DE102009052069A1

DE102009052069A1 - Verfahren und Anordnung zur Erhöhung des Wirkungsgrades eines Dampfreformers für Brennstoffzellenheizgeräte

Info

Publication number: DE102009052069A1
Application number: DE102009052069A
Authority: DE
Inventors: Matthias Block; Christoph Hildebrandt
Original assignee: INHOUSE ENGINEERING GmbH
Current assignee: INHOUSE ENGINEERING GmbH
Priority date: 2009-11-05
Filing date: 2009-11-05
Publication date: 2011-05-12

Abstract

Verfahren und Anordnung zur Erhöhung des Wirkungsgrades eines Dampfreformers für Brennstoffzellenheizgeräte zur effizienten Erzeugung eines Wasserdampfstromes für einen Dampfreformer, bei dem der im Gesamtprozess vorhandene überschüssige Wasserdampf innerhalb verschiedener Prozessstufen ohne Phasenwechsel direkt von einem oder mehreren Ausgangsgasströmen in den Kohlenwasserstoff-Eduktgasstrom am Eingang des Dampfreformers zurückgeführt und die darin enthaltene Enthalpie genutzt wird und damit der Wirkungsgrad des Prozesses deutlich erhöht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Energierückgewinnung bei der Erzeugung und Umwandlung eines Wasserdampf-Kohlenwasserstoff-Eduktgas-Gemisches zur Beschickung eines Dampfreformers, welcher ein solches Gemisch in ein wasserstoffhaltiges Produktgas umsetzt, das in einer Brennstoffzelle zu Strom und Wärme umgesetzt wird.
Den Stand der Technik bei solchen Prozessen repräsentieren zum Beispiel die Patente DE 31 43 161 C2 bezüglich der Wärmerückgewinnung für den Verdampfungsprozess und DE 102 97 091 T5 für das Eindüsen von Wasser.
Dampfreformer, wie Sie zum Beispiel eingesetzt werden, um Brennstoffzellen mit Brennstoff zu versorgen. bestehen typischerweise aus einer Einrichtung zum Erzeugen von Wasserdampf und einer Einrichtung zum Erzeugen eines Gemisches aus einem gasförmigen Edukt aus Kohlenwasserstoff und Wasserdampf. Diese Einrichtungen können auch kombiniert ausgeführt sein. Des Weiteren bestehen Dampfreformer aus einem Reaktionsraum in dem die katalytische Umsetzung von Wasserdampf und Kohlenwasserstoff Eduktgas Gemisch zu einem wasserstoffreichen Reformat stattfindet. Diesem Reaktionsraum muss Wärmeenergie zugeführt werden, zum Beispiel in Form eines heißen Gasstromes aus einem Brenner. Häufig sind diesem Reaktionsraum noch weitere katalytische Reaktionsräume angeschlossen, in welchen der Wasserstoffgehalt des Produktgases oder Reformates aus dem Dampfreformer gesteigert werden soll. Die dabei stattfindenden Reaktionen sind zum Beispiel eine Kohlenmonoxid Shift-Reaktion, die den Kohlenmonoxid Anteil auf ein Minimum reduzieren soll oder die Remethanisierung oder die selektive Oxidation des Kohlenmonoxids.
Dampfreformer werden unter anderem als Brennstoffaufbereitungssysteme für Brennstoffzellenheizgeräte genutzt. Dampfreformer und Brennstoffzellenstacks werden zu kombinierten Strom- und Wärmeerzeugungsanlagen zusammengeschaltet. Geräte solcher Art sind wünschenswert, da sie nur geringe Mengen Schadstoffe emittieren, vom technologischen Ansatz her nur selten gewartet werden müssen und eine geringe Geräuschbelastung hervorrufen. Bei solchen Geräten ist vor allem ein hoher elektrischer Wirkungsgrad wünschenswert und erreichbar. Dazu müssen alle Teilprozesse, die in einem solchen Gerät ablaufen jedoch hoch effizient sein.
Nach dem Stand der Technik wird ein Wasserdampf-Kohlenwasserstoff Eduktgas Gemisch für Dampfreformer hergestellt, indem der gesamte für den Prozess notwendige Wasseranteil aus der flüssigen Phase durch Verdampfen in die gasförmige Phase gebracht wird. Dies kann wie in DE 102 97 091 T5 beschrieben durch Überhitzen des Brennstoffes und einer anschließenden Mischung mit dem flüssigen Wasser geschehen.
Eine andere Möglichkeit ist es, in einem separaten Boiler Wasserdampf herzustellen und diesen Dampf dem Kohlenwasserstoff-Eduktgasstrom beizumischen.
Zur Verdampfung von Wasser ist eine große Energiemenge erforderlich.
Die dazu nötige Energie reduziert maßgeblich den Wirkungsgrad eines Dampfreformers oder eines Brennstoffzellenheizgerätes in dem der Dampfreformer integriert ist.
In der Praxis werden Dampfreformer meist mit einem Gemisch aus Wasserdampf und Kohlenwasserstoff Eduktgas betrieben, das mehr als die stöchometrisch mindestens erforderliche Menge an Wasserdampf enthält.
Der Produktgasstrom eines Dampfreformers enthält daher noch überschüssigen Wasserdampf. Ebenso treten in der nachfolgenden Verarbeitungsstufe und aus der Brennstoffzellen-Kathode- und -Anode Abgasströme aus, die zusätzlich erhebliche Mengen an Wasserdampf enthalten können. Diese Wasserdampfanteile werden in bisherigen Dampfreformern für Brennstoffzellensysteme nur ungenügend in den Prozess reintegriert.
In DE 31 43 161 C2 ist eine Anordnung von Wärmetauschern beschrieben, durch die der Wasserdampf enthaltende Gasstrom unter seinen Taupunkt abgekühlt wird und diese Wärme genutzt wird, um das dabei anfallende Wasser wiederum in einem anderen Gasstrom zu verdampfen. Die Reintegration des vorhandenen Wasserdampfes nach diesem Prinzip erfordert einen energieaufwendigen Phasenwechsel.
Ein weiterer wesentlicher Nachteil eines solchen Verfahrens ist die durch Wärmeverluste auftretende Wirkungsgradminderung und der material- und kostentechnische Aufwand für die benötigten Komponenten.
Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Komponentenanordnung zur effizienten Erzeugung eines Wasserdampfstromes für einen Dampfreformer so bereitzustellen, dass im Gesamtprozess vorhandener überschüssiger Wasserdampf innerhalb verschiedener Prozessstufen ohne Phasenwechsel direkt von einem oder mehreren Ausgangsgasströmen in den Kohlenwasserstoff-Eduktgasstrom am Eingang des Dampfreformers zurückgeführt und die darin enthaltene Enthalpie genutzt wird und damit der Wirkungsgrad des Prozesses deutlich erhöht wird.
Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, den Wasserverbrauch und damit die Wasseraufbereitungsanlagen des Dampfreformers durch direkte Reintegration von Wasser in gasförmiger Phase stark zu reduzieren.
Diese Aufgaben werden durch den Gegenstand der Patentansprüche 1 und 2 gelöst. Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sowie deren Anwendung sind Gegenstand der weiteren aufgeführten Ansprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die gerätetechnische Anordnung der Komponenten umfassen die Stoffströme im Reformer und den nachgeschalteten Shiftstufen sowie in der nachgeschalteten Brennstoffzelle mit den Membran-Wasserdampftübertragern zur Reintegration von überschüssigem Wasserdampf in den Gaseingangsstrom des Edukt-Gasgemisches, wobei es sich bei den Membran-Wasserdampfübertragern oder kombinierten Stoff-Wärmeübertragern beispielsweise um Gas zu Gas Befeuchter handeln kann, bei denen die Dampfübertragung über Membranflächen oder über Bündel von Membranröhrchen erfolgt. Die Membranen können zum Beispiel aus Nafion oder PPSU gefertigt sein
Die Einbindung dieser zusätzlichen kombinierten Stoff-Wärmeübertrager in den Prozess kann überall dort erfolgen, wo genügend überschüssiger Wasserdampf im Prozessgasstrom vorhanden ist und auf den Kohlenwasserdampfstrom am Eingang des Reformers nach entsprechender Konditionierung übertragen werden kann. Die Effizienz der Dampfübertragung ergibt sich dabei aus den Kennlinien der jeweils ausgewählten Stoff-Wärmeübertrager.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels, das in dargestellt ist, näher erläutert.
Ein Kohlenwasserstoff-Gasstrom (1) wird über einen zusätzlichen Wärmetauscher (2) geführt und dort durch die Energie des Reformatgasstromes aus der Kohlenmonoxid Feinreinigungsstufe erwärmt. Der erwärmte Kohlenwasserstoff-Gasstrom wird danach durch einen kombinierten Stoff-Wärmeübertrager (4) geleitet und dort befeuchtet. Als Wasserdampf-Kohlenwasserstoff Eduktgas-Gemisch wird der Gasstrom dann zum Reformer geführt in dem der Reformierungsprozess stattfindet, bei dem aus Wasserdampf und gasförmigem Kohlenwasserstoff, wie zum Beispiel Erdgas, ein wasserstoffreiches Reformat mit einem Wasserstoffanteil von ca. 30 bis 75% hergestellt wird und als Produktgasstrom vom Dampfreformer zur nachgeschalteten Kohlenmonoxid-Shift-Reaktionsstufe (9) gelangt. Nach dieser ersten Reduzierung des schädlichen Kohlenmonoxids gelangt der Reformatgasstrom aus der Shift-Reaktionsstufe (10) in die Kohlenmonoxidfeinreinigungsstufe (11). Der heiße Reformatgasstrom aus der Kohlenmonoxidfeinreinigungsstufe (11) wird zum zusätzlichen Wärmetauscher (2) geführt, wo er den Kohlenwasserstoffstrom (1) erwärmt, wodurch sich der Energieinhalt dieses Gasstromes erhöht und außerdem die Fähigkeit steigt, Wasserdampf in der nächsten Stufe, dem kombinierten Stoff-Wärmeübertrager, aufzunehmen. In dem kombinierten Stoff-Wärmeübertrager gibt der abgekühlte Gasstrom einen Teil seines Wasserdampfes an den erwärmten Kohlenwasserstoffgasstrom ab und gelangt abgekühlt und teilweise entfeuchtet zur Anode der Brennstoffzelle (16).
Bezugszeichenliste

