DE10222804C1 - Gas generation system to produce virtually pure hydrogen, for a fuel cell, has a hydrogen separation module with an integrated heat exchanger in its housing, working with a catalytic burner and a reforming stage - Google Patents
Gas generation system to produce virtually pure hydrogen, for a fuel cell, has a hydrogen separation module with an integrated heat exchanger in its housing, working with a catalytic burner and a reforming stageInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Gaserzeugungssystem zum Bereitstel len von nahezu reinem Wasserstoff, mit zumindest einer auto thermen Reformierungsstufe, einem katalytischer Brenner, einem von dem katalytischen Brenner beheizten Wärmetauscher, einer Mischeinrichtung für wenigsten zwei dem katalytischen Brenner zugeführte Stoffe und einem Wasserstoffseparationsmodul mit ei nem Gehäuse.The invention relates to a gas generating system for providing almost pure hydrogen, with at least one car Thermen Reformierungsstufe, a catalytic burner, a from the catalytic burner heated heat exchanger, a Mixer for at least two catalytic burners supplied substances and a hydrogen separation module with egg a housing.
Aus der DE 197 55 815 C2 ist ein Verfahren zur Wasserdampfre formierung eines Kohlenwasserstoffs oder Kohlenwasserstoffderi vats sowie mit eine damit betreibbare Reformierungsanlage und ein Brennstoffzellen-Betriebsverfahren bekannt. Der Aufbau des dort beschriebenen Systems weist neben Verdampfer und Reformie rungsreaktor ein Membranmodul bzw. Wasserstoffseparationsmodul auf, durch welches aus dem wasserstoffhaltigen Reformat nahezu reiner Wasserstoff abgeschieden wird. Dieses Wasserstoffsepara tionsmodul kann beispielsweise über metallische Membranen aus Palladium oder dergleichen verfügen.From DE 197 55 815 C2 is a method for steam formation of a hydrocarbon or hydrocarbon derivative vats as well as a reforming plant operable with it a fuel cell operating method is known. The construction of the system described there besides evaporator and reform tion reactor a membrane module or hydrogen separation module on, by which from the hydrogen-containing reformate almost pure hydrogen is deposited. This hydrogen para tion module can, for example, via metallic membranes Palladium or the like.
Aus der oben genannten Patentschrift ist ausserdem ein Verfah ren zum Starten einer derartigen Anlage bekannt. Dazu wird ein Aufheizvorgang durchgeführt, bei dem in einer ersten Betriebs phase die mit dem Reformierungsreaktor und einem Verdampfer in wärmeleitendem Kontakt stehende katalytische Brennereinrichtung auf eine Temperatur oberhalb der Wassersiedetemperatur erhitzt wird. Dazu wird der Kohlenwasserstoff und/oder Wasserstoff un ter Zufuhr von sauerstoffhaltigem Gas katalytisch verbrannt. Anschließend wird in einer zweiten Betriebsphase dem Verdampfer Wasser und Kohlenwasserstoff zugesetzt, wobei gegenüber dem Normalbetrieb ein erhöhtes Wasser/Kohlenwasserstoff-Verhältnis eingehalten wird. Das aus dem Reformierungsreaktor austretende Stoffgemisch wird nach dem Durchströmen und Erwärmen des Mem branmoduls wieder der katalytischen Brennereinrichtung zuge führt.From the above patent is also a Verfah ren known for starting such a system. This will be a Heating process carried out in which in a first operation phase with the reforming reactor and an evaporator in thermally conductive contact standing catalytic burner device heated to a temperature above the water boiling temperature becomes. For this purpose, the hydrocarbon and / or hydrogen un The supply of oxygen-containing gas is burned catalytically. Subsequently, in a second phase of operation the evaporator Water and hydrocarbon are added, with respect to the Normal operation an increased water / hydrocarbon ratio is complied with. The emerging from the reforming reactor Mixture is after flowing through and heating the Mem branmoduls returned to the catalytic burner device leads.
Der Nachteil dieses Kaltstarterverfahrens ist sicherlich darin zu sehen, dass eine vergleichsweise lange Zeit benötigt wird, ehe das Membranmodul, welches erst in der zweiten Betriebsphase von den aus dem Reformierungsreaktor austretenden Abgasen be heizt wird, auf Betriebstemperatur gebracht werden kann. Außer dem ist durch die Verwendung einer katalytischen Brennerein richtung eine Beeinflussung der Verbrennungsvorgänge zur Rege lung der Temperatur vergleichsweise aufwändig.The disadvantage of this cold starter process is certainly in it to see that a comparatively long time is needed before the membrane module, which only in the second phase of operation be exiting from the reforming reactor exhaust gases is heated, can be brought to operating temperature. except this is due to the use of a catalytic burner direction influencing the combustion processes to Reg ting the temperature comparatively expensive.
Das durch die oben genannte DE-Schrift dargestellte System weist außerdem den Nachteil auf, dass in der ersten Betriebs phase des Aufheizvorgangs zwar die katalytische Brennereinrich tung und der Reformierungsreaktor vorgewärmt werden, die Erwär mung des Membranmoduls erfolgt jedoch ausschließlich in der zweiten Betriebsphase durch das heisse Reformat bzw. die hei ssen Abgase der Reformierungsstufe. Wenn diese heissen Abgase nun auf das noch kalte Membranmodul auftreffen, kann das in den Abgasen enthaltene Wasser im Bereich des Membranmoduls auskon densieren. Das auskondensierte Wasser im Bereich der Membranen des Membranmoduls kann diese jedoch massiv schädigen. Werden des weiteren, wie in dem Ausführungsbeispiel der oben genannten Schrift dargestellt, mehrere katalytische Teilbrenner verwen det, muß gegebenenfalls eine Aufteilung des heissen Gasstroms erfolgen, was wiederum sehr teuere, aufwändige und störanfälli ge für entsprechend hohe Temperaturen geeignete Ventileinrich tung erforderlich macht.The system represented by the above mentioned DE-font also has the disadvantage that in the first operation phase of the heating process, although the catalytic burner tion and the reforming reactor are preheated, the heating However, the membrane module is carried out exclusively in the second phase of operation by the hot reformat or the hot gases from the reforming stage. When these hot fumes now hit the still cold membrane module, this can in the Exhaust gases contained auskon water in the region of the membrane module condense. The condensed water in the membrane However, the membrane module can damage them massively. Become further, as in the embodiment of the above Font shown, use several catalytic part burner det, if necessary, a division of the hot gas stream done, which in turn very expensive, complex and troublefree ge suitable for correspondingly high temperatures Ventileinrich required.
Aus der US 4,820,594 ist ein weiteres Startverfahren für ein Gaserzeugungssystem in einer Brennstoffzellenanlage bekannt. Durch den in der Anlage verwendeten Brennstoff wird in der Startphase des Gaserzeugungssystems die für das Gaserzeugungs system erforderliche thermische Energie durch eine direkte Ver brennung dieses Brennstoffs im Bereich von zumindest einzelnen Komponenten des Gaserzeugungssystems erreicht. Dabei wird der in der Brennstoffzellenanlage ohnehin vorliegende Brennstoff, welcher dann im Normalbetrieb durch das Gaserzeugungssystem in das wasserstoffhaltige Reformat reformiert wird, für diese di rekte Verbrennung zum schnellen Aufheizen des Gaserzeugungssy stems genutzt.From US 4,820,594 is another starting method for a Gas generating system in a fuel cell system known. By the fuel used in the plant is in the Starting phase of the gas generating system for the gas production system required thermal energy through a direct Ver combustion of this fuel in the range of at least individual Components of the gas generating system achieved. It is the fuel present in the fuel cell system anyway, which then in normal operation by the gas generating system in the hydrogen-containing reformate is reformed, for this di direct combustion for rapid heating of gas generation used.
Beim derartigen Gaserzeugungssystem sind dabei jedoch mehrere einzelne Brenner notwendig, welche entsprechend ausgestaltete Komponenten des Systems durch die direkte Verbrennung des Brennstoffs beheizen. Des weiteren müssen die beheizten Kompo nenten in einer für die Beheizung mittels des Brenners geeinig ten Art ausgebildet sein, so dass eine Optimierung dieser Kom ponenten hinsichtlich Platzbedarf etc. oder nur sehr schwer möglich wird.In the case of such a gas generating system, however, there are several individual burner necessary, which designed accordingly Components of the system through the direct combustion of Heat the fuel. Furthermore, the heated compo nents in one for the heating by means of the burner ten be formed, so that an optimization of this Kom components in terms of space etc. or very difficult becomes possible.
Aus diesen Gründen ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gaserzeugungssystem zum Bereitstellen von nahezu reinem Wasserstoff mit einem Wasserstoffseparationsmodul zu schaffen, welches die in das Gaserzeugungssystem eingespeiste Energie, weitgehend unabhängig von der geometrischen Ausgestal tung der Komponenten, ideal zu nutzen vermag. Des weiteren ist es die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Starten eines derartigen Gaserzeugungssystems anzugeben.For these reasons, it is therefore the task of the present Invention, a gas generating system for providing almost pure hydrogen with a hydrogen separation module too which feeds those fed into the gas generating system Energy, largely independent of the geometric Ausgestal tion of the components that are ideal for use. Furthermore, it is it is the object of the present invention, a method to specify for starting such a gas generating system.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass in das Gehäuse des Wasserstoffseparationsmoduls ein Wärmetauscher in tegriert ist, wobei die Komponenten des Gaserzeugungssystems so über Leitungselemente miteinander verbunden sind, dass ein in der autothermen Reformierungsstufe aus mehreren Edukten erzeug tes Produktgas zur Aufteilung in nahezu reinen Wasserstoff und ein Restgas in das Wasserstoffseparationsmodul strömt, wobei das Restgas zu einer Mischeinrichtung strömt, in welcher es sich mit einem sauerstoffhaltigen Medium mischt und in den ka talytischen Brenner gelangt. Des weiteren wird durch die Ver bindungsleitungen erreicht, dass Abgase des katalytischen Bren ners den in das Gehäuse des Wasserstoffseparationsmoduls inte grierten Wärmetauscher durchströmen, und dass zumindest ein Teil der Edukte für die autotherme Reformierungsstufe vor dem Eintritt in die autotherme Reformierungsstufe den von dem kata lytischen Brenner beheizten Wärmetauscher durchströmen.According to the invention, this object is achieved in that in the Housing of the hydrogen separation module, a heat exchanger in tegriert, wherein the components of the gas generating system so are connected to each other via line elements that a in the autothermal reforming stage of several reactants produce tes product gas for distribution in almost pure hydrogen and a residual gas flows into the hydrogen separation module, wherein the residual gas flows to a mixing device in which it mixes with an oxygen-containing medium and in the ka talytic burner arrives. Furthermore, by the Ver Connecting pipes achieved that exhaust gases of the catalytic Bren ners into the housing of the hydrogen separation module inte flow through grated heat exchanger, and that at least one Part of the educts for the autothermal reforming stage before the Entry into the autothermal reforming stage of the kata lytic burner to flow through heated heat exchanger.
Dieser komplex verschachtelte Aufbau des Gaserzeugungssystems weist dabei den Vorteil auf, daß die thermischen Energien zwi schen den Gasströmen in idealer Weise miteinander ausgetauscht werden, so dass eine bestmögliche Ausnutzung der eingetragenen thermischen Energie ermöglicht wird. Dabei ermöglicht bereits der erfindungsgemäße Aufbau an sich diese Vorteile, ohne dass dafür aufwändige Ventile, sowie eine Steuerung für diese Venti le notwendig wäre.This complex nested structure of the gas generating system has the advantage that the thermal energies zwi The gas streams are ideally exchanged with each other so that the best possible use of the registered thermal energy is enabled. It already allows the structure according to the invention in itself these advantages without For elaborate valves, as well as a controller for these Venti le would be necessary.
Der verfahrensgemäße Teil der oben genannten Aufgabe wird da durch gelöst, dass die Mischeinrichtung als Startbrenner ge nutzt wird, in welchem in einem ersten Verfahrensschritt ein Brennstoff zusammen mit dem sauerstoffhaltigen Medium gezündet wird und den katalytischen Brenner erwärmt, nach dem der kata lytische Brenner eine für seinen Start ausreichende Temperatur erreicht hat wird in einem zweiten Verfahrