DE102011014824A1 - Multi-fuel pyrolysis system for generating electrical power for e.g. mobile device, has pyrolysis reactor which pyrolyzes liquid, gaseous hydrocarbon mixtures or gas mixtures, and diesel fuel by anaerobic catalytic reaction - Google Patents

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Dipl.-Ing. Szolak Robert
Dr. Susdorf Alexander
Dr. Aicher Thomas
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Abstract

A multi-fuel pyrolysis system (1) comprises pyrolysis reactor (21, 22) which pyrolyzes fuels chosen from oxygenated fuels e.g. alcohols, bioolen, biodiesel and pyrolyseolen, liquid, gaseous hydrocarbon mixtures or gas mixtures, preferably fuels e.g. diesel fuel by anaerobic catalytic reaction, and fuel cells(s) are connected downstream of the pyrolysis reactor. An independent claim is included for usage of multi-fuel pyrolysis system.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Pyrolysesystem, das einen Pyrolysereaktor umfasst, in dem ein Katalysator angeordnet ist. Diesem Pyrolysereaktor nachgeschaltet ist eine Brennstoffzelle, die mit einem vom Pyrolysereaktor erzeugten, Wasserstoffenthaltenden Gasgemisch versorgen und betrieben werden kann. Der Pyrolysereaktor ist dazu geeignet, aus einer breiten Varietät von Brennstoffen bzw. Kraftstoffen Wasserstoff-enthaltende Gasgemische zu erzeugen. Dabei wird der Pyrolysereaktor zweistufig betrieben, wobei sich ein anaerober katalytischer Pyrolyseschritt, bei dem aus den eingesetzten Brennstoffen ein Wasserstoff-haltiges Gas erzeugt wird, mit einem aeroben Regenerationsschritt des Katalysators abwechselt. Der Pyrolysereaktor wird somit bevorzugt intermittierend betrieben.The present invention relates to a pyrolysis system comprising a pyrolysis reactor in which a catalyst is arranged. Downstream of this pyrolysis reactor is a fuel cell, which can be supplied and operated with a hydrogen-containing gas mixture generated by the pyrolysis reactor. The pyrolysis reactor is capable of producing hydrogen-containing gas mixtures from a wide variety of fuels. In this case, the pyrolysis reactor is operated in two stages, with an anaerobic catalytic pyrolysis step, in which a hydrogen-containing gas is generated from the fuels used, alternating with an aerobic regeneration step of the catalyst. The pyrolysis reactor is thus preferably operated intermittently.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Pyrolysesystem anzugeben, mit dem auf einfache und kostengünstige Weise Wasserstoff-haltige Gasgemische erzeugt werden können, die sich in einer sich anschließenden Brennstoffzelle in elektrische Energie und/oder Warme umwandeln lassen können. Das System soll dabei möglichst kostengunstig sein, einen einfachen Aufbau aufweisen, ferner sollen die erzeugten Gase eine hohe Wasserstoffkonzentration aufweisen. Ebenso ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie und/oder Wärme anzugeben.The object of the present invention is to specify a pyrolysis system with which hydrogen-containing gas mixtures can be produced in a simple and cost-effective manner, which can be converted into electrical energy and / or heat in a subsequent fuel cell. The system should be as cost-effective as possible, have a simple structure, furthermore, the generated gases should have a high hydrogen concentration. It is also an object of the present invention to provide a method for generating electrical energy and / or heat.

Diese Aufgabe wird mit dem Pyrolysesystem gemäß Patentanspruch 1 sowie bezüglich des Verfahrens zur Erzeugung von elektrischer Energie und/oder Wärme mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelost. Anspruch 15 beschreibt Verwendungsmöglichkeiten. Die jeweiligen abhängigen Patentanspruche stellen dabei vorteilhafte Weiterbildungen dar.This object is achieved with the pyrolysis system according to claim 1 and with respect to the method for generating electrical energy and / or heat with the features of claim 9. Claim 15 describes possible uses. The respective dependent claims represent advantageous developments.

Erfindungsgemäß wird somit ein Multi-Fuel-Pyrolysesystem zur Erzeugung von elektrischer Energie und/oder Wärme für stationäre und mobile Anwendungen angegeben, das

  • a) mindestens einen Katalysator aufweisenden Pyrolysereaktor, der mittels anaerober katalytischer Pyrolyse von Brennstoffen, ausgewahlt aus der Gruppe bestehend aus flüssigen oder gasförmigen Kohlenwasserstoffen, sauerstoffhaltigen Brennstoffen (z. B. Alkoholen, Bioölen, Biodiesel, Pyrolyseölen), flüssigen oder gasförmigen Kohlenwasserstoffgemischen oder Gasgemischen, bevorzugt Kraftstoffen, insbesondere Dieselkraftstoff, die Herstellung eines Wasserstoff enthaltenden Gasgemisches und/oder eines Wasserstoff enthaltenden Gasgemisches mit Crackprodukten aus dem Brennstoff ermoglicht, wobei die anaerobe Katalyse intermittierend mit einer aeroben Regeneration des Katalysators durchgeführt wird, sowie
  • b) dem Pyrolysereaktor nachgeschaltet mindestens eine Brennstoffzelle, die mit dem von dem mindestens einen Pyrolysereaktor erzeugten Wasserstoff enthaltenden Gasgemisch betrieben wird,
umfasst.According to the invention thus a multi-fuel pyrolysis system for generating electrical energy and / or heat for stationary and mobile applications is specified, the
  • a) at least one catalyst-containing pyrolysis reactor obtained by anaerobic catalytic pyrolysis of fuels selected from the group consisting of liquid or gaseous hydrocarbons, oxygen-containing fuels (eg alcohols, bio-oils, biodiesel, pyrolysis oils), liquid or gaseous hydrocarbon mixtures or gas mixtures, preferably fuels, in particular diesel fuel, the production of a hydrogen-containing gas mixture and / or a hydrogen-containing gas mixture with cracking products from the fuel allows, wherein the anaerobic catalysis is carried out intermittently with an aerobic regeneration of the catalyst, and
  • b) downstream of the pyrolysis reactor, at least one fuel cell which is operated with the gas mixture containing hydrogen produced by the at least one pyrolysis reactor,
includes.

Das erfindungsgemaße Pyrolysesystem besteht somit im Wesentlichen aus zwei aneinander gereihten Bauteilen, nämlich einem Pyrolysereaktor sowie einer dem Pyrolysereaktor nachgeschalteten Brennstoffzelle. Der Pyrolysereaktor weist dabei einen Katalysator auf. Bei anaerobem Betrieb des Pyrolysereaktors wird mittels des Katalysators aus den eingesetzten Brennstoffen ein Wasserstoff enthaltendes Gasgemisch bzw. ein Gasgemisch mit Crackprodukten aus dem Brennstoff erzeugt. Bei diesem Schritt lagern sich kohlenstoffreichere Reste auf dem Katalysator ab, die nach einer gewissen Zeit wieder vom Katalysator entfernt werden müssen. Dies erfolgt durch einen aeroben Regenerationsschritt des Katalysators, während dessen Sauerstoff oder ein Sauerstoff-haltiges Gasgemisch mit dem Katalysator in Kontakt gebracht wird. Dabei erfolgt eine Umsetzung der kohlenstoffreichen Ablagerungen auf dem Katalysator zu Kohlenmonoxid bzw. Wasser-Gas-haltigen Gasgemischen. Durch einen derartigen Betrieb des Pyrolysereaktors ist eine vollständige Verwertung des eingesetzten Brennstoffs möglich.The inventive pyrolysis system thus consists essentially of two juxtaposed components, namely a pyrolysis reactor and a fuel cell downstream of the pyrolysis reactor. The pyrolysis reactor in this case has a catalyst. In anaerobic operation of the pyrolysis reactor, a hydrogen-containing gas mixture or a gas mixture with cracking products from the fuel is produced by means of the catalyst from the fuels used. In this step, carbon-rich residues are deposited on the catalyst, which must be removed from the catalyst after a certain time. This is done by an aerobic regeneration step of the catalyst during which oxygen or an oxygen-containing gas mixture is brought into contact with the catalyst. In this case, a conversion of the carbon-rich deposits on the catalyst to carbon monoxide or water-gas-containing gas mixtures. By such operation of the pyrolysis reactor, a complete utilization of the fuel used is possible.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Pyrolysereaktor ein Gehause, in dessen Inneren der Katalysator angeordnet ist, wobei der Katalysator einen Trager, der zumindest teilweise mit einer Legierung, enthaltend Eisen und Nickel, beschichtet ist, umfasst.In a preferred embodiment, the pyrolysis reactor comprises a housing in the interior of which the catalyst is arranged, wherein the catalyst comprises a support, which is at least partially coated with an alloy containing iron and nickel.

Ebenso ist es vorteilhaft, wenn das Pyrolysesystem mindestens eine Verbrennungsvorrichtung und/oder eine Vorrichtung, die durch katalytische Oxidation von Brennstoffen, Anodenoffgas aus der Brennstoffzelle und/oder mit Wasserstoff enthaltenden Gasgemischen aus dem Pyrolysereaktor und/oder aus dem durch aerober Regeneration des Katalysators erzeugten CO-haltigen Gases Wärme erzeugt, aufweist. Die hierbei erzeugte Warme kann beispielsweise zur Unterstützung der Verdampfung von Brennstoffen eingesetzt werden, jedoch ist es ebenso möglich, die anfallende Wärme extern als Nutzwärme zu verwenden. Für den ersten Fall ist es besonders bevorzugt, wenn die Verbrennungsvorrichtung bzw. die Vorrichtung, die durch katalytische Oxidation von Brennstoffen Warme erzeugt, in thermischer Wechselwirkung mit dem mindestens einen Pyrolysereaktor steht. Die Verbrennungsvorrichtung kann dem Pyrolysereaktor vor- oder nachgeschaltet sein, es ist jedoch auch möglich, die Verbrennungsvorrichtung in den Pyrolysereaktor zu integrieren, so dass eine bauliche Einheit zwischen Pyrolysereaktor und Verbrennungsvorrichtung gegeben ist.It is likewise advantageous if the pyrolysis system comprises at least one combustion device and / or device which is produced by catalytic oxidation of fuels, anode off-gas from the fuel cell and / or hydrogen-containing gas mixtures from the pyrolysis reactor and / or from CO generated by aerobic regeneration of the catalyst -containing gas generates heat. The heat generated in this case can be used for example to support the evaporation of fuels, but it is also possible to use the heat generated externally as useful heat. For the first case, it is particularly preferred if the combustion device or the device passing through catalytic oxidation of fuels produces heat, in thermal interaction with the at least one pyrolysis reactor. The combustion device may be upstream or downstream of the pyrolysis reactor, but it is also possible to integrate the combustion device into the pyrolysis reactor so that a structural unit is provided between the pyrolysis reactor and the combustion device.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der mindestens einen Verbrennungsvorrichtung und/oder Vorrichtung, die durch katalytische Oxidation Wärme erzeugt, ein Wärmeübertrager und/oder Wärmespeicher nachgeschaltet, der die Wärme z. B. in ein Heizungssystem übertragen kann. Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere dann, wenn aus dem Pyrolysesystem Nutzwarme in ein externes System, wie beispielsweise ein Heizungssystem, ausgetragen werden soll. Die entstehende Wärme kann jedoch auch z. T. oder vollstandig dazu genutzt werden, flüssige Kraftstoffe zu verdampfen oder Kraftstoffe vor Einspeisung in die Pyrolysereaktoren vorzuwärmen.In a further advantageous embodiment of the at least one combustion device and / or device which generates heat by catalytic oxidation, a heat exchanger and / or heat storage connected downstream of the heat z. B. can be transferred to a heating system. This embodiment is particularly suitable when the heat is to be discharged from the pyrolysis system into an external system, such as a heating system. However, the resulting heat can also z. T. or completely used to vaporize liquid fuels or preheat fuels before feeding into the pyrolysis.