1: Kohlenwasserstoffgasstrom;
2: zusätzlicher Wärmetauscher;
3: Kohlenwasserstoffstrom erwärmt;
4: kombinierter Stoff-Wärmeübertrager;
5: Wasserdampf-Kohlenwasserstoff Eduktgas Gemisch;
6: Dampfreformer;
7: Brenner;
8: Produktgasstrom Dampfreformer;
9: Kohlenmonoxid Shift Reaktionsstufe;
10: Reformatgasstrom aus Shift Reaktionsstufe;
11: Kohlenmonoxid Feinreinigungsstufe;
12: Reformatgasstrom aus Kohlenmonoxid Feinreinigungsstufe;
13: abgekühlter und entfeuchteter Reformatgasstrom zur Verwendung in Brennstoffzelle geeignet;
14: Brennstoffzellen Anordnung;
15: Abgasstrom von Brenner;
16: Brennstoffzellen Anode;
17: Anoden Abgasstrom aus Brennstoffzellenanordnung;
18: Brennstoffzellen Kathode;
19: Kathoden Abgasstrom aus Brennstoffzellenanordnung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3143161 C2 [0002, 0011]
DE 10297091 T5 [0002, 0005]

Claims

Verfahren zur Rückgewinnung von Wasserdampf in einem Brennstoffzellenheizgerät oder Brennstoffzellen-Blockheizkraftwerk mit Steamreformer, dadurch gekennzeichnet, dass nach einzelnen Prozessstufen die feuchten Prozessgase primärseitig durch einen Wärme- und Wasserdampfübertrager auf Membranbasis geleitet werden und der überschüssige Wasserdampf aus den jeweiligen Prozessgasen auf den sekundärseitigen Eduktgasstrom für den Steamreformer übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Eduktgasstrom vor dem Eintritt in den Wärme- und Wasserdampfübertrager auf Membranbasis mittels eines zusätzlichen Wärmetauschers erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Wärme- und Wasserdampfübertrager auf Membranbasis primärseitig den Prozessgasstrom vor oder nach einer Kohlenmonoxid-Shift-Reaktionsstufe oder einer nachgeschalteten Kohlenmonoxid Feinreinigungsstufe aufnimmt und die Wärme und den Dampf auf das Eduktgas überträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Wärme- und Wasserdampfübertrager auf Membranbasis primärseitig den Prozessgasstrom von der Ausgangsseite der Kathode oder Anode eines Brennstoffzellenstacks aufnimmt und die Wärme und den Dampf auf das Eduktgas überträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Wärme- und Wasserdampfübertrager auf Membranbasis primärseitig den Abgasgasstrom nach dem Reformer aufnimmt und die Wärme und den Dampf auf das Eduktgas überträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlenwasserstoff-Eduktgas vor Eintritt in den Wasserdampfübertrager durch einen Produktgasstrom des Dampfrefomers oder einer nachgeschalteten Kohlenmonoxid-Shift-Reaktionsstufe oder einer nachgeschalteten Kohlenmonoxid Feinreinigungsstufe erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Wärme- und Wasserdampfübertrager wahlweise auf der einen Seite Eduktgas und auf der anderen Seite erwärmtes flüssiges Wasser zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Wasser vor Eintritt in den Wasserdampfübertrager durch Abwärme aus dem Abgas eines Brenners zur Beheizung des Refomers oder Abwärme aus einer anderen Prozessstufe im Brennstoffzellenheizgerät erwärmt wird.
Anordnung zur Rückgewinnung von Wasserdampf in einem Brennstoffzellenheizgerät oder Brennstoffzellen-Blockheiz-kraftwerk mit Steamreformer, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärme- und Wasserdampfübertrager auf Membranbasis, die eingangsseitig an verschiedenen Stellen des Prozesses angeordnet sind, wahlweise als Einzelgeräte oder als Mehrkammerwärmetauscher in einem Gehäuse zusammengefasst werden.