DE102020213336A1 - Reinigungsvorrichtung, Brennstoffzellensystem, Biomasseanlage und Verfahren zum Betreiben einer Reinigungsvorrichtung - Google Patents

Reinigungsvorrichtung, Brennstoffzellensystem, Biomasseanlage und Verfahren zum Betreiben einer Reinigungsvorrichtung Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Reinigungsvorrichtung (10) zum Reinigen von Produktgas aus einem Biomassevergaser (50) für die Verwendung in einem Brennstoffzellenstapel (31) eines Brennstoffzellensystems (30), aufweisend einen Reaktor (13), der ein Reaktorgehäuse (14) mit einem Produktgaseinlass (15) zum Einbringen von Produktgas in das Reaktorgehäuse (14) und einem Produktgasauslass (16) zum Auslassen von gereinigtem Produktgas aus dem Reaktorgehäuse (14) umfasst, wobei im Reaktorgehäuse (14) mehrere unterschiedliche Reaktionsschichten (17, 18, 19) zum Entfernen von unterschiedlichen Verunreinigungsbestandteilen aus dem Produktgas angeordnet sind.Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem (30) mit einer erfindungsgemäßen Reinigungsvorrichtung (10), eine Biomasseanlage (50) mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem (30) sowie ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Reinigungsvorrichtung (10).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Reinigungsvorrichtung zum Reinigen von Produktgas aus einem Biomassevergaser für die Verwendung in einem Brennstoffzellenstapel. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Reinigungsvorrichtung, eine mit einem Brennstoffzellensystem gekoppelte Biomasseanlage sowie ein Verfahren zum Betreiben einer wie eingangs erwähnten Reinigungsvorrichtung.
  • Bei einer Biomassevergasung entsteht ein Produktgas, welches für den Betrieb einer Gasturbine, eines Gasmotors und für ein stationäres Brennstoffzellensystem verwendet werden kann. Das Produktgas besteht hauptsächlich aus unterschiedlichen Konzentrationen von Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserdampf, Methan sowie, im Falle einer Vergasung mit Luft, Stickstoff. Das Produktgas kann allerdings auch Verunreinigungen in Form von Halogenpartikeln, Schwefelpartikeln und/oder Kohlenwasserstoffpartikeln enthalten, die das Brennstoffzellensystem beschädigen können. Deshalb muss das Produktgas vor der Verwendung in einem Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems gereinigt werden.
  • Aus der internationalen Patentanmeldung WO 2008/055591 A2 sind ein Verfahren und eine Anlage zur Verstromung von fester Biomasse bekannt. Das beschriebene Anlagenkonzept verbindet die Technologien der Biomassevergasung und der Brennstoffzellensysteme. In der Patentanmeldung werden hierzu Konzepte zur Nutzung von Abwärme des Brennstoffzellensystems für ein Aufheizen einer Reinigungsvorrichtung zum Reinigen von Produktgas aus einem Biomassevergaser beschrieben. Hinsichtlich Einfachheit und Kompaktheit besteht mit Blick auf die vorgeschlagenen Lösungsansätze jedoch noch Verbesserungspotential.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den voranstehend beschriebenen Verbesserungswünschen zumindest teilweise Rechnung zu tragen. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Reinigungsvorrichtung, ein Brennstoffzellensystem, eine Biomasseanlage und ein Verfahren zum Betreiben einer Reinigungsvorrichtung zu schaffen, mit welchen eine einfache, platzsparende und/oder kostengünstige Reinigung von Produktgas aus einem Biomassevergaser für die Verwendung in einem Brennstoffzellensystem möglich ist.
  • Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Insbesondere wird die voranstehende Aufgabe durch die Reinigungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, das Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 9, die Biomasseanlage gemäß Anspruch 13, sowie das Verfahren gemäß Anspruch 14 gelöst. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der Reinigungsvorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem, der erfindungsgemäßen Biomasseanlage, dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Reinigungsvorrichtung und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird oder werden kann.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Reinigungsvorrichtung zum Reinigen von Produktgas aus einem Biomassevergaser für die Verwendung in einem Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellensystems zur Verfügung gestellt. Die Reinigungsvorrichtung weist einen Reaktor auf, der ein Reaktorgehäuse mit einem Produktgaseinlass zum Einbringen von Produktgas in das Reaktorgehäuse und einem Produktgasauslass zum Auslassen von gereinigtem Produktgas aus dem Reaktorgehäuse umfasst. Im Reaktorgehäuse sind mehrere unterschiedliche Reaktionsschichten zum Entfernen von unterschiedlichen Verunreinigungsbestandteilen aus dem Produktgas angeordnet.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, dass durch eine schichtweise Anordnung von unterschiedlichen Reinigungsschichten verschiedene Verunreinigungsbestandteile im Produktgas effektiv und dabei platzsparend aus dem Produktgas entfernt und/oder durch die Reinigungsschichten zumindest teilweise adsorbiert werden können. Der Schichtaufbau hat sich darüber hinaus auch vorteilhaft für eine funktionale Kopplung mit dem Brennstoffzellensystem herausgestellt.