Die Effizienz des Pyrolysesystems kann weiter gesteigert werden, wenn zwischen dem mindestens einen Pyrolysereaktor und der mindestens einen nachgeschalteten Brennstoffzelle eine Membran zur Separierung von Kohlenwasserstoffgasen und Wasserstoffgas angeordnet ist. Die Kohlenwasserstoffgase können somit aus den aus dem Pyrolysesystem austretenden Gasen abgetrennt werden und beispielsweise erneut dem Pyrolysereaktor zugefuhrt werden. Somit wird eine Brennstoffzelle fast ausschließlich mit (fast) reinem Wasserstoff versorgt, so dass zum einen ein möglichst hoher Wirkungsgrad der Brennstoffzelle gewährleistet ist und zum anderen keine Abfallprodukte, wie beispielsweise unverwertbare Kohlenwasserstoffgase, verloren gehen.The efficiency of the pyrolysis system can be further increased if a membrane for separating hydrocarbon gases and hydrogen gas is arranged between the at least one pyrolysis reactor and the at least one downstream fuel cell. The hydrocarbon gases can thus be separated from the gases leaving the pyrolysis system and fed, for example, again to the pyrolysis reactor. Thus, a fuel cell is almost exclusively supplied with (almost) pure hydrogen, so that on the one hand the highest possible efficiency of the fuel cell is ensured and, on the other hand, no waste products, such as, for example, unusable hydrocarbon gases, are lost.

Zusätzlich oder alternativ hierzu ist es ebenso bevorzugt, wenn der Anodenraum der Brennstoffzelle über eine Gasrückführung für das Anodenoffgas in den Pyrolysereaktor verfügt. Da auch im Anodenoffgas u. U. noch Kohlenwasserstoffe bzw. Wasserstoffgas vorhanden sein können, ist es bevorzugt, dieses Anodenoffgas in den Pyrolysereaktor und/oder die Verbrennungsvorrichtung rückzuführen, so dass gegebenenfalls hier noch vorhandene nutzbare Brennstoffe bzw. Brennstofffragmente erneut einem Pyrolyseverfahren unterzogen oder in der Verbrennungsvorrichtung thermisch verwertet werden können.Additionally or alternatively, it is also preferred if the anode compartment of the fuel cell has a gas return for the anode offgas in the pyrolysis reactor. Since also in the anode offgas u. U. still hydrocarbons or hydrogen gas may be present, it is preferable to recirculate this anode exhaust gas into the pyrolysis reactor and / or the combustion device, so that optionally still present usable fuels or fuel fragments can be subjected to a pyrolysis or thermally recovered in the combustion device ,

Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die Gasrückführung des Anodenoffgases aktiv erfolgt. Bei dieser Ausführungsform verfugt die Gasrückführung über eine Pumpe, mit der das Gas aus dem Anodenraum der Brennstoffzelle abgesaugt und dem Pyrolysesystem zugeführt werden kann. Hierzu eignet sich jede aus dem Stand der Technik bekannte Gaspumpe, die beispielsweise aktiv betrieben werden kann. Ganz besonders bevorzugt jedoch sind Strahlpumpen, die auf dem Venturi-Prinzip basieren. Diese Pumpen können passiv betrieben werden, so dass kein externer Energieeintrag zum Betreiben dieser Pumpen nötig ist. Beispielsweise kann die Pumpe durch den Strom des Brennstoffes, der dem Reaktor zugefuhrt wird, betrieben werden. Der durch den Strom des Brennstoffes in der Venturi-Düse der Strahlpumpe entstehende Unterdruck kann dazu genutzt werden, das Anodenoffgas aus dem Anodenraum der Brennstoffzelle abzusaugen und dieses zusammen mit dem Strom des Brennstoffes, der in den Pyrolysereaktor aufgegeben wird, dem Pyrolysereaktor zuzuführen. Besonders bevorzugt ist es, wenn gasförmige Brennstoffe in den Reaktor aufgegeben werden, wie beispielsweise Propan. In diesem Fall ist beispielsweise der Druck des Propans im Propan-Reservoire, beispielsweise einer Propanflasche und das Massenverhaltnis zwischen Anodenoffgas und dem Propanstrom, ausreichend, um eine Strahlpumpe zuverlassig zu betreiben. Dieses Massenverhältnis ist in alternativen Verfahren zur Wasserstoffproduktion so nicht gegeben.A preferred embodiment of the present invention provides that the gas recirculation of the anode off-gas takes place actively. In this embodiment, the gas recirculation has a pump, with which the gas can be sucked from the anode compartment of the fuel cell and fed to the pyrolysis system. For this purpose, any known from the prior art gas pump, which can be actively operated for example. Very particularly preferred, however, are jet pumps based on the Venturi principle. These pumps can be operated passively, so that no external energy input for operating these pumps is necessary. For example, the pump may be operated by the flow of fuel supplied to the reactor. The negative pressure created by the flow of fuel in the venturi of the jet pump can be used to draw the anode off-gas from the anode compartment of the fuel cell and feed it to the pyrolysis reactor along with the flow of fuel fed into the pyrolysis reactor. It is particularly preferred if gaseous fuels are introduced into the reactor, for example propane. In this case, for example, the pressure of the propane in the propane reservoir, for example, a propane cylinder and the mass ratio between anode exhaust gas and the propane stream, is sufficient to reliably operate a jet pump. This mass ratio is not given in alternative methods for hydrogen production.

Bevorzugte Ausgestaltungen des Katalysators sehen vor, dass das molare Verhältnis zwischen Eisen und Nickel zwischen 3:1 und 1:5, bevorzugt zwischen 1:2 und 1:4, insbesondere zwischen 1:2,8 und 1:3,2 betragt.Preferred embodiments of the catalyst provide that the molar ratio between iron and nickel is between 3: 1 and 1: 5, preferably between 1: 2 and 1: 4, in particular between 1: 2.8 and 1: 3.2.

Weiter vorteilhaft hierbei ist, wenn der Gesamtgehalt an Nickel und Eisen, bezogen auf den Träger zwischen 0,5 und 15 Gew.-%, bevorzugt zwischen 1 und 10 Gew.-%, besonders bevorzugt zwischen 2,5 und 7,5 Gew.-% beträgt.Further advantageous here is when the total content of nickel and iron, based on the carrier between 0.5 and 15 wt .-%, preferably between 1 and 10 wt .-%, particularly preferably between 2.5 and 7.5 wt. -% is.

Insbesondere ist das Material des Tragers ausgewahlt aus der Gruppe bestehend aus keramischen Materialien, insbesondere Siliciumdioxid, Siliciumcarbid, Aluminiumoxid, Silikaten, insbesondere Alumosilikaten, Zeolithen, Cordierit und/oder Metallen.In particular, the material of the carrier is selected from the group consisting of ceramic materials, in particular silicon dioxide, silicon carbide, aluminum oxide, silicates, in particular aluminosilicates, zeolites, cordierite and / or metals.

Ebenso ist es vorteilhaft, wenn der Katalysator in Form eines Pulvers, eines Granulates, einer Wabe, eines Schaumes, eines Netzes oder eines Bleches vorliegt.It is likewise advantageous if the catalyst is present in the form of a powder, a granulate, a honeycomb, a foam, a mesh or a sheet.

Bevorzugte Membranen, die zwischen Pyrolysereaktor und Brennstoffzelle angeordnet sein können, sind dabei aus Materialien gebildet, die Werkstoffe ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus keramischen Werkstoffen, Metallen sowie Metalllegierungen, insbesondere PdAg- und/oder PdCu-Legierungen, umfassen. Preferred membranes which can be arranged between pyrolysis reactor and fuel cell are formed from materials which comprise materials selected from the group consisting of ceramic materials, metals and metal alloys, in particular PdAg and / or PdCu alloys.

Erfindungsgemaß können verschiedene Brennstoffzelltypen bevorzugt verwendet werden. Insbesondere kommen hierbei eine Hochtemperature-Polyelektrolytmembran (HT-PEM)-Brennstoffzelle, eine Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran (NT-PEM) Brennstoffzelle, eine Festoxidbrennstoffzelle (solid oxide fuel cell, SOFC), eine Schmelzcarbonatbrennstoffzelle (molten carbonate fuel cell, MCFC) oder eine alkalische Brennstoffzelle (alkaline fuel cell, AFC) in Frage.According to the invention, various types of fuel cell can be preferably used. In particular, a high-temperature polyelectrolyte membrane (HT-PEM) fuel cell, a low-temperature polymer electrolyte membrane (NT-PEM) fuel cell, a solid oxide fuel cell (SOFC), a molten carbonate fuel cell (MCFC) or an alkaline Fuel cell (alkaline fuel cell, AFC) in question.

Erfindungsgemaß wird ebenso ein Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie und/oder Warme mit einem voranstehend beschriebenen Pyrolysesystem angegeben. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird mittels des mindestens einen Pyrolysereaktors durch anaerobe katalytische Pyrolyse aus Brennstoffen ein Wasserstoff enthaltendes Gasgemisch und/oder ein Wasserstoff enthaltendes Gasgemisch mit Crackprodukten erzeugt, das Gasgemisch in die mindestens eine Brennstoffzelle aufgegeben und in elektrische Energie und/oder Wärme umgesetzt.According to the invention, a method for generating electrical energy and / or heat with a pyrolysis system described above is also specified. In the method according to the invention, by means of the at least one pyrolysis reactor by anaerobic catalytic pyrolysis of fuels, a hydrogen-containing gas mixture and / or a hydrogen-containing gas mixture is produced with cracking products, the gas mixture is introduced into the at least one fuel cell and converted into electrical energy and / or heat.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass das Pyrolysesystem einen Pyrolysereaktor aufweist, der intermittierend in anaerober katalytischer Pyrolyse und aerober Regeneration betrieben wird, wobei das wahrend der anaeroben katalytischen Pyrolyse entstehende Wasserstoff enthaltende Gasgemisch und/oder Wasserstoff enthaltende Gasgemisch mit Crackprodukten in die mindestens eine Brennstoffzelle aufgegeben und in elektrische Energie und/oder Wärme umgesetzt wird.A preferred embodiment of the method provides that the pyrolysis system has a pyrolysis reactor, which is operated intermittently in anaerobic catalytic pyrolysis and aerobic regeneration, wherein the gas mixture formed during the anaerobic catalytic pyrolysis hydrogen-containing gas mixture and / or hydrogen containing cracking products in the at least one Fuel cell is abandoned and converted into electrical energy and / or heat.

Durch die im Voranstehenden beschriebene Betriebsweise können zusätzlich Materialkosten eingespart werden. Dadurch kann ein sehr kostengünstiges System realisiert werden.By the operation described in the foregoing, additional material costs can be saved. This allows a very cost-effective system can be realized.

