität München stammende Dokument über Elektrofilter verwiesen. Die Offenbarung dieses Dokuments wird hiermit gleichzeitig vollumfänglich zum Gegenstand dieses Schutzrechts gemacht.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen beider Lösungsvarianten ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Der erfindungsgemäße Apparat einschließlich seiner vorteilhaften Weiterbildungen gemäß den abhängigen Ansprüchen wird nach folgend anhand der zeichnerischen Darstellung verschiedener Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigt schematisch

1 als Blockschaltbild den erfindungsgemäßen Apparat mit einem Rußfilter mit zwei Filterzonen im Verbund mit einer Brennstoffzelle;

2 schematisch den erfindungsgemäßen Apparat mit einem Elektrofilter; und

3 schematisch den erfindungsgemäßen Apparat mit einer drehenden Filterscheibe.

In 1 bis 3 ist der erfindungsgemäße Apparat zur Erzeugung von Wasserstoff jeweils im Verbund mit einer PEM-Brennstoffzelle 5 dargestellt. Dieser Apparat umfasst in allen Fällen insbesondere einen Reaktor 1 zum thermischen Cracken eines Kohlenwasserstoffgases in einen mindestens (Anteile von Kohlenwasserstoffgas sind je nach Cracktemperatur möglich) aus Wasserstoff und Kohlenstoff bestehenden Produktgasstrom. Der Reaktor 1 besteht im wesentlichen aus einem beispielsweise rohrförmigen Gehäuse, das von außen mittels der heißen Abgase eines Gasbrenners 6 beheizt wird. Es wird also, wie in 1 dargestellt, sowohl dem Gasbrenner 6 als auch dem Reaktor Kohlenwasserstoffgas zugeführt, wobei als Kohlenwasserstoffgas vorzugsweise Erdgas verwendet wird, was insbesondere bei Anlagen vorteilhaft ist, die, wie bei den dargestellten Beispielen, hauptsächlich zur Hausenergieversorgung dienen.

Da beim thermischen Cracken von Kohlenwasserstoffgas, wie erläutert, Kohlenstoff anfällt und dieser im Gegensatz zum Kohlenwasserstoffgas selbst nicht der Brennstoffzelle zugeführt werden darf (die Zerstörung der Brennstoffzelle wäre die Folge), ist eine Abtrennung des Kohlenstoffes erforderlich.

Erfindungsgemäß ist dazu gemäß der Ausführungsform nach 1 und 3 vorgesehen, dass dem Reaktor 1 ein Rußfilter 2 mit mindestens zwei Filterzonen 3, 4 nachgeschaltet ist, die wech selweise in den Prozess der Kohlenstoffabtrennung oder in einen Prozess zur Regeneration der jeweiligen Filterzone 3, 4 eingebunden sind.

In 1 dient die Filterzone 3 dem Prozess der Kohlenstoffabtrennung, d. h. die als Rußpartikelfilter ausgebildete Filterzone 3 filtert den Kohlenstoff aus dem vom Crackreaktor 1 kommenden Produktgas, das neben dem Kohlenstoff auch noch Wasserstoff und gegebenenfalls Kohlenwasserstoffgasanteile enthält. Gleichzeitig wird die Filterzone 4 vom im vorherigen Zyklus angesammelten Kohlenstoff gereinigt bzw. regeneriert.

Nach der in 1 dargestellten Ausführungsform erfolgt dabei die Regeneration der Filterzone 4 beispielsweise durch Oxidation des abgetrennten Kohlenstoffes mittels Sauerstoff zu Kohlendioxid. Die nicht am Filterprozess beteiligte Filterzone 4 wird also, wie dargestellt, Sauerstoff zugeführt, der den im Filtermaterial befindlichen Kohlenstoff zu Kohlendioxid oxidiert und auf diese Weise die Filterzone reinigt.

Ist die Filterzone 3 verschmutzt und die Filterzone 4 wieder gereinigt, werden die beiden Zonen bezüglich des Produktgasstromes vertauscht (beispielsweise durch entsprechende Ventilschaltung oder Umplazierung), d. h. der Produktgasstrom strömt nunmehr über die Filterzone 4, während Filterzone 3 gereinigt wird.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann dabei auch vorgesehen sein, dass eine Vielzahl von Filterzonen 3, 4 vorhanden sind, wobei immer mindestens eine dem Filterprozess und eine dem Reinigungsprozess zugeordnet ist. Eine mögliche Ausführungsform könnte dabei gemäß 3 sogar sein, dass die Filterzonen 3, 4 als umlaufende (drehende) Filterscheibe 9 ausgebildet sind, wobei der anfallende Kohlenstoff einfach mittels eines Abstreifers mechanisch von der Filterscheibe 9 abgelöst wird.

Wie oben erwähnt, können auch sogenannte, aus dem Dieselmotorenbau bekannte Russpartikelfilter verwendet werden. Diesbe züglich wird auf das den Anmeldungsunterlagen beigefügte Dokument der Firma EMITEC verwiesen, dessen Offenbarung hiermit gleichzeitig zum Gegenstand dieses Schutzrechts gemacht wird.

Nach der in 2 dargestellten, weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Rußfilter 2 als elektrostatisch arbeitender Elektrofilter 10 ausgebildet ist, d. h. der Kohlenstoff wird elektrostatisch aus dem Produktgasstrom entfernt.

Nach dem Rußfilter 2 gelangt das kohlenstofffreie, mindestens Wasserstoff enthaltende Gas beim vorgesehenen Anwendungsfall stets zur Brennstoffzelle 5, der ausserdem Sauerstoff in Form von Luft und Wasser zur Kühlung zu- und abgeführt wird. Elektrisch ist der Brennstoffzelle 5, wie in 1 dargestellt, ein Wechselrichter 7 nachgeschaltet, der den von der Brennstoffzelle 5 abgegebenen Gleichstrom DC in Wechselstrom AC transformiert.

Möglicherweise am Anodenabfuhranschluss austretendes Kohlenwasserstoffgas wird vorzugsweise über die in 1 dargestellte Verbindungsleitung wahlweise dem Gasbrenner 6 oder auch dem Crackreaktor 1 zugeführt (diese Möglichkeit kann selbstverständlich auch bei den Ausführungsformen gemäß 2 und 3 vorgesehen sein).

Zur Vermeidung eines Wechsels eines je nach Filterregenerationsweise notwendigen Kohlenstoffsammelbehälters ist ferner, wie in 2 und 3 dargestellt, eine Fördereinrichtung 11 vorgesehen, mittels derer der anfallende Kohlenstoffstaub dem Gasbrenner 6 zuführbar ist und dort mitverbrannt wird. Eine solche Fördervorrichtung 11 kann beispielsweise als Förderschnecke ausgebildet sein.

Schließlich ist zur Wirkungsgradoptimierung der Gesamtvorrichtung vorteilhaft vorgesehen, dass alle Abwärmen genutzt werden. Dazu ist beispielsweise dem Crackreaktor 1 für das noch heiße Abgas des Brenners 6, dem Rußfilter 2 selbst, aber auch der zu reinigenden Filterzone 4 für das heiße Kohlendioxid jeweils ein Wärmetauscher 8 nachgeschaltet.

1: Reaktor
2: Rußfilter
3: Filterzone
4: Filterzone
5: Brennstoffzelle
6: Gasbrenner
7: Wechselrichter
8: Wärmetauscher
9: Filterscheibe
10: Elektrofilter
11: Fördervorrichtung

Claims

Apparat zur Erzeugung von Wasserstoff, umfassend einen Reaktor (1) zum thermischen Cracken eines Kohlenwasserstoffgases in einen mindestens aus Wasserstoff und Kohlenstoff bestehenden Produktgasstrom, dadurch gekennzeichnet, dass dem Reaktor (1) zur Abtrennung des Kohlenstoffes aus dem Produktgasstrom ein Rußfilter (2) mit mindestens zwei Filterzonen (3, 4) nachgeschaltet ist, die wechselweise in den Prozess der Kohlenstoffabtrennung oder in einen Prozess zur Regeneration der jeweiligen Filterzone (3, 4) eingebunden sind.
Apparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Reaktor (1) ein Gasbrenner (6) zugeordnet ist.
Verfahren zum Betrieb des Apparats nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeneration der jeweiligen Filterzone (3, 4) durch Oxidation des abgetrennten Kohlenstoffes mittels Sauerstoff zu Kohlendioxid erfolgt.
Apparat nach einem der Ansprüch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Filterzonen (3, 4) vorgesehen ist.
Apparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterzonen (3, 4) als Russpartikelfilter ausgebildet sind.
Apparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterzonen (3, 4) als umlaufende, mechanisch zu reinigende Filterscheibe (9) ausgebildet sind.
Apparat zur Erzeugung von Wasserstoff, umfassend einen Reaktor (1) zum thermischen Cracken eines Kohlenwasserstoffgases in einen mindestens aus Wasserstoff und Kohlenstoff bestehenden Produktgasstrom, dadurch gekennzeichnet, dass dein Reaktor (1) zur Abtrennung des Kohlenstoffes aus dem Produktgasstrom ein Elektrofilter (10) nachgeschaltet ist.
Apparat nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fördervorrichtung (11) vorgesehen ist, mittels derer der an der Filterscheibe (9) oder am Elektrofilter (10) anfallende Kohlenstoffstaub dem Gasbrenner (6) zuführbar ist.
Apparat nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rußfilter (2) zwischen dem Reaktor (1) und einer Brennstoffzelle (5) zur Umwandlung des Wasserstoffes in elektrische und thermische Energie angeordnet ist.