  • Darunter, dass die unterschiedlichen Reaktionsschichten im Reaktorgehäuse angeordnet sind kann verstanden werden, dass die unterschiedlichen Reaktionsschichten in einem Innenraum des Reaktorgehäuses angeordnet sind. Die unterschiedlichen Reaktionsschichten können den Innenraum des Reaktorgehäuses vollständig oder im Wesentlichen vollständig ausfüllen. Damit kann auf möglichst kleinem Bauraum eine hohe Funktionsdichte geschaffen werden.
  • Die unterschiedlichen Reaktionsschichten können dahingehend verstanden werden, dass beispielsweise eine erste Reaktionsschicht zum Entfernen von ersten Verunreinigungsbestandteilen bereitgestellt ist und eine zweite Reaktionsschicht zum Entfernen von zweiten Verunreinigungsbestandteilen, die sich von den ersten Verunreinigungsbestandteilen unterscheiden, bereitgestellt ist. Im Reaktorgehäuse sind bevorzugt drei unterschiedliche Reaktionsschichten, zum Entfernen von drei unterschiedlichen Verunreinigungsbestandteilen aus dem Produktgas, angeordnet, wobei jede Reaktionsschicht jeweils zum Entfernen von einer bestimmten Art von Verunreinigungsbestandteilen bereitgestellt ist.
  • Der Produktgaseinlass und der Produktgasauslass können jeweils eine einfache Durchgangsöffnung aufweisen, welche jeweils optional mit einer Ventilanordnung der Reinigungsvorrichtung geöffnet und geschlossen werden kann.
  • Unter dem Reinigen von Produktgas kann vorliegend ein zumindest teilweises Entfernen der Verunreinigungsbestandteile verstanden werden. Das Entfernen der Verunreinigungsbestandteile kann durch Adsorption in den unterschiedlichen Reaktionsschichten erfolgen. Unter Verunreinigungsbestandteilen sind Partikel und/oder Stoffverbindungen zu verstehen, die für das Brennstoffzellensystem und/oder den Betrieb des Brennstoffzellensystems schädlich sein können und deshalb vor dem Einbringen in den Brennstoffzellenstapel aus dem Produktgas möglichst zu entfernen sind.
  • Unter dem Produktgas kann Gas und/oder ein Fluid, das im Wesentlichen Gasbestandteile umfasst, verstanden werden. Das Produktgas wird insbesondere durch Vergasen von Biomasse im Biomassevergaser erzeugt.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass bei einer Reinigungsvorrichtung in wenigstens einer Reaktionsschicht ein Wärmetauscher für eine wärmetauschende Verbindung zwischen der wenigstens einen Reaktionsschicht und Abgas aus dem Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems angeordnet ist. Insbesondere handelt es sich hierbei um Agas aus der Nachverbrennung des Abgases aus dem Brennstoffzellenstapel, also nicht um unmittelbares Abgas aus dem Brennstoffzellenstapel. D.h., der wenigstens eine Wärmetauscher ist direkt in die jeweilige Reaktionsschicht integriert. Beispielsweise kann der Wärmetauscher zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig von der Reaktionsschicht umschlossen oder im Wesentlichen umschlossen sein. Damit lässt sich die wärmetauschende Funktion des Wärmetauschers besonders effektiv in der Reaktionsschicht entfalten. Die Reinigungsvorrichtung kann durch den wenigstens einen Wärmetauscher mithin entsprechend effektiv temperiert, insbesondere aufgeheizt, werden. Darunter, dass in wenigstens einer Reaktionsschicht ein Wärmetauscher angeordnet ist kann verstanden werden, dass beispielsweise in einer ersten Reaktionsschicht ein erster Wärmetauscher angeordnet ist, in einer zweiten Reaktionsschicht ein zweiter Wärmetauscher angeordnet ist und in einer dritten Reaktionsschicht ein dritter Wärmetauscher angeordnet ist. So kann jede Reaktionsschicht einfach und effektiv separat temperiert werden. Unter einem Wärmetauscher kann vorliegend jedes Mittel verstanden werden, welches für einen aktiven Temperatureintrag, positiv oder negativ, in die jeweilige Reaktionsschicht geeignet ist. So kann der Wärmetauscher in Form einer einfachen Fluidleitung und/oder der Wandung der Fluidleitung und/oder in Form eines gattungsgemäßen, dezidierten Wärmetauschers mit einer entsprechenden Temperierstruktur mit Vorsprüngen, Vertiefungen und/oder anderen Mitteln zur gezielten Oberflächenvergrößerung ausgestaltet sein.