In einer ebenso bevorzugten alternativen Ausfuhrungsform weist das Pyrolysesystem mindestens zwei Pyrolysereaktoren auf, die so im Wechselbetrieb betrieben werden, dass eine kontinuierliche Erzeugung von Wasserstoff enthaltenden Gasgemischen und/oder Wasserstoff enthaltenden Gasgemischen mit Crackprodukten gewährleistet ist, die kontinuierlich in die mindestens eine Brennstoffzelle aufgegeben und in elektrische Energie und/oder Wärme umgesetzt werden.In a likewise preferred alternative embodiment, the pyrolysis system has at least two pyrolysis reactors which are operated in alternating operation so as to ensure continuous production of hydrogen-containing gas mixtures and / or hydrogen-containing gas mixtures with cracked products which are continuously introduced into the at least one fuel cell and introduced into electrical energy and / or heat are converted.

Weiter ist es vorteilhaft, wenn das Pyrolysesystem über eine zwischen dem mindestens einen Pyrolysereaktor und der mindestens einen Brennstoffzelle angeordnete Membran zur Separierung von Kohlenwasserstoffen und Wasserstoffgas verfugt, wobei der durch die Membran abgetrennte Wasserstoff in die mindestens eine Brennstoffzelle eingespeist und die Kohlenwasserstoffe in den mindestens einen Pyrolysereaktor rückgeführt werden. Durch eine derartige Maßnahme kann der Wirkungsgrad deutlich gesteigert werden.Furthermore, it is advantageous if the pyrolysis system has a membrane arranged between the at least one pyrolysis reactor and the at least one fuel cell for separating hydrocarbons and hydrogen gas, wherein the hydrogen separated by the membrane is fed into the at least one fuel cell and the hydrocarbons are introduced into the at least one Pyrolysis reactor are recycled. By such a measure, the efficiency can be significantly increased.

Ebenso ist es bevorzugt, wenn das Anodenoffgas der Anode der mindestens einen Brennstoffzelle in den mindestens einen Pyrolysereaktor ruckgeführt wird. Auch hierdurch lässt sich der Wirkungsgrad deutlich steigern.It is likewise preferred if the anode offgas of the anode of the at least one fuel cell is returned to the at least one pyrolysis reactor. This also makes it possible to significantly increase the efficiency.

Für den Fall, dass das Pyrolysesystem über eine Verbrennungsvorrichtung und/oder mindestens eine katalytische Oxidationsvorrichtung verfügt, ist es bevorzugt, wenn diese zumindest zeitweise zumindest während der Dauer des anaeroben katalytischen Pyrolysebetriebs des mindestens einen Pyrolysereaktor Warme erzeugt, wobei die Wärme durch thermische Wechselwirkung auf den mindestens einen Pyrolysereaktor übertragen wird.In the event that the pyrolysis system has a combustion device and / or at least one catalytic oxidation device, it is preferred if it generates heat at least temporarily during the duration of the anaerobic catalytic pyrolysis operation of the at least one pyrolysis reactor, the heat being transferred to the surface by thermal interaction at least one pyrolysis reactor is transmitted.

Erfindungsgemäß werden ebenso Verwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Pyrolysesystems angegeben. Diese sind:

  • – Kraft-Warme-Kopplung
  • – Kraft-Warme-Kalte-Kopplung
  • – Herstellung synthetischer Kraftstoffe
  • – Abgasnachbehandlung
  • – Mobile Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie (bspw. als Ladegerät fur Batterien im Camping- und Freizeitbereich, in Automobilen und Yachten, etc.)
  • – Bordstromversorgung von Kraftfahrzeugen (APU's)
  • – Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV)
  • – Notstromversorgung in Hutten, Hausern, Kliniken, etc.
According to the invention, uses of the pyrolysis system according to the invention are also indicated. These are:
  • - power-heat-coupling
  • - Power-warm-cold-coupling
  • - manufacture of synthetic fuels
  • - Exhaust gas aftertreatment
  • - Mobile device for generating electrical energy (eg. As a charger for batteries in the camping and leisure, in automobiles and yachts, etc.)
  • - On-board power supply of motor vehicles (APU's)
  • - Uninterruptible power supply (UPS)
  • - Emergency power supply in hatches, houses, clinics, etc.

Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungsformen näher erläutert, ohne die vorliegende Erfindung auf die dort dargestellten besonderen Parameter und Ausführungen zu beschränken. The present invention will be explained in more detail with reference to the following embodiments, without limiting the present invention to the particular parameters and embodiments shown there.

Bei der Pyrolyse werden Kohlenwasserstoffe thermochemisch bei Temperaturen zwischen 500 und 1000°C gespalten. Bei der Spaltung entsteht fester Kohlenstoff und ein Produktgas, das, je nach Brennstoff und Reaktionsbedingung, eine hohe Wasserstoffkonzentration enthält. Die Zersetzung erfolgt ohne Zugabe von Sauerstoff oder anderen Reaktionspartnern, sondern ausschließlich unter der Einwirkung von Wärme. Die Zersetzung der dabei entstehenden Gase ist stark druck- und temperaturabhangig. 1 zeigt das thermodynamische Gleichgewicht am Beispiel von Propan bei verschiedenen Temperaturen. Bei Umgebungsdruck und Temperaturen > 900°C kann das Produktgas bis zu 98% Wasserstoff enthalten. Bei höherem Betriebsdruck (10 bar) sinkt die Wasserstoffkonzentration auf < 90%. Unabhängig von den Betriebsparametern und dem eingesetzten Medium enthält das Produktgas Methan. Der Restmethangehalt ist abhängig vom Betriebsdruck und von der Betriebstemperatur.In pyrolysis hydrocarbons are thermochemically cleaved at temperatures between 500 and 1000 ° C. The decomposition produces solid carbon and a product gas which, depending on the fuel and the reaction condition, contains a high concentration of hydrogen. The decomposition takes place without the addition of oxygen or other reactants, but only under the action of heat. The decomposition of the resulting gases is highly dependent on pressure and temperature. 1 shows the thermodynamic equilibrium on the example of propane at different temperatures. At ambient pressure and temperatures> 900 ° C, the product gas may contain up to 98% hydrogen. At higher operating pressure (10 bar), the hydrogen concentration drops to <90%. Regardless of the operating parameters and the medium used, the product gas contains methane. The residual methane content depends on the operating pressure and the operating temperature.

2 zeigt schematisch die Funktionsweise eines erfindungsgemäßen Pyrolysesystems 1. Dargestellt sind zwei Pyrolysereaktoren 21 und 22, die im dargestellten Fall mit Luft bzw. Propan versorgt werden konnen. In 2(1) wird der Pyrolysereaktor 21 mit Propan versorgt und pyrolysiert dieses dabei zu Wasserstoffgas-haltigem Pyrolysegas. Während der Pyrolysereaktor 21 pyrolysiert, wird gleichzeitig der Pyrolysereaktor 22 regeneriert, indem ein Sauerstoff-haltiges Gas, in diesem Fall Luft, in den Pyrolysereaktor 22 aufgegeben wird. Dabei entsteht ein CO- und/oder CO2-haltiges Abgas. Nicht dargestellt ist die dem Pyrolysesystem nachgeschaltete Brennstoffzelle. 2 shows schematically the operation of a pyrolysis system according to the invention 1 , Shown are two pyrolysis reactors 21 and 22 , which can be supplied with air or propane in the case shown. In 2 (1) becomes the pyrolysis reactor 21 supplied with propane and pyrolyzed this case to hydrogen gas-containing pyrolysis gas. During the pyrolysis reactor 21 pyrolyzed, simultaneously becomes the pyrolysis reactor 22 regenerated by adding an oxygen-containing gas, in this case air, to the pyrolysis reactor 22 is abandoned. This produces a CO and / or CO 2 -containing exhaust gas. Not shown is the pyrolysis system downstream fuel cell.

In 2(2) wird die Betriebsweise der Pyrolysereaktoren 21, 22 im Vergleich zur in 2(1) dargestellten Betriebsweise umgekehrt, d. h. der Pyrolysereaktor 21 wird mit Luft versorgt, während in den Pyrolysereaktor 22 Propan aufgegeben wird. Beide Pyrolysereaktoren 21 und 22 sind jedoch baugleich. Durch Abwechseln der dargestellten Betriebsweise wird somit intermittierend ein Pyrolysereaktor 21, 22 in einem Pyrolyseschritt (anaerober Schritt) sowie einem aeroben Regenerationsschritt betrieben.In 2 (2) becomes the mode of operation of the pyrolysis reactors 21 . 22 compared to in 2 (1) shown in reverse, ie the pyrolysis reactor 21 is supplied with air while in the pyrolysis reactor 22 Propane is given up. Both pyrolysis reactors 21 and 22 but are identical. By alternation of the illustrated operation thus intermittently a pyrolysis reactor 21 . 22 operated in a pyrolysis step (anaerobic step) and an aerobic regeneration step.

Während den zuvor angegebenen einzelnen Verfahrensschritten, d. h. Pyrolyse bzw. Regenration, laufen dabei im Wesentlichen die im nachfolgenden erläuterten Reaktionen ab:
Wahrend der Pyrolyse wird beispielsweise Propan katalytisch zu Wasserstoff, Methan und Kohlenstoff zersetzt. Der produzierte Kohlenstoff setzt sich am Katalysator ab und muss in einem zweiten Schritt mit Luft abgebrannt werden. Fur einen kontinuierlichen, wasserstoffreichen Gasvolumenstrom werden deshalb z. B. zwei Reaktoren 21, 22 benötigt, die im Wechsel pyrolysieren und regenerieren (wie in 2 dargestellt). Es können jedoch auch mehr als zwei Reaktoren gemäß dem in 2 dargestellten Prinzip parallel betrieben werden.
During the above-mentioned individual process steps, ie pyrolysis or regeneration, essentially the reactions explained in the following proceed:
For example, during pyrolysis, propane is catalytically decomposed to hydrogen, methane, and carbon. The produced carbon settles on the catalyst and has to be burned off with air in a second step. For a continuous, hydrogen-rich gas flow therefore z. B. two reactors 21 . 22 which alternately pyrolyze and regenerate (as in 2 shown). However, more than two reactors according to the in 2 shown principle operated in parallel.

Der Katalysator liegt nach der Regenerierung als Metalloxid vor und ist in diesem Zustand nicht aktiv. Der Katalysator wird zu Beginn der Pyrolyse reduziert.The catalyst is present as a metal oxide after regeneration and is not active in this state. The catalyst is reduced at the beginning of the pyrolysis.

3 zeigt den qualitativen zeitlichen Verlauf eines Pyrolysezyklus mit Propan. Zu Beginn der Pyrolyse wird der Katalysator durch das Propan und dann durch den gebildeten Wasserstoff und Kohlenmonoxid reduziert. Der während der Regenerierung gespeicherte Sauerstoff wird in Form von CO und CO2 aus dem Reaktor ausgetragen. Wenn der Katalysator reduziert ist, sinken die CO- und CO2-Konzentrationen und die Wasserstoffkonzentration steigt weiter an. 3 shows the qualitative time course of a pyrolysis cycle with propane. At the beginning of the pyrolysis, the catalyst is reduced by the propane and then by the hydrogen and carbon monoxide formed. The stored oxygen during the regeneration is discharged from the reactor in the form of CO and CO 2 . When the catalyst is reduced, the CO and CO 2 concentrations decrease and the hydrogen concentration continues to increase.

Zu Beginn der Pyrolyse wird der Katalysator reduziert (siehe CO- und CO2-peak). Das Absinken des CO und CO2 signalisiert das Ende der Reduzierung.At the beginning of the pyrolysis, the catalyst is reduced (see CO and CO 2 peak). The drop in CO and CO 2 signals the end of the reduction.

Wenn das Produktgas während der Pyrolyse in Brennstoffzellen (beispielsweise in NT-PEM-(Niedertemperatur-Polymer-Elektrolyt-Membran) oder HT-PEM (Hochtemperatur-Polymer-Elektrolyt-Membran)-Brennstoffzellen) genutzt werden soll, muss der CO-Peak zu Beginn der Pyrolyse abgepuffert werden. Zudem kann auch am Umschaltpunkt eine hohe Wasserstoffkonzentration erreicht werden (siehe 4). Der Regenerationszyklus muss dabei immer kurzer sein als der Pyrolysezyklus. Der Reaktor muss dann mit einem hohen Luftstrom regeneriert werden. Das Abbrennen des Kohlenstoffs ist exotherm, dadurch steigen die Temperaturen im Reaktor stark an. Die ständig wechselnden Betriebsbedingungen und die bei der Regenerierung auftretenden, hohen Temperaturen (> 950°C) stellen eine große Herausforderung für den Katalysator dar.If the product gas during pyrolysis in fuel cells (for example, in NT-PEM (low-temperature polymer electrolyte membrane) or HT-PEM (high-temperature polymer electrolyte membrane) fuel cells) should be used, the CO peak to Beginning of the pyrolysis be buffered. In addition, a high hydrogen concentration can also be achieved at the switching point (see 4 ). The regeneration cycle must always be shorter than the pyrolysis cycle. The reactor must then be regenerated with a high air flow. The burning off of the carbon is exothermic, as a result of which the temperatures in the reactor rise sharply. The constantly changing operating conditions and the high temperatures (> 950 ° C) occurring during regeneration pose a major challenge for the catalytic converter.

Es gibt gegenwärtig keinen kommerziell verfügbaren Katalysator, der für ein Pyrolysesystem geeignet ist. Der erfindungsgemäß eingesetzte Katalysator ist jedoch thermisch langzeitstabil. Bei der Entwicklung des Katalysators wurde auf teure Edelmetalle verzichtet, als aktive Komponente wurde deshalb eine Nickellegierung eingesetzt, die auf einem Siliziumdioxidträger aufgebracht wurde. Die Zusammensetzung der aktiven Komponente, die Präparationsmethode und der Trager haben einen großen Einfluss auf die Gaszusammensetzung und die Stabilitat des Katalysators.There is currently no commercially available catalyst suitable for a pyrolysis system. However, the catalyst used in the invention is thermally stable over time. In the development of the catalyst was dispensed expensive precious metals, as an active component was therefore a Nickel alloy applied, which was applied to a silica carrier. The composition of the active component, the preparation method and the carrier have a great influence on the gas composition and the stability of the catalyst.

Im Folgenden werden beispielhaft die Herstellung und die Zusammensetzung des Katalysators beschrieben, der mit einer großen Bandbreite an Einsatzstoffen betrieben werden kann.The following describes by way of example the preparation and the composition of the catalyst which can be operated with a wide range of starting materials.

Als Träger des Katalysators wird SiO2 mit einer geringen Oberfläche (Trager von Alfa Aesar, low surface) eingesetzt. Die aktiven Komponenten des Katalysators sind Fe und Ni. Das molare Verhaltnis zwischen Fe und Ni ist 1/3. Der Katalysator wurde wie folgt hergestellt (Angaben beziehen sich auf die Beschichtung von 500 g SiO2).

  • • Herstellung einer Losung aus:
  • – 60,88 g Ni(NO3)2 × 6H2O
  • – 28,15 g Fe(NO3)3 × 9H2O
  • – 88 g Zitronensaure
  • – aufgefüllt mit 53,6 g H2O
  • • Imprägnierung des SiO2-Trägers mit der Losung
  • • Trocknung
  • – 2 Tage bei 25°C
  • – 1 Tag bei 88°C
  • – 10 Stunden bei 100–120°C
  • • Kalzinierung
  • – 4 Stunden bei 600°C
As a carrier of the catalyst SiO 2 is used with a low surface area (carrier of Alfa Aesar, low surface). The active components of the catalyst are Fe and Ni. The molar ratio between Fe and Ni is 1/3. The catalyst was prepared as follows (data refer to the coating of 500 g of SiO 2 ).
  • • Production of a solution from:
  • 60.88 g of Ni (NO 3 ) 2 .6H 2 O
  • 28.15 g of Fe (NO 3 ) 3 .9H 2 O
  • - 88 g of citric acid
  • - filled with 53.6 g H 2 O.
  • • Impregnation of the SiO 2 carrier with the solution
  • • drying
  • - 2 days at 25 ° C
  • - 1 day at 88 ° C
  • - 10 hours at 100-120 ° C
  • • Calcination
  • - 4 hours at 600 ° C

4 zeigt die Gaszusammensetzung wahrend der Pyrolyse in einem Zwei-Reaktor-System, wie dies z. B. in 2 dargestellt ist. Die beiden Pyrolysereaktoren pyrolysieren und regenerieren dabei vollautomatisch im Wechsel. Die Wasserstoffkonzentration ist dabei immer > 80 Vol.-% und die Kohlenmonoxidkonzentration immer < 1 Vol.-%. Das Produktgas kann ohne Gasreinigung direkt in einer HT-PEM-Brennstoffzelle verstromt werden. 4 shows the gas composition during pyrolysis in a two-reactor system, such as. In 2 is shown. The two pyrolysis reactors pyrolyze and regenerate fully automatically alternately. The hydrogen concentration is always> 80% by volume and the carbon monoxide concentration always <1% by volume. The product gas can be converted into electricity directly in an HT-PEM fuel cell without gas purification.

Die Pyrolysetemperatur ist in beiden Reaktoren 750°C. Die Pyrolysezeit betragt jeweils 10 Minuten. Die Wasserstoffkonzentration (rechte Ordinate) ist auch am Umschaltpunkt großer 80 Vol.-%. Die Kohlenmonoxidkonzentration (linke Ordinate) ist dabei immer kleiner 0,6 Vol.-%.The pyrolysis temperature is 750 ° C in both reactors. The pyrolysis time is 10 minutes each. The hydrogen concentration (right ordinate) is also at the switching point large 80 vol .-%. The carbon monoxide concentration (left ordinate) is always less than 0.6% by volume.

Das erfindungsgemaße Pyrolysesystem wurde bereits mit vielen Brenn- und Kraftstoffen erfolgreich getestet. Die Versuche haben gezeigt, dass das entwickelte Pyrolysesystem „Multi-Fuel-tauglich” ist. Dadurch sind viele Einsatz- und Anwendungsmöglichkeiten denkbar (siehe z. B. Schema in 5). Die Anwendungsmoglichkeiten werden im Weiteren ausfuhrlich beschrieben.The novel pyrolysis system has already been successfully tested with many fuels and fuels. The tests have shown that the developed pyrolysis system is "multi-fuel suitable". As a result, many application and application options are conceivable (see, for example, Scheme in 5 ). The possible applications are described in detail below.

Mit dem erfindungsgemaßen Pyrolysesystem ist es erstmals moglich, verschiedene Brenn- oder Kraftstoffe in einem System in ein wasserstoffreiches Produktgas oder ein Synthesegas umzuwandeln. Die Zusammensetzung des Produktgases wird vom eingesetzten Brenn- und Kraftstoff bestimmt. Gasförmige und flüssigen Brenn- und Kraftstoffe, die keine Sauerstoffverbindungen enthalten, können im Pyrolysesystem in ein wasserstoffreiches Produktgas umgewandelt werden. Die Pyrolyse bietet im stationären sowie im mobilen Bereich eine Alternative zu den herkömmlichen Reformierverfahren (Autotherme Reformierung (ATR), Dampfreformierung (SRF), partielle Oxidation (CPox)).With the novel pyrolysis system, it is possible for the first time to convert various fuels or fuels in a system into a hydrogen-rich product gas or a synthesis gas. The composition of the product gas is determined by the fuel and fuel used. Gaseous and liquid fuels that contain no oxygen compounds can be converted into a hydrogen-rich product gas in the pyrolysis system. Pyrolysis offers an alternative to conventional reforming processes in the stationary and mobile sectors (Autothermal reforming (ATR), steam reforming (SRF), partial oxidation (CP ox )).

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Pyrolysesystems sind dabei insbesondere

  • • kostengünstiger Katalysator (keine Edelmetalle),
  • • einfacher Aufbau,
  • • Fur die Pyrolyse wird kein Wasser benötigt. Es entfallen Komponenten, wie Dl-Wasserpatrone, Wasserpumpe, etc.
  • • kein Biofilm in Rohrleitungen nach längeren Stillstandzeiten,
  • • hohe Wasserstoffkonzentration (Gaszusammensetzung basierend auf Experimenten mit Propan bei 1,2 bar und 700°C): H2 > 80 Vol.-%, CO < 1 Vol.-%, Rest Methan),
  • • keine Gasreinigung erforderlich; das Produktgas kann direkt in eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle geleitet und verstromt werden;
  • • Das Pyrolysesystem kann durch eine Gasfeinreinigung erweitert werden, dadurch kann das Produktgas in eine Niedertemperaturbrennstoffzelle geleitet werden. Geeignete Gasfeinreinigung: Methanisierung.
  • • Die Gaszusammensetzung der Pyrolyse bietet Vorteile bei der Gasfeinreinigung mittels Methanisierung. Da das Pyrolysegas nur geringe Mengen an CO2 enthält (< 0,5 Vol.-%), treten Folgereaktionen (CO2-Methanisierung) nur im sehr geringen Umfang auf, dadurch kann auf eine aufwandige Temperaturregelung verzichtet werden (zum Vergleich: CO2-Gehalt bei der Reformierung > 10 Vol.-%).
  • • Bei der Verbrennung des Methans im Brennstoffzellenabgas (CH4-Konzentration bis 20 Vol.-%, ist in der Brennstoffzelle inert und kann deshalb nicht direkt in Strom und Wärme umgesetzt werden) entsteht sehr viel Warme. Die Pyrolyse ist deshalb sehr gut für stationäre KWK-Anwendungen einsetzbar.
  • • Die überschussige Warme kann zudem zur Nutzung von stationaren KWKK(Kraft-Warme-Kalte-Kopplung)-Anwendungen eingesetzt werden.
The advantages of the pyrolysis system according to the invention are in particular
  • • inexpensive catalyst (not precious metals),
  • • easy construction,
  • • No water is needed for the pyrolysis. It accounts for components such as DI water cartridge, water pump, etc.
  • • no biofilm in pipelines after prolonged downtime,
  • High hydrogen concentration (gas composition based on experiments with propane at 1.2 bar and 700 ° C.): H 2 > 80% by volume, CO <1% by volume, balance methane),
  • • no gas cleaning required; the product gas can be passed directly into a high-temperature fuel cell and converted into electricity;
  • • The pyrolysis system can be extended by a gas fine cleaning, thereby the product gas can be led into a low-temperature fuel cell. Suitable gas fine cleaning: methanation.
  • • The gas composition of pyrolysis offers advantages in gas purification by means of methanation. Since the pyrolysis contains only small amounts of CO 2 (<0.5 vol .-%), follow-up reactions (CO 2 methanation) occur only to a very small extent, this can be dispensed with an expensive temperature control (for comparison: CO 2 Content during reforming> 10% by volume).
  • • In the combustion of methane in the fuel cell exhaust gas (CH 4 concentration to 20 vol .-%, is inert in the fuel cell and therefore can not be directly converted into electricity and heat) is very much warm. Pyrolysis is therefore very suitable for stationary CHP applications.
  • • The excess heat can also be used for the use of stationary CHP (power-heat-cold-coupling) applications.

Beispiel 1example 1

Methan-Pyrolyse (2 Reaktoren) mit Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzelle zur stationären KWK(Kraft-Wärme-Kopplung)-AnwendungMethane pyrolysis (2 reactors) with high-temperature PEM fuel cell for stationary CHP (combined heat and power) application

6 zeigt ein Methan-Pyrolysesystem 1 mit Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzelle 3 zur Erzeugung von Strom und Wärme. Das Pyrolysesystem 1 wurde fur 6 kWth (thermische Energie) sowie 1,3 kWel (elektrische Energie) ausgelegt. Das Pyrolysesystem 1 beinhaltet zwei Reaktoren 21, 22, die im Wechsel pyrolysieren und regenerieren sowie eine Brennstoffzelle 3. Die intermittierende Betriebsweise der beiden Reaktoren 21, 22 ist in 6 links bzw. rechts dargestellt, wobei die unterschiedlichen Betriebsweisen der beiden Reaktoren 21, 22 widergegeben sind. Die Wärme kann z. B. in einem Warmespeicher gepuffert werden. Das Pyrolysesystem 1 weist zudem eine Verbrennungsvorrichtung 4 auf. Zudem verfügt der Anodenraum 31 der Brennstoffzelle 3 uber eine Gasrückführung 32, uber die Anodenoffgas in die Verbrennungsvorrichtung 4 rückgeführt werden kann. Es ist jedoch auch möglich, das Anodenoffgas in den Pyrolysereaktor 21 oder 22 ruckzuführen. Wie aus 6 ersichtlich ist, kann dem Brenner sowohl das Anodenoffgas aus der Anodenoffgasrückführung 32, als auch CO-reiches Gas nach der Regenerierung, beispielsweise aus dem Reaktor 22, zugeführt und verbrannt werden. Die dabei entstehende Wärme wird in das System eingekoppelt, beispielsweise dem Wärmespeicher 5 (Warmwasserspeicher) zugeführt. 6 shows a methane pyrolysis system 1 with high-temperature PEM fuel cell 3 for the production of electricity and heat. The pyrolysis system 1 was designed for 6 kW th (thermal energy) and 1.3 kW el (electrical energy). The pyrolysis system 1 includes two reactors 21 . 22 , which alternately pyrolyze and regenerate, as well as a fuel cell 3 , The intermittent operation of the two reactors 21 . 22 is in 6 shown left and right, with the different modes of operation of the two reactors 21 . 22 are reflected. The heat can z. B. be buffered in a hot storage. The pyrolysis system 1 also has a combustion device 4 on. In addition, the anode compartment has 31 the fuel cell 3 via a gas recirculation 32 , via the anode offgas into the combustion device 4 can be returned. However, it is also possible for the anode offgas to be in the pyrolysis reactor 21 or 22 jerk out. How out 6 can be seen, the burner, both the anode offgas from the anode gas recycle 32 , as well as CO-rich gas after regeneration, for example, from the reactor 22 , fed and burned. The resulting heat is coupled into the system, such as the heat storage 5 (Hot water tank) supplied.

Vorteile:Advantages:

  • • einfacher Aufbau, im Vergleich zu gängigen Reformierverfahren werden weniger Komponenten benotigt; hierdurch können Kosten eingespart werden.• simple construction, fewer components are needed compared to conventional reforming; This can save costs.
  • • geringerer Regelaufwand (im Vergleich zu den Reformierverfahren) auf Grund der einfachen Stromführung;• lower control effort (compared to the reforming process) due to the simple power supply;
  • • Einsatz von Standardgasbrennern möglich. Der Brenner muss nicht, wie bei der Reformierung, für mehrere Betriebszustande (1. stationärer Betrieb: Schwachgas, hoher Inertanteil, 2. Start: Betrieb mit reinem Brennstoff) ausgelegt werden.• Use of standard gas burners possible. The burner does not have to be designed for several operating conditions (1st stationary operation: low gas, high inert content, 2nd start: operation with pure fuel), as in the case of reforming.

Beispiel 2Example 2

Methan-Pyrolyse (1 Reaktor) mit Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzelle zur stationären KWK(Kraft-Wärme-Kopplung)-AnwendungMethane pyrolysis (1 reactor) with high-temperature PEM fuel cell for stationary CHP (combined heat and power) application

Das in 7 dargestellte Pyrolysesystem 1 kann so ausgelegt werden, dass kontinuierlich Wärme erzeugt wird und intermittierend Strom. Hierfür kann das Pyrolysesystem auf einen Reaktor 1 reduziert werden. Das Gesamtsystem 1 kann, im Vergleich zum Betrieb mit zwei Reaktoren, nochmals deutlich vereinfacht werden. Es kann sehr gut in bestehende Heizungssysteme integriert werden, in denen primär Wärme erzeugt wird. Der zudem gewonnene Strom kann in das Stromnetz eingespeist werden (stromerzeugende Heizung). Das Pyrolysesystem 1 weist zudem eine Verbrennungsvorrichtung 4 auf. Zudem verfügt der Anodenraum 31 der Brennstoffzelle 3 über eine Gasrückführung 32, über die Anodenoffgas in die Verbrennungsvorrichtung 4 rückgeführt werden kann. Es ist jedoch auch moglich, das Anodenoffgas in den Pyrolysereaktor 21 oder 22 rückzuführen.This in 7 illustrated pyrolysis system 1 can be designed to continuously generate heat and intermittently generate electricity. For this purpose, the pyrolysis system can be applied to a reactor 1 be reduced. The overall system 1 can be significantly simplified compared to operation with two reactors. It can be very well integrated into existing heating systems where heat is primarily generated. The additional electricity can be fed into the power grid (electricity generating heating). The pyrolysis system 1 also has a combustion device 4 on. In addition, the anode compartment has 31 the fuel cell 3 via a gas recirculation 32 , via the anode offgas into the combustion device 4 can be returned. However, it is also possible for the anode offgas to be in the pyrolysis reactor 21 or 22 recirculate.

Vorteile: Advantages:

  • • Das System kann im Vergleich zu dem in 6 gezeigten System nochmals stark vereinfacht werden; es werden weniger Komponenten benotigt (Warmeübertrager, Ventile, Sensoren, etc.).• The system can be compared to the one in 6 shown system again greatly simplified; fewer components are required (heat exchanger, valves, sensors, etc.).
  • • einfache Integration in bestehende Heizungssysteme;• easy integration into existing heating systems;
  • • kein Wasser und keine Gasreinigung notwendig;• no water and no gas cleaning necessary;
  • • Das System kann leicht hoch- und herunterskaliert werden.• The system can be easily scaled up and down.

Das Pyrolysesystem erzeugt durch den relativ hohen Methangehalt (ca. 20 Vol.-%) sehr viel Wärme. Durch die erfindungsgemäße Modifizierung können hohere elektrische Wirkungsgrade erzielt werden.The pyrolysis system generates a lot of heat due to the relatively high methane content (about 20% by volume). By means of the modification according to the invention, higher electrical efficiencies can be achieved.

Der Wirkungsgrad eines Propan-Pyrolyse-Systems 1 kann durch das Nachschalten eines Membranreaktors verbessert werden (siehe 8). Ein großer Teil des Wasserstoffs (Permeat) wird von einer Membran 6 abgetrennt und zur Brennstoffzelle 3 geleitet. Das Methan und der Restwasserstoff (Retentat) werden wieder in den Pyrolysereaktor 21 geleitet. Dadurch benötigt das System 1 bei gleicher Wasserstoffleistung (Eintritt Brennstoffzelle 3) weniger Propan, der Wirkungsgrad kann dadurch deutlich gesteigert werden.The efficiency of a propane pyrolysis system 1 can be improved by the downstream of a membrane reactor (see 8th ). A large part of the hydrogen (permeate) is from a membrane 6 separated and to the fuel cell 3 directed. The methane and the residual hydrogen (retentate) are returned to the pyrolysis reactor 21 directed. This requires the system 1 at the same hydrogen power (fuel cell inlet 3 ) less propane, the efficiency can be significantly increased.

Zusätzlich verfugt die Gasrückführung uber eine Strahlpumpe 7, die beispielsweise eine Venturi-Düse sein kann. Die Strahlpumpe kann ebenso mit dem Pyrolysereaktor zugeführten Propangas betrieben werden (nicht dargestellt), so dass das Retentat zuverlässig dem Pyrolysereaktor zur erneuten Pyrolyse zugeführt werden kann.In addition, the gas recirculation has a jet pump 7 which may be, for example, a Venturi nozzle. The jet pump can also be operated with the pyrolysis reactor supplied propane gas (not shown), so that the retentate can be reliably fed to the pyrolysis reactor for re-pyrolysis.

Vorteile:Advantages:

  • • Der elektrische Wirkungsgrad kann im Vergleich zur „klassischen” Pyrolyse mit 2 Reaktoren deutlich gesteigert werden:• The electrical efficiency can be significantly increased compared to the "classic" pyrolysis with 2 reactors:
  • – Wirkungsgradsteigerung (el.) um ca. 7–8%- Increased efficiency (el.) By approx. 7-8%
  • – Wirkungsgrad vergleichbar mit ATR6 - Efficiency comparable to ATR 6
  • • Die Brennstoffzelle wird mit reinem Wasserstoff betrieben. Der Einsatz von nahezu allen Brennstoffzellentypen ist möglich.• The fuel cell is powered by pure hydrogen. The use of nearly all fuel cell types is possible.
  • • Zur Einsparung der Verdichterleistung kann eine Strahlpumpe eingesetzt werden. Für den Fall, dass z. B. Flüssiggas als Brennstoff verwendet wird, reicht der Flaschendruck aus, um den zurückgefuhrten Volumenstrom aus der Membran auf den Betriebsdruck zu verdichten und diesen dem Pyrolysereaktor zuzuführen.• A jet pump can be used to save compressor performance. In the event that z. B. LPG is used as a fuel, the bottle pressure is sufficient to compress the recirculated volume flow from the membrane to the operating pressure and supply them to the pyrolysis reactor.

Durch die Rückführung des Restmethans in den Pyrolyseprozess kann der elektrische Wirkungsgrad deutlich gesteigert werden. Eine weitere Möglichkeit zur Vereinfachung des Systems ist die Ruckführung des Anodenoffgases. Diese Moglichkeit ist als Alternative zu 8 in 9 dargestellt.The return of the residual methane in the pyrolysis process, the electrical efficiency can be significantly increased. Another way to simplify the system is to return the anode off-gas. This possibility is as an alternative to 8th in 9 shown.

Vorteil:Advantage:

Es kann auf einen teuren Membranreaktor verzichtet werden.It can be dispensed with an expensive membrane reactor.

Die Pyrolyse kann ebenfalls für mobile Anwendungen eingesetzt werden, beispielsweise als Ladegerät im Bereich Freizeit und Camping (siehe 10). Das System sollte somit nach den folgenden Kriterien auszulegen sein:

  • • Das System muss vor allem kostengunstig sein.
  • • einfaches System, keine aufwändigen Regelstrategien etc. -> passive Kuhlung;
  • • robust;
  • • außentauglich, unempfindlich gegenüber Umgebungseinflüssen.
The pyrolysis can also be used for mobile applications, such as a charger in the leisure and camping (see 10 ). The system should therefore be designed according to the following criteria:
  • • The system must be cost-effective.
  • • simple system, no elaborate control strategies etc. -> passive cooling;
  • • robust;
  • • suitable for outdoor use, insensitive to environmental influences.

10 zeigt ein Fließbild eines Propan-Pyrolysesystems 1 fur mobile Anwendungen. Der Pyrolysereaktor 21 wird so ausgelegt, dass über einen definierten Zeitpunkt Wasserstoff und daraus Strom produziert werden kann. Der Strom kann dann beispielsweise zum Laden einer Batterie oder direkt als Stromversorgung fur diverse Verbraucher dienen. 10 shows a flow diagram of a propane-pyrolysis system 1 for mobile applications. The pyrolysis reactor 21 is designed so that hydrogen and electricity can be produced over a defined time. The power can then serve, for example, for charging a battery or directly as a power supply for various consumers.

Das Pyrolysesystem beinhaltet keine aufwändigen Regelstrategien, der Propanstrom wird auf einen festen Wert eingestellt. Die maximale Pyrolysedauer wird über das Katalysatorvolumen eingestellt.The pyrolysis system does not involve complex control strategies, the propane flow is set to a fixed value. The maximum pyrolysis time is set over the catalyst volume.

11 zeigt exemplarisch die Gaszusammensetzung wahrend einer Propan-Pyrolyse mit einem in 10 dargestellten Pyrolysesystem. Die Pyrolyse konnte für zwei Stunden stabil betrieben werden, die Wasserstoffkonzentration sinkt bis 80 Vol.-%. Die Methankonzentration steigt auf 20 Vol.-%. Die CO-Konzentration sinkt nach der Reduzierung (Beginn Pyrolyse) auf 100 ppm. 11 shows by way of example the gas composition during a propane pyrolysis with an in 10 illustrated pyrolysis system. The pyrolysis could be operated stably for two hours, the Hydrogen concentration drops to 80% by volume. The methane concentration increases to 20 vol .-%. The CO concentration decreases after the reduction (onset of pyrolysis) to 100 ppm.

Das Produktgas kann ohne Gasreinigung in eine HT-PEM-Brennstoffzelle geleitet und verstromt werden. Durch den Einbau eines Methanisierungskatalysators kann die CO-Konzentration auf < 20 ppmv gesenkt werden und danach sogar in eine NT-PEM-Brennstoffzelle geleitet und verstromt werden. Der Methanisierungskatalysator kann leicht in einen Warmeübertrager integriert werden. Da das Produktgas nur eine geringe Menge an CO2 enthält, kann auf eine aufwändige Temperierung der Methanisierungsstufe verzichtet werden. Die Eintrittstemperatur muss nicht, wie bei den Reformierverfahren, genau eingestellt werden, da der Katalysator in diesem Fall nicht sehr selektiv sein muss.The product gas can be passed into an HT-PEM fuel cell without gas purification and converted into electricity. By incorporating a methanation catalyst, the CO concentration can be reduced to <20 ppmv and then even passed into an NT-PEM fuel cell and converted into electricity. The methanation catalyst can be easily integrated into a heat exchanger. Since the product gas contains only a small amount of CO 2 , can be dispensed with a complex temperature of the methanation. The inlet temperature does not have to be precisely adjusted, as in the reforming process, since the catalyst does not have to be very selective in this case.

Für das Pyrolysesystem kann über einen handelsüblichen, einfachen Brenner aufgeheizt werden. Hierfur ist ein Laborbrenner ausreichend, der die Verbrennungsluft selbst ansaugt. Im stationaren Betrieb (Pyrolyse) wird das Anodenoffgas der Brennstoffzelle in einen Oxidationskatalysator geleitet, der die Reaktionswärme für den Pyrolysereaktor bereitstellt. Nach Beendigung der Pyrolyse wird der Reaktor über einen Luftstrom regeneriert. Das Regenerationsgas kann noch CO enthalten, das Abgas wird nach der Regenerierung in den Oxidationskatalysator geleitet. Dort wird das CO mit der zugeführten Luft zu CO2 oxidiert. Zudem wird der Pyrolysereaktor auf Temperatur gehalten, nach der Regenerierung kann direkt wieder mit der Pyrolyse begonnen werden.For the pyrolysis system can be heated by a standard, simple burner. For this purpose, a laboratory burner is sufficient, which sucks the combustion air itself. In steady state operation (pyrolysis), the anode off gas of the fuel cell is directed into an oxidation catalyst which provides the heat of reaction for the pyrolysis reactor. After completion of the pyrolysis, the reactor is regenerated via an air stream. The regeneration gas may still contain CO, the exhaust gas is passed after the regeneration in the oxidation catalyst. There, the CO is oxidized with the supplied air to CO 2 . In addition, the pyrolysis reactor is kept at temperature, after the regeneration can be restarted directly with the pyrolysis.

Vorteile:Advantages:

  • • einfacher Aufbau;• easy construction;
  • • keine aufwandigen Regelstrategien, passive Kühlung, keine Warmeintegration notwendig (beispielsweise Verdampfung von Wasser etc.), fest eingestellter Propanstrom;• no elaborate control strategies, passive cooling, no heat integration necessary (for example, evaporation of water, etc.), fixed propane flow;
  • • alle Katalysatoren, Pyrolyse, Oxidationskatalysator und Methanisierung beinhalten keine Edelmetalle -> kostengünstig;• all catalysts, pyrolysis, oxidation catalyst and methanation do not contain precious metals -> cost effective;
  • • Verfahrenstechnische Komponenten können im Vergleich zur Reformierung auf ein Minimum beschrankt werden.• Process components can be kept to a minimum compared to reforming.
  • • Es hat sich gezeigt, dass die Materialkosten im Vergleich zu einem ATR-System um bis zu 60% gesenkt werden können.• It has been shown that material costs can be reduced by up to 60% compared to an ATR system.

12 zeigt eine Skizze des Pyrolysereaktors 2 inkl. Startbrenner 4, Oxidationskatalysator 7 zur Bereitstellung der endothermen Reaktionswarme und optional die Methanisierung 8 zur Reduzierung des CO auf < 20 ppm. 12 shows a sketch of the pyrolysis reactor 2 including start burner 4 , Oxidation catalyst 7 for providing the endothermic reaction heat and optionally the methanation 8th to reduce the CO to <20 ppm.

Der Pyrolysereaktor 21 weist dabei einen integrierten Startbrenner 4 auf und ist konzentrisch um diesen Brenner 4 aufgebaut. Direkt um den Brennerraum schließt sich der Pyrolysekatalysator 7 an; weiter außen ist ein Oxidationskatalysator 7a ausgebildet.The pyrolysis reactor 21 has an integrated start burner 4 up and concentric around this burner 4 built up. Directly around the burner chamber, the pyrolysis closes 7 at; further outside is an oxidation catalyst 7a educated.

Das Pyrolysesystem kann sehr einfach aufgebaut werden, die einzelnen Segmente bestehen aus konzentrischen Rohren. Die Methanisierung 8 kann in den Warmeübertrager, beispielsweise Rohrwendel, integriert werden. Denkbar ist ebenfalls ein planares System, welches in Stapelbauweise hochskalierbar ist.The pyrolysis system can be very simple, the individual segments consist of concentric tubes. The methanation 8th can be integrated into the heat exchanger, such as coiled tubing. Also conceivable is a planar system, which is hochskalierbar in stack construction.

Biogas, sauerstoffhaltige Brenn- und Kraftstoffe sowie Produktgase nach Brennstoffverdampfern, die beispielsweise mittels partieller Oxidation die Wärme für den Verdampfungsprozess bereitstellen, können im Pyrolysereaktor zu einem Synthesegas umgesetzt werden.Biogas, oxygen-containing fuels and fuel gases and product gases after fuel evaporators, which provide the heat for the evaporation process, for example by means of partial oxidation, can be converted in the pyrolysis reactor to a synthesis gas.

Die Pyrolyse von Biogas und die Pyrolyse von vorverdampften Brenn- und Kraftstoffen ist ohne weiteres möglich. Im Pyrolysereaktor werden diese Einsatzstoffe zu einem Synthesegas umgewandelt.The pyrolysis of biogas and the pyrolysis of pre-evaporated fuels and fuels is readily possible. In the pyrolysis reactor, these feedstocks are converted to a synthesis gas.

Die Versuche wurden mit verdampftem Dieselkraftstoff sowie mit synthetischen Biogasgemischen (Variation Anteil CH4/CO2) durchgeführt. Der Methangehalt im Biogas liegt zwischen 45 und 70 Vol.-% und der Anteil an Kohlendioxid zwischen 25 und 55 Vol.-%. Die Gaszusammensetzung hangt von diversen Parametern, wie Substratzusammensetzung und Betriebsweise des Faulbehälters, ab.The experiments were carried out with vaporized diesel fuel and with synthetic biogas mixtures (variation proportion CH 4 / CO 2 ). The methane content in the biogas is between 45 and 70 vol .-% and the proportion of carbon dioxide between 25 and 55 vol .-%. The gas composition depends on various parameters, such as substrate composition and operation of the digester.

In 13 sind der Temperaturverlauf und die Gaszusammensetzung wahrend der Pyrolyse und anschließender Regenerierung von einem synthetischen Biogasgemisch (75 Vol.-% CH4 und 25 Vol.-% CO2) zu sehen. Die Wasserstoffkonzentration steigt während der Pyrolyse auf > 60 Vol.-% an. Der Methangehalt sinkt auf 15 Vol.-% und der Kohlenmonoxidgehalt steigt auf ca. 20 Vol.-%. Das im Biogas enthaltene Kohlendioxid reagiert mit dem angelagerten Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid (Boudouard-Gleichgewicht). Dadurch können langere Pyrolysezeiten erreicht werden. Im Vergleich zur Propanpyrolyse konnte die Pyrolysezeit mit Biogas bei konstantem Volumenstrom verdoppelt werden. Wie in 13 zu sehen ist, verkurzt sich durch die Boudouard-Reaktion auch die Regenerationszeit.In 13 the temperature profile and the gas composition during the pyrolysis and subsequent regeneration of a synthetic biogas mixture (75 vol .-% CH 4 and 25 vol .-% CO 2 ) can be seen. The hydrogen concentration increases during pyrolysis to> 60 vol .-%. The methane content drops to 15 vol .-% and the carbon monoxide content rises to about 20 vol .-%. The carbon dioxide contained in the biogas reacts with the attached carbon to carbon monoxide (Boudouard equilibrium). As a result, longer pyrolysis times can be achieved. Compared to propane pyrolysis, the pyrolysis time could be doubled with biogas at a constant volume flow. As in 13 can be seen, the regeneration time is shortened by the Boudouard reaction.

Das Produktgas kann nach der Pyrolyse direkt in eine Hochtemperaturbrennstoffzelle (Solid Oxide Fuel Cell (SOFC), Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)) geleitet und verstromt werden. Der Pyrolysereaktor kann zudem als Vorreformer für den Einsatz in MCFC's oder SOFC's eingesetzt werden. Für den Einsatz in HT-PEM- oder NT-PEM-Brennstoffzellen muss dem Pyrolysereaktor eine Gasreinigung bzw. Gasfeinreinigung nachgeschalten werden.After pyrolysis, the product gas can be passed directly into a solid oxide fuel cell (SOFC), Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) and converted into electricity. The pyrolysis reactor can also be used as a pre-reformer for use in MCFC's or SOFC's. For use in HT-PEM or NT-PEM fuel cells, the pyrolysis reactor must be followed by a gas cleaning or gas fine cleaning.

Vorteile:Advantages:

  • • hohe Wasserstoffkonzentration;High hydrogen concentration;
  • • kostengünstiger Katalysator (keine Edelmetalle);• inexpensive catalyst (not precious metals);
  • • einfacher Aufbau;• easy construction;
  • • Für die Pyrolyse wird kein Wasser benötigt. Es entfallen Komponenten, wie Dl-Wasserpatrone, Wasserpumpe, etc.;• No water is needed for the pyrolysis. It accounts for components such as DI water cartridge, water pump, etc .;
  • • kein Biofilm in Rohrleitungen nach längeren Stillstandzeiten;• no biofilm in piping after prolonged downtime;
  • • Das Produktgas kann direkt in eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle (SOFC, MCFC) geleitet und verstromt werden.• The product gas can be fed directly into a high-temperature fuel cell (SOFC, MCFC) and converted into electricity.

Lignocellulosehaltige Biomasse kann in einem Vergaser zu einem Synthesegas umgesetzt werden. Die Gaszusammensetzung hängt stark vom Vergasertyp ab.Lignocellulose-containing biomass can be converted into a synthesis gas in a gasifier. The gas composition is highly dependent on the type of gasifier.

Tabelle 1 zeigt die Gaszusammensetzung von unterschiedlichen Vergasungsprozessen. Tabelle 1 Low Temperature Atm. Steam Blown Fluidized Bed Gasifier Low Temperature Press Oxygen Blown Fluidized Bed Gasifier High Temperature Press Oxygen Blown Entrained Flow Gasifier H2 % 35–45 23–28 29–35 CO % 22–25 16–19 35–44 CO2 % 20–23 33–38 17–22 CH4 % 9–11 10–13 < 1 N2 % < 1 < 5 < 5

  • 1) Daten eines Güssing-FICFB-Vergasers
  • 2) Daten eines Bioflow-Vergasers
  • 3) mehrere Daten von CHOREN und FZ Karlsruhe
Table 1 shows the gas composition of different gasification processes. Table 1 Low Temperature Atm. Steam Blown Fluidized Bed Gasifier Low Temperature Press Oxygen Blown Fluidized Bed Gasifier High Temperature Press Oxygen Blown Entrained Flow Gasifier H 2 % 35-45 23-28 29-35 CO % 22-25 16-19 35-44 CO 2 % 20-23 33-38 17-22 CH 4 % 9-11 10-13 <1 N 2 % <1 <5 <5
  • 1) Data from a Güssing FICFB carburetor
  • 2) Bioflow carburettor data
  • 3) several data from CHOREN and FZ Karlsruhe

Das Holzgas nach dem Biomassevergaser enthält, je nach Vergasungsprozess, bis zu 13 Vol.-% Methan. Das Methan kann in einem nachfolgenden Pyrolysereaktor zu H2 und C umgesetzt werden. Das im Holzgas enthaltene CO2 reagiert mit dem angelagerten C zu CO (Boudouard-Gleichgewicht). Dadurch kann die Pyrolysezeit deutlich verlängert werden.The wood gas after the biomass gasifier contains, depending on the gasification process, up to 13 vol .-% methane. The methane can be converted to H 2 and C in a subsequent pyrolysis reactor. The CO 2 contained in the wood gas reacts with the attached C to CO (Boudouard equilibrium). As a result, the pyrolysis time can be significantly extended.

Die Gaszusammensetzung wird stark von der Temperatur beeinflusst. In 14 ist das thermodynamische Gleichgewicht bei der Pyrolyse von Holzgas in Abhangigkeit von der Temperatur dargestellt. Die Simulation wurde bei 1 bar durchgeführt, das Holzgas am Eintritt des Pyrolysereaktors hat die Zusammensetzung: H2: 45 Vol.-%, CO: 25 Vol.-%, CO2: 20 Vol.-%, CH4: 10 Vol.-% und entspricht der Gaszusammensetzung nach dem Biomassevergaser von Güssing (siehe Tabelle 1).The gas composition is strongly influenced by the temperature. In 14 is the thermodynamic equilibrium shown in the pyrolysis of wood gas as a function of temperature. The simulation was carried out at 1 bar, the wood gas at the inlet of the pyrolysis reactor has the composition: H 2 : 45 vol.%, CO: 25 vol.%, CO 2 : 20 vol.%, CH 4 : 10 vol. -% and corresponds to the gas composition according to the biomass gasifier from Güssing (see Table 1).

Die CH4- und die CO2-Konzentration nehmen mit steigender Temperatur ab. Gleichzeitig steigen die H2- und CO-Konzentrationen an. Mit einem nachfolgenden Pyrolysereaktor konnen die H2- und CO-Konzentrationen erhoht werden.The CH 4 and CO 2 concentrations decrease with increasing temperature. At the same time, the H 2 and CO concentrations increase. With a subsequent pyrolysis reactor, the H 2 and CO concentrations can be increased.

Das Synthesegas kann u. a. fur die Produktion von synthetischen Kraftstoffen eingesetzt werden. Gerade die Generierung von flüssigen Kraftstoffen bietet auf Grund der guten Speicherbarkeit Vorteile. Das Synthesegas kann beispielweise uber die Fischer-Tropsch-Synthese zu flüssigen Kraftstoffen umgesetzt werden. Andere Möglichkeiten sind die Methanolsynthese oder die DME-Synthese (siehe 15).The synthesis gas can be used, among other things, for the production of synthetic fuels. Especially the generation of liquid fuels offers advantages due to the good storability. For example, the synthesis gas can be converted to liquid fuels via the Fischer-Tropsch synthesis. Other possibilities include methanol synthesis or DME synthesis (see 15 ).

Durch den Pyrolysereaktor kann die H2- und CO-Konzentration erhoht werden und somit die Ausbeute an flüssigen Kraftstoffen. Zudem kann das Verhaltnis an CO und H2 über die Reaktionsbedingungen im Pyrolysereaktor, Temperatur und Druck, verändert werden. Zudem kann das Holzgas mit verschiedenen Brennstoffen, wie beispielsweise Propan, Ethanol, Biogas, gemischt werden, dadurch kann das H2/CO-Verhältnis an die benotigte Kraftstoffherstellung angepasst werden.Through the pyrolysis reactor, the H 2 - and CO concentration can be increased and thus the yield of liquid fuels. In addition, the ratio of CO and H 2 on the reaction conditions in the pyrolysis reactor, temperature and pressure, can be changed. In addition, the wood gas can be mixed with various fuels, such as propane, ethanol, biogas, thereby the H 2 / CO ratio can be adapted to the required fuel production.

Claims (15)

Multi-Fuel Pyrolysesystem (1) zur Erzeugung von elektrischer Energie und/oder Wärme für stationäre und mobile Anwendungen, umfassend a) mindestens einen Katalysator aufweisenden Pyrolysereaktor (21, 22), der mittels anaerober katalytischer Pyrolyse von Brennstoffen, ausgewahlt aus der Gruppe bestehend aus flüssigen oder gasformigen Kohlenwasserstoffen, sauerstoffhaltigen Brennstoffen (z. B. Alkoholen, Bioolen, Biodiesel, Pyrolyseolen), flüssigen oder gasformigen Kohlenwasserstoffgemischen oder Gasgemischen, bevorzugt Kraftstoffen, insbesondere Dieselkraftstoff, die Herstellung eines Wasserstoff enthaltenden Gasgemisches und/oder eines Wasserstoff enthaltenden Gasgemisches mit Crackprodukten aus dem Brennstoff ermöglicht, wobei die anaerobe Katalyse intermittierend mit einer aeroben Regeneration des Katalysators durchgeführt wird, sowie b) dem Pyrolysereaktor nachgeschaltet mindestens eine Brennstoffzelle (3), die mit dem von dem mindestens einen Pyrolysereaktor erzeugten Wasserstoff enthaltenden Gasgemisch betrieben wird.Multi-fuel pyrolysis system ( 1 ) for the production of electrical energy and / or heat for stationary and mobile applications, comprising a) at least one catalyst-containing pyrolysis reactor ( 21 . 22 ) obtained by means of anaerobic catalytic pyrolysis of fuels selected from the group consisting of liquid or gaseous hydrocarbons, oxygen-containing fuels (eg alcohols, biools, biodiesel, pyrolysis oils), liquid or gaseous hydrocarbon mixtures or gas mixtures, preferably fuels, in particular diesel fuel, the production of a hydrogen-containing gas mixture and / or a hydrogen-containing gas mixture with cracked products from the fuel, wherein the anaerobic catalysis is performed intermittently with an aerobic regeneration of the catalyst, and b) downstream of the pyrolysis reactor at least one fuel cell ( 3 ) operated by the gas mixture produced by the at least one pyrolysis reactor. Pyrolysesystem (1) nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass a) der mindestens eine Pyrolysereaktor (21, 22) ein Gehäuse umfasst, in dessen Inneren der Katalysator angeordnet ist, wobei der Katalysator einen Träger, der zumindest teilweise mit einer Legierung, enthaltend Eisen und Nickel, beschichtet ist, umfasst, b) das Pyrolysesystem (1) mindestens eine Verbrennungsvorrichtung (4) und/oder eine Vorrichtung, die durch katalytische Oxidation von Brennstoffen, Anodenoffgas aus der Brennstoffzelle (3) und/oder mit Wasserstoff enthaltenden Gasgemischen aus dem Pyrolysereaktor (21, 22) und/oder aus dem durch aerobe Regeneration des Katalysators erzeugten CO-haltigen Gases Wärme erzeugt, aufweist, c) der mindestens einen Verbrennungsvorrichtung (4) und/oder einen Vorrichtung, die durch katalytische Oxidation Wärme erzeugt ein Warmeüberträger und/oder Wärmespeicher (5) nachgeschaltet ist, der die Wärme in ein Heizungssystem ubertragen kann, d) zwischen dem mindestens einen Pyrolysereaktor (21, 22) und der mindestens einen nachgeschalteten Brennstoffzelle (3) eine Membran (6) zur Separierung von Kohlenwasserstoffgasen und Wasserstoffgas angeordnet ist und über eine Gasrückführung des Kohlenwasserstoffgases in den Pyrolysereaktor verfugt, e) der Anodenraum (31) der Brennstoffzelle (3) uber eine Gasrückführung (32) fur das Anodenoffgas in den Pyrolysereaktor (21, 22) und f) die Gasruckführung eine Pumpe (7), insbesondere eine Strahlpumpe, zur Rückfuhrung des Anodenoffgases und/oder Kohlenwasserstoffgases aufweist.Pyrolysis system ( 1 ) according to the preceding claim, characterized in that a) the at least one pyrolysis reactor ( 21 . 22 ) comprises a housing inside which the catalyst is arranged, the catalyst comprising a support which is at least partially coated with an alloy containing iron and nickel, b) the pyrolysis system ( 1 ) at least one combustion device ( 4 ) and / or a device which is obtained by catalytic oxidation of fuels, anode fuel gas from the fuel cell ( 3 ) and / or hydrogen-containing gas mixtures from the pyrolysis reactor ( 21 . 22 ) and / or generates heat from the CO-containing gas generated by aerobic regeneration of the catalyst, c) the at least one combustion device ( 4 ) and / or a device that generates heat by catalytic oxidation, a heat transfer medium and / or heat storage ( 5 ), which can transfer the heat into a heating system, d) between the at least one pyrolysis reactor ( 21 . 22 ) and the at least one downstream fuel cell ( 3 ) a membrane ( 6 ) is arranged for the separation of hydrocarbon gases and hydrogen gas and has a gas recirculation of the hydrocarbon gas in the pyrolysis reactor, e) the anode space ( 31 ) of the fuel cell ( 3 ) via a gas recirculation ( 32 ) for the anode off-gas into the pyrolysis reactor ( 21 . 22 ) and f) the gas pressure guide a pump ( 7 ), in particular a jet pump, for the return of the anode off-gas and / or hydrocarbon gas. Pyrolysesystem (1) nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator ein molares Verhältnis zwischen Eisen und Nickel zwischen 3:1 und 1:5, bevorzugt zwischen 1:2 und 1:4, insbesondere zwischen 1:2,8 und 1:3,2 aufweist.Pyrolysis system ( 1 ) according to the preceding claim, characterized in that the catalyst has a molar ratio between iron and nickel between 3: 1 and 1: 5, preferably between 1: 2 and 1: 4, in particular between 1: 2.8 and 1: 3.2 having. Pyrolysesystem (1) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamtgehalt an Nickel und Eisen, bezogen auf den Träger zwischen 0,5 und 15 Gew.-%, bevorzugt zwischen 1 und 10 Gew.-%, besonders bevorzugt zwischen 2,5 und 7,5 Gew.-% beträgt.Pyrolysis system ( 1 ) according to one of the two preceding claims, characterized in that the total content of nickel and iron, based on the carrier between 0.5 and 15 wt .-%, preferably between 1 and 10 wt .-%, particularly preferably between 2.5 and 7.5% by weight. Pyrolysesystem (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Trägers ausgewahlt ist aus der Gruppe bestehend aus keramischen Materialien, insbesondere Siliciumdioxid, Siliciumcarbid, Aluminiumoxid, Silikaten, insbesondere Alumosilikaten, Zeolithen, Cordierit und/oder Metallen.Pyrolysis system ( 1 ) according to one of claims 2 to 4, characterized in that the material of the carrier is selected from the group consisting of ceramic materials, in particular silicon dioxide, silicon carbide, alumina, silicates, in particular aluminosilicates, zeolites, cordierite and / or metals. Pyrolysesystem (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator in Form eines Pulvers, eines Granulates, einer Wabe, eines Schaumes, eines Netzes oder eines Bleches vorliegt. Pyrolysis system ( 1 ) according to one of claims 2 to 5, characterized in that the catalyst is in the form of a powder, a granulate, a honeycomb, a foam, a network or a sheet. Pyrolysesystem (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (6) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus keramischen Werkstoffen, Metallen sowie Metalllegierungen, insbesondere PdAg- und/oder PdCu-Legierungen.Pyrolysis system ( 1 ) according to one of claims 2 to 6, characterized in that the membrane ( 6 ) is selected from the group consisting of ceramic materials, metals and metal alloys, in particular PdAg and / or PdCu alloys. Pyrolysesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (3) eine Hochtemperatur-Polyelektrolytmembran(HT-PEM)-Brennstoffzelle, Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran (NT-PEM) Brennstoffzelle, eine Festoxidbrennstoffzelle (solid oxide fuel cell, SOFC), eine Schmelzcarbonatbrennstoffzelle (molten carbonate fuel cell, MCFC) oder eine alkalische Brennstoffzelle (alkaline fuel cell, AFC) ist.Pyrolysis system ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel cell ( 3 ) a high-temperature polyelectrolyte membrane (HT-PEM) fuel cell, low-temperature polymer electrolyte membrane (NT-PEM) fuel cell, a solid oxide fuel cell (SOFC), a molten carbonate fuel cell (MCFC) or an alkaline fuel cell (alkaline fuel cell, AFC). Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie und/oder Wärme mit einem mindestens einen Pyrolysereaktor aufweisenden Pyrolysesystem (1) nach einem der vorhergehenden Anspruche, bei dem mittels des mindestens einen Pyrolysereaktors (21, 22) durch anaerobe katalytische Pyrolyse aus Brennstoffen ein Wasserstoff enthaltendes Gasgemisch und/oder eines Wasserstoff enthaltenden Gasgemisches mit Crackprodukten erzeugt, das Gasgemisch in die mindestens eine Brennstoffzelle (3) aufgegeben und in elektrische Energie und/oder Wärme umgesetzt wird.Method for generating electrical energy and / or heat with a pyrolysis system having at least one pyrolysis reactor ( 1 ) according to one of the preceding claims, in which by means of the at least one pyrolysis reactor ( 21 . 22 ) generates by anaerobic catalytic pyrolysis of fuels, a hydrogen-containing gas mixture and / or a hydrogen-containing gas mixture with cracking products, the gas mixture in the at least one fuel cell ( 3 ) and converted into electrical energy and / or heat. Verfahren nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Pyrolysesystem (1) einen Pyrolysereaktor (21) aufweist, der intermittierend in anaerober katalytischer Pyrolyse und aerober Regeneration betrieben wird, wobei das wahrend der anaeroben katalytischen Pyrolyse entstehende Wasserstoff enthaltende Gasgemisch und/oder Wasserstoff enthaltende Gasgemisch mit Crackprodukten in die mindestens eine Brennstoffzelle (3) aufgegeben und in elektrische Energie und/oder Wärme umgesetzt wird.Method according to the preceding claim, characterized in that the pyrolysis system ( 1 ) a pyrolysis reactor ( 21 ), which is operated intermittently in anaerobic catalytic pyrolysis and aerobic regeneration, wherein the gas mixture formed during the anaerobic catalytic pyrolysis hydrogen-containing gas mixture and / or hydrogen containing cracking products in the at least one fuel cell ( 3 ) and converted into electrical energy and / or heat. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Pyrolysesystem (1) mindestens zwei Pyrolysereaktoren (21, 22) aufweist, die so im Wechselbetrieb betrieben werden, dass eine kontinuierliche Erzeugung von Wasserstoff enthaltenden Gasgemischen und/oder Wasserstoff enthaltenden Gasgemischen mit Crackprodukten gewährleistet ist, die kontinuierlich in die mindestens eine Brennstoffzelle (3) aufgegeben und in elektrische Energie und/oder Wärme umgesetzt werden.Process according to claim 9, characterized in that the pyrolysis system ( 1 ) at least two pyrolysis reactors ( 21 . 22 ), which are operated in alternating operation, so that a continuous generation of hydrogen-containing gas mixtures and / or hydrogen-containing gas mixtures is guaranteed with cracking products, which continuously into the at least one fuel cell ( 3 ) and converted into electrical energy and / or heat. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Pyrolysesystem (1) über eine zwischen dem mindestens einen Pyrolysereaktor (21, 22) und der mindestens einen Brennstoffzelle (3) angeordnete Membran (6) zur Separierung von Kohlenwasserstoffen und Wasserstoffgas verfugt, wobei der durch die Membran (6) abgetrennte Wasserstoff in die mindestens eine Brennstoffzelle (3) eingespeist und die Kohlenwasserstoffe in den mindestens einen Pyrolysereaktor (21, 22) und/oder die Verbrennungsvorrichtung (4) rückgeführt werden und dadurch der Wirkungsgrad deutlich gesteigert werden kann.Method according to one of claims 9 to 11, characterized in that the pyrolysis system ( 1 ) via a between the at least one pyrolysis reactor ( 21 . 22 ) and the at least one fuel cell ( 3 ) arranged membrane ( 6 ) for the separation of hydrocarbons and hydrogen gas, which passes through the membrane ( 6 ) separated hydrogen into the at least one fuel cell ( 3 ) and the hydrocarbons in the at least one pyrolysis reactor ( 21 . 22 ) and / or the combustion device ( 4 ) and thereby the efficiency can be significantly increased. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Anodenoffgas der Anode der mindestens einen Brennstoffzelle (3) in den mindestens einen Pyrolysereaktor (21, 22) und/oder die Verbrennungsvorrichtung (4) rückgeführt wird und dadurch der Wirkungsgrad deutlich gesteigert werden kann.Method according to one of claims 9 to 12, characterized in that the anode offgas of the anode of the at least one fuel cell ( 3 ) into the at least one pyrolysis reactor ( 21 . 22 ) and / or the combustion device ( 4 ) is recycled and thereby the efficiency can be significantly increased. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Pyrolysesystem (1) über mindestens eine Verbrennungsvorrichtung (4) und/oder mindestens eine katalytische Oxidationsvorrichtung verfügt, die zumindest zeitweise zumindest während der Dauer des anaeroben katalytischen Pyrolysebetriebs des mindestens einen Pyrolysereaktor (21, 22) Warme erzeugt, wobei die Wärme durch thermische Wechselwirkung auf den mindestens einen Pyrolysereaktor (21, 22) übertragen wird.Method according to one of claims 9 to 13, characterized in that the pyrolysis system ( 1 ) via at least one combustion device ( 4 ) and / or at least one catalytic oxidation device which, at least temporarily, at least during the duration of the anaerobic catalytic pyrolysis operation of the at least one pyrolysis reactor ( 21 . 22 ) Produces heat, the heat being generated by thermal interaction with the at least one pyrolysis reactor ( 21 . 22 ) is transmitted. Verwendung eines Pyrolysesystems nach einem der Anspruche 1 bis 8 als Modul zur – Kraft-Warme-Kopplung – Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung – Herstellung synthetischer Kraftstoffe – Abgasnachbehandlung – Mobile Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie (bspw. als Ladegerät für Batterien im Camping- und Freizeitbereich, in Automobilen und Yachten, etc.) – Bordstromversorgung von Kraftfahrzeugen (APU's) – Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) – Notstromversorgung in Hütten, Häusern, Kliniken, etc.Use of a pyrolysis system according to any one of claims 1 to 8 as a module for - power-heat-coupling - Power-heat-cold-coupling - manufacture of synthetic fuels - Exhaust gas aftertreatment - Mobile device for generating electrical energy (eg. As a charger for batteries in the camping and leisure, in automobiles and yachts, etc.) - On-board power supply of motor vehicles (APU's) - Uninterruptible power supply (UPS) - Emergency power supply in huts, houses, clinics, etc.
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