  • Ferner ist es möglich, dass die Reaktionsschichten bei einer erfindungsgemäßen Reinigungsvorrichtung sandwichartig nebeneinander oder aufeinander angeordnet sind. Damit können die Reinigungsschichten platzsparend zur Verfügung gestellt werden. Dadurch, dass die Reinigungsschichten nebeneinander oder aufeinander, insbesondere direkt nebeneinander oder aufeinander, angeordnet sind, kann das Produktgas außerdem besonders effizient gereinigt werden. Unter einer Anordnung nebeneinander kann auch eine Anordnung übereinander, abhängig von der Ausrichtung der Reinigungsvorrichtung im Gesamtsystem, verstanden werden.
  • Von weiterem Vorteil kann es sein, wenn bei einer Reinigungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung die Reaktionsschichten eine Halogen-Reaktionsschicht zum Entfernen von Halogenbestandteilen aus dem Produktgas aufweisen. Bei umfangreichen, experimentellen Versuchen im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich herausgestellt, dass Halogenbestandteile einen erheblichen Einfluss auf das Abnutzungsverhalten des Brennstoffzellensystems haben. Durch das Bereitstellen der Halogen-Reaktionsschicht kann mithin gezielt die Langlebigkeit des Brennstoffzellensystems bei der Verwendung von Produktgas aus einem Biomassevergaser verbessert werden. Die Halogen-Reaktionsschicht kann ferner ein HCI-Aufnahmemittel zum Entfernen von HCI-Bestandteilen aus dem Produktgas aufweisen. HCI-Bestandteile haben sich hinsichtlich möglicher Schäden am Brennstoffzellensystem als besonders kritisch herausgestellt.
  • Weiterhin können die Reaktionsschichten bei einer erfindungsgemäßen Reinigungsvorrichtung eine Schwefel-Reaktionsschicht zum Entfernen von Schwefelbestandteilen aus dem Produktgas aufweisen. Bei den Versuchen im Rahmen der Erfindung hat sich ferner herausgestellt, dass auch Schwefelbestandteile einen erheblichen Einfluss auf das Abnutzungsverhalten des Brennstoffzellensystems haben. Durch das gezielte Bereitstellen der Schwefel-Reaktionsschicht kann mithin ebenfalls die Langlebigkeit des Brennstoffzellensystems bei der Verwendung von Produktgas aus einem Biomassevergaser verbessert werden. Die Schwefel-Reaktionsschicht kann zudem ein Schwefelwasserstoff-Aufnahmemittel zum Entfernen von Schwefelwasserstoffbestandteilen aus dem Produktgas aufweisen. Auch die Schwefelwasserstoffbestandteile haben sich hinsichtlich möglicher Schäden am Brennstoffzellensystem als relativ kritisch herausgestellt.
  • Bei einer erfindungsgemäßen Reinigungsvorrichtung kann die Reaktionsschichten außerdem eine Brennstoffaufbereitungsschicht. Im Rahmen der Versuche hat sich darüber hinaus herausgestellt, dass auch Kohlenwasserstoffbestandteile des Produktgases einen starken Einfluss auf das Abnutzungsverhalten des Brennstoffzellensystems haben können. Durch das gezielte Bereitstellen der Kohlenwasserstoff-Reaktionsschicht kann folglich ebenfalls die Langlebigkeit des Brennstoffzellensystems bei der Verwendung von Produktgas aus einem Biomassevergaser verbessert werden. Die Kohlenwasserstoff-Reaktionsschicht kann ferner ein Teer-Aufnahmemittel zum Entfernen von Teerbestandteilen aus dem Produktgas aufweisen. Auch die Teerbestandteile haben sich hinsichtlich möglicher Schäden am Brennstoffzellensystem als kritisch herausgestellt. Die Kohlenwasserstoff-Reaktionsschicht kann für einen Dampfreformierungsprozess durch einen Katalysator zum Umwandeln von kondensierbaren Kohlenwasserstoffen wie Teeren in Wasserstoff und Kohlenmonoxid ausgestaltet sein. D.h., die dritte Schicht weist besonders bevorzugt ein Katalysatormaterial für den beschriebenen Dampfreformierungsprozess auf. Günstig ist es, wenn die Brennstoffaufbereitungsschicht frei von Teeraufnahmemittel ist, sondern ein Katalysatormaterial umfasst, durch welches Teerkomponenten mittels Dampfreformierung in H2, CO2, H2O und N2 sowie geringe Mengen in CH4 umwandelt.
  • Mit Bezug auf das vorstehend Beschriebene können in einem erfindungsgemäßen Reaktorgehäuse folglich eine erste Reaktionsschicht in Form der Halogen-Reaktionsschicht, eine zweite Reaktionsschicht in Form der Schwefel-Reaktionsschicht und/oder eine dritte Reaktionsschicht in Form der Brennstoffaufbereitungsschicht ausgestaltet sein. In der Halogen-Reaktionsschicht kann ein erster Wärmetauscher für eine wärmetauschende Verbindung zwischen der Halogen-Reaktionsschicht und insbesondere mittelbarem Abgas aus dem Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems angeordnet sein. In der Schwefel-Reaktionsschicht kann ein zweiter Wärmetauscher für eine wärmetauschende Verbindung zwischen der Schwefel-Reaktionsschicht und insbesondere mittelbarem Abgas aus dem Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems angeordnet sein. In der Brennstoffaufbereitungsschicht kann ein dritter Wärmetauscher für eine wärmetauschende Verbindung zwischen der Kohlenwasserstoff-Reaktionsschicht und insbesondere mittelbarem Abgas aus dem Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems angeordnet sein. Die Halogen-Reaktionsschicht, die Schwefel-Reaktionsschicht und die Brennstoffaufbereitungsschicht können in der genannten Reihenfolge sandwichartig nebeneinander oder aufeinander angeordnet sein. Mit dieser speziellen Konstellation haben sich bei experimentellen Versuchen im Rahmen der Erfindung besonders wirkungsvolle Reinigungsergebnisse erzielen lassen.
  • Darüber hinaus hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn bei einer Reinigungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung die Halogen-Reaktionsschicht Kaliumcarbonat zum Entfernen der Halogenbestandteile mittels Sorption aufweist, die Schwefel-Reaktionsschicht Kupferoxid und/oder Zinkoxid zum Entfernen der Schwefelbestandteile mittels Sorption aufweist und/oder die Brennstoffaufbereitungsschicht Nickel und/oder Rhodium zum Entfernen der Kohlenwasserstoffbestandteile mittels Dampfreformierung aufweist.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel und einer wie vorstehend im Detail beschriebenen Reinigungsvorrichtung zur Verfügung gestellt. Das Brennstoffzellensystem weist ferner einen Abgasleitabschnitt zum Leiten von Abgas aus dem Brennstoffzellenstapel in das Reaktorgehäuse zum Aufheizen von wenigstens einer der Reaktionsschichten auf. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf die erfindungsgemäße Reinigungsvorrichtung beschrieben worden sind. Darunter, dass das Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstapel aufweist ist zu verstehen, dass das Brennstoffzellensystem wenigstens einen Brennstoffzellenstapel aufweist. Das Brennstoffzellensystem ist bevorzugt in Form eines stationären SOFC-Systems ausgestaltet.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsvariante der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass bei einem Brennstoffzellensystem der Abgasleitabschnitt eine erste Abzweigleitung zum Leiten des Abgases durch eine erste Reaktionsschicht und wenigstens eine weitere Abzweigleitung zum Leiten des Abgases durch wenigstens eine weitere Reaktionsschicht aufweist. Durch die unterschiedlichen Abzweigleitungen kann das Abgas gezielt in die jeweilige Reaktionsschicht geleitet werden und dort effektiv die gewünschte Temperierfunktion erfüllen. Bei einer wie vorstehend beschriebenen, spezifischen Ausführungsform ist es entsprechend möglich, dass der Abgasleitabschnitt eine erste Abzweigleitung zum Leiten des Abgases durch die Halogen-Reaktionsschicht, eine zweite Abzweigleitung zum Leiten des Abgases durch die Schwefel-Reaktionsschicht und eine dritte Abzweigleitung zum Leiten des Abgases durch die Brennstoffaufbereitungsschicht aufweist.
  • Außerdem kann es von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem der Abgasleitabschnitt eine erste Abzweigleitung zum Leiten des Abgases durch die Halogen-Reaktionsschicht, eine zweite Abzweigleitung zum Leiten des Abgases durch die Schwefel-Reaktionsschicht und eine dritte Abzweigleitung zum Leiten des Abgases durch die Brennstoffaufbereitungsschicht aufweist. Dadurch lassen sich die jeweiligen Reaktionsschichten einfach und effektiv auf die gewünschte Betriebstemperatur bringen.
  • Weiterhin ist es möglich, dass bei einem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung in den Abzweigleitungen stromabwärts des Reaktorgehäuses jeweils eine Ventilanordnung zum Regeln, insbesondere Sperren und Freigeben einer Abgasströmung durch die jeweilige Abzweigleitung angeordnet ist. Durch die Ventilanordnungen lassen sich der Abgasstrom durch die jeweilige Reaktionsschicht und somit die Temperierung der Reaktionsschichten einfach und effektiv steuern und regeln. In einer ersten Abzweigleitung kann stromabwärts des Reaktorgehäuses eine erste Ventilanordnung zum Regeln wie Sperren und Freigeben einer Abgasströmung durch die erste Abzweigleitung angeordnet sein. In einer zweiten Abzweigleitung kann stromabwärts des Reaktorgehäuses eine zweite Ventilanordnung zum Regeln, insbesondere Sperren und Freigeben einer Abgasströmung durch die zweite Abzweigleitung angeordnet sein. In einer dritten Abzweigleitung kann stromabwärts des Reaktorgehäuses eine dritte Ventilanordnung zum Regeln, insbesondere Sperren und Freigeben einer Abgasströmung durch die dritte Abzweigleitung angeordnet sein. Das Brennstoffzellensystem kann ferner eine Bypassleitung mit einem Bypassventil aufweisen. Durch die Bypassleitung kann Abgas am Reaktor zumindest teilweise vorbeigeleitet werden, wenn keine Temperierung im Reaktorgehäuse gewünscht ist.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Biomasseanlage mit einem Biomassevergaser zum Erzeugen von Produktgas, einem wie vorstehend beschriebenen Brennstoffzellensystem und einer Produktgasleitung zum Leiten des Produktgases zum Produktgaseinlass der Reinigungsvorrichtung zur Verfügung gestellt. Damit bringt auch eine erfindungsgemäße Biomasseanlage die vorstehend beschriebenen Vorteile mit sich.
  • Darüber hinaus wird im Rahmen der Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer wie vorstehend im Detail beschriebenen Reinigungsvorrichtung zur Verfügung gestellt, wobei die unterschiedlichen Reaktionsschichten, zum Reinigen des durch das Reaktorgehäuse strömenden Produktgases, mittels Abgas aus dem Brennstoffzellenstapel unabhängig voneinander auf eine vorbestimmte Betriebstemperatur temperiert werden. Das Abgas ist insbesondere Abgas, welches stromabwärts des Brennstoffzellenstapels bereits nachverbrannt wurde.
  • Insbesondere werden, während eines Funktionsbetriebs des Brennstoffzellensystems und/oder der Biomasseanlage, die Halogen-Reaktionsschicht auf eine Temperatur in einem Bereich zwischen 380°C und 420°C, insbesondere ca. 400°C, die Schwefel-Reaktionsschicht auf eine Temperatur in einem Bereich zwischen 380°C und 420°C, insbesondere ca. 400°C, und/oder die Brennstoffaufbereitungsschicht auf eine Temperatur in einem Bereich zwischen 450°C und 600°C, bevorzugt zwischen 480°C und 570°C, insbesondere zwischen 500°C und 550°C, temperiert.
  • Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
  • Es zeigen jeweils schematisch:
    • 1 eine Reinigungsvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
    • 2 eine Biomasseanlage mit einem Brennstoffzellensystem und einer Reinigungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, und
    • 3 ein Flussdiagramm zum Erläutern eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Reinigen von Produktgas.
  • Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt eine Reinigungsvorrichtung 10 zum Reinigen von Produktgas aus einer in 2 dargestellten Biomasseanlage 50 für die Verwendung in einem Brennstoffzellenstapel 31 eines Brennstoffzellensystems 30. Die dargestellte Reinigungsvorrichtung weist einen Reaktor 13 auf. Der Reaktor 13 umfasst ein Reaktorgehäuse 14 mit einem Produktgaseinlass 15 zum Einbringen von Produktgas in das Reaktorgehäuse 14 und einem Produktgasauslass 16 zum Auslassen von gereinigtem Produktgas aus dem Reaktorgehäuse 14. Wie in 1 dargestellt, sind im Reaktorgehäuse 14 mehrere unterschiedliche Reaktionsschichten 17, 18, 19 zum Entfernen von unterschiedlichen Verunreinigungsbestandteilen aus dem Produktgas angeordnet. Genauer gesagt sind im Reaktorgehäuse 14 eine Halogen-Reaktionsschicht 17 zum Entfernen von Halogenbestandteilen aus dem Produktgas, eine Schwefel-Reaktionsschicht 18 zum Entfernen von Schwefelbestandteilen aus dem Produktgas und eine Brennstoffaufbereitungsschicht 19 zum Entfernen von Kohlenwasserstoffbestandteilen aus dem Produktgas sandwichartig nebeneinander oder aufeinander, d.h., in der genannten Reihenfolge direkt nacheinander oder übereinander, angeordnet.
  • In der Halogen-Reaktionsschicht 17 ist ein erster Wärmetauscher 20 für eine wärmetauschende Verbindung zwischen der Halogen-Reaktionsschicht 17 und Abgas aus der Nachverbrennung des Abgases aus dem Brennstoffzellenstapel 31 des Brennstoffzellensystems 30 angeordnet. In der Schwefel-Reaktionsschicht 18 ist ein zweiter Wärmetauscher 21 für eine wärmetauschende Verbindung zwischen der Schwefel-Reaktionsschicht 18 und Abgas aus der Nachverbrennung des Abgases aus dem Brennstoffzellenstapel 31 des Brennstoffzellensystems 30 angeordnet. In der Brennstoffaufbereitungsschicht 19 ist ein dritter Wärmetauscher 22 für eine wärmetauschende Verbindung zwischen der Brennstoffaufbereitungsschicht 19 und Abgas aus der Nachverbrennung des Abgases aus dem Brennstoffzellenstapel 31 des Brennstoffzellensystems 30 angeordnet.
  • Die Halogen-Reaktionsschicht 17 weist Kaliumcarbonat zum Entfernen der Halogenbestandteile mittels Sorption auf. Die Schwefel-Reaktionsschicht 18 weist Kupferoxid und Zinkoxid zum Entfernen der Schwefelbestandteile mittels Sorption auf. Die Brennstoffaufbereitungsschicht 19 weist Nickel oder Rhodium zum Entfernen der Kohlenwasserstoffbestandteile mittels Dampfreformierung auf.
  • 2 zeigt eine Biomasseanlage 50 mit einem Biomassevergaser 51 zum Erzeugen des Produktgases, einem Brennstoffzellensystem 30 und einer Produktgasleitung 52 zum Leiten des Produktgases zum Produktgaseinlass 15 der Reinigungsvorrichtung 10 auf. Stromaufwärts des Biomassevergasers 51 ist eine Biomassequelle 53 zum Bereitstellen von Biomasse für den Biomassevergaser 51 angeordnet. Stromabwärts des Biomassevergaser 51 können Abgase, die während der Biomassevergasung entstehen, durch einen Kamin 54 in die Umgebung der Biomasseanlage 50 geführt werden. Über den gleichen Kamin 54 können mittels Gebläse 55 und über einen Wärmetauscher 56 auch Abgase des Brennstoffzellensystems 30 aus der Biomasseanlage 50 ausgelassen werden.
  • Das gezeigte Brennstoffzellensystem 30 weist den Brennstoffzellenstapel 31 und einen stromabwärts des Brennstoffzellenstapels 31 angeordneten Nachbrenner 41 auf. Der Nachbrenner 41 ist stromaufwärts der Reinigungsvorrichtung 10 angeordnet. D.h., die Abgase aus dem Brennstoffzellenstapel 31 werden der Reinigungsvorrichtung 10 durch einen Abgasleitabschnitt 32 und über den im Abgasleitabschnitt 32 angeordneten Nachbrenner 41 zugeführt.
  • Der Abgasleitabschnitt 32 weist eine erste Abzweigleitung 33 zum Leiten des Abgases durch die Halogen-Reaktionsschicht 17, eine zweite Abzweigleitung 34 zum Leiten des Abgases durch die Schwefel-Reaktionsschicht 18 und eine dritte Abzweigleitung 35 zum Leiten des Abgases durch die Brennstoffaufbereitungsschicht 19 auf.
  • In der ersten Abzweigleitung 33 ist stromabwärts des Reaktorgehäuses 14 eine erste Ventilanordnung 36 zum Sperren und Freigeben einer Abgasströmung durch die erste Abzweigleitung 33 angeordnet. In der zweiten Abzweigleitung 34 ist stromabwärts des Reaktorgehäuses 14 eine zweite Ventilanordnung 37 zum Sperren und Freigeben einer Abgasströmung durch die zweite Abzweigleitung 34 angeordnet. In der dritten Abzweigleitung 35 ist stromabwärts des Reaktorgehäuses 14 eine dritte Ventilanordnung 38 zum Sperren und Freigeben einer Abgasströmung durch die dritte Abzweigleitung 35 angeordnet. Die gezeigte Reinigungsvorrichtung 10 weist ferner eine Bypassleitung 57 mit einem Bypassventil 58 zum Vorbeileiten von Abgas am Reaktor 13 auf.
  • Mit Bezug auf 3 werden anschließend Verfahrensschritte zum Betreiben der in 1 dargestellten Reinigungsvorrichtung 10 beschrieben. In einem ersten Schritt S1 wird hierfür zunächst Abgas aus der Nachverbrennung des Abgases aus dem Brennstoffzellenstapel 31 durch die Abzweigleitungen 33, 34, 35 in die verschiedenen Reaktionsschichten 17, 18, 19 geleitet. Dadurch werden die Reaktionsschichten 17, 18, 19 auf die gewünschten Betriebstemperaturen gebracht. Genauer gesagt werden die Halogen-Reaktionsschicht 17 und die Schwefel-Reaktionsschicht 18 auf eine Temperatur von jeweils ca. 400°C und die Brennstoffaufbereitungsschicht 19 auf eine Temperatur von etwas über 500°C gebracht. Die jeweiligen Temperaturen können durch eine nicht dargestellte Sensorik überwacht und durch eine mit der Sensorik in Signalverbindung stehende Kontrolleinheit kontrolliert, d.h., gesteuert und/oder geregelt, werden. Anschließend wird in einem zweiten Schritt S2 das Produktgas aus dem Biomassevergaser 51 durch die Produktgasleitung 52 in das Reaktorgehäuse 14 und damit durch die Reaktionsschichten 17, 18, 19 geleitet.
  • Die Erfindung lässt neben den dargestellten Ausführungsformen weitere Gestaltungsgrundsätze zu. D. h. die Erfindung soll nicht auf die mit Bezug auf die Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt betrachtet werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Reinigungsvorrichtung
    13
    Reaktor
    14
    Reaktorgehäuse
    15
    Produktgaseinlass
    16
    Produktgasauslass
    17
    Halogen-Reaktionsschicht
    18
    Schwefel-Reaktionsschicht
    19
    Teer-Reaktionsschicht
    20
    erster Wärmetauscher
    21
    zweiter Wärmetauscher
    22
    dritter Wärmetauscher
    30
    Brennstoffzellensystem
    31
    Brennstoffzellenstapel
    32
    Abgasleitabschnitt
    33
    erste Abzweigleitung
    34
    zweite Abzweigleitung
    35
    dritte Abzweigleitung
    36
    erste Ventilanordnung
    37
    zweite Ventilanordnung
    38
    dritte Ventilanordnung
    50
    Biomasseanlage
    51
    Biomassevergaser
    52
    Produktgasleitung
    53
    Biomassequelle
    54
    Kamin
    55
    Gebläse
    56
    Wärmetauscher
    57
    Bypassleitung
    58
    Bypassventil
  • 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
    • WO 2008/055591 A2 [0003]

Claims (15)

  1. Reinigungsvorrichtung (10) zum Reinigen von Produktgas aus einem Biomassevergaser (50) für die Verwendung in einem Brennstoffzellenstapel (31) eines Brennstoffzellensystems (30), aufweisend einen Reaktor (13), der ein Reaktorgehäuse (14) mit einem Produktgaseinlass (15) zum Einbringen von Produktgas in das Reaktorgehäuse (14) und einem Produktgasauslass (16) zum Auslassen von gereinigtem Produktgas aus dem Reaktorgehäuse (14) umfasst, wobei im Reaktorgehäuse (14) mehrere unterschiedliche Reaktionsschichten (17, 18, 19) zum Entfernen von unterschiedlichen Verunreinigungsbestandteilen aus dem Produktgas angeordnet sind.
  2. Reinigungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einer Reaktionsschicht (17, 18, 19) ein Wärmetauscher (20, 21, 22) für eine wärmetauschende Verbindung zwischen der wenigstens einen Reaktionsschicht (17, 18, 19) und Abgas aus dem Brennstoffzellenstapel (31) des Brennstoffzellensystems (30) angeordnet ist.
  3. Reinigungsvorrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionsschichten (17, 18, 19) sandwichartig nebeneinander oder aufeinander angeordnet sind.
  4. Reinigungsvorrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionsschichten eine Halogen-Reaktionsschicht (17) zum Entfernen von Halogenbestandteilen aus dem Produktgas aufweisen.
  5. Reinigungsvorrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionsschichten eine Schwefel-Reaktionsschicht (18) zum Entfernen von Schwefelbestandteilen aus dem Produktgas aufweisen.
  6. Reinigungsvorrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionsschichten eine Brennstoffaufbereitungsschicht (19) aufweisen.
  7. Reinigungsvorrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halogen-Reaktionsschicht (17), die Schwefel-Reaktionsschicht (18) und die Brennstoffaufbereitungsschicht (19) in der genannten Reihenfolge sandwichartig nebeneinander oder aufeinander angeordnet sind.
  8. Reinigungsvorrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halogen-Reaktionsschicht (17) Kaliumcarbonat zum Entfernen der Halogenbestandteile mittels Sorption aufweist, die Schwefel-Reaktionsschicht (18) Kupferoxid und/oder Zinkoxid zum Entfernen der Schwefelbestandteile mittels Sorption aufweist und/oder die Brennstoffaufbereitungsschicht (19) Nickel oder Rhodium zum Entfernen der Kohlenwasserstoffbestandteile mittels Dampfreformierung aufweist.
  9. Brennstoffzellensystem (30) mit einem Brennstoffzellenstapel (31) und einer Reinigungsvorrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, ferner aufweisend einen Abgasleitabschnitt (32) zum Leiten von Abgas aus dem Brennstoffzellenstapel (31) in das Reaktorgehäuse (14) zum Aufheizen von wenigstens einer der Reaktionsschichten (17, 18, 19).
  10. Brennstoffzellensystem (30) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasleitabschnitt (32) eine erste Abzweigleitung (33) zum Leiten des Abgases durch eine erste Reaktionsschicht (17) und wenigstens eine weitere Abzweigleitung (34, 35) zum Leiten des Abgases durch wenigstens eine weitere Reaktionsschicht (18, 19) aufweist.
  11. Brennstoffzellensystem (30) nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasleitabschnitt (32) eine erste Abzweigleitung (33) zum Leiten des Abgases durch die Halogen-Reaktionsschicht (17), eine zweite Abzweigleitung (34) zum Leiten des Abgases durch die Schwefel-Reaktionsschicht (18) und eine dritte Abzweigleitung (35) zum Leiten des Abgases durch die Brennstoffaufbereitungsschicht (19) aufweist.
  12. Brennstoffzellensystem (30) nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in den Abzweigleitungen (33, 34, 35) stromabwärts des Reaktorgehäuses (14) jeweils eine Ventilanordnung (36, 37, 38) zum Regeln iner Abgasströmung durch die jeweilige Abzweigleitung (33) angeordnet ist.
  13. Biomasseanlage (50) mit einem Biomassevergaser (51) zum Erzeugen von Produktgas, einem Brennstoffzellensystem (30) nach einem der Ansprüche 9 bis 12 und einer Produktgasleitung (52) zum Leiten des Produktgases zum Produktgaseinlass (15) der Reinigungsvorrichtung (10).
  14. Verfahren zum Betreiben einer Reinigungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die unterschiedlichen Reaktionsschichten (17, 18, 19), zum Reinigen des durch das Reaktorgehäuse (14) strömenden Produktgases, mittels Abgas aus dem Brennstoffzellenstapel (31) unabhängig voneinander auf eine vorbestimmte Betriebstemperatur temperiert werden.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Halogen-Reaktionsschicht (17) auf eine Temperatur in einem Bereich zwischen 380°C und 420°C, die Schwefel-Reaktionsschicht (18) auf eine Temperatur in einem Bereich zwischen 380°C und 420°C und/oder die Brennstoffaufbereitungsschicht (19) auf eine Temperatur in einem Bereich zwischen 450°C und 600°C, insbesondere zwischen 480°C und 570°C temperiert werden.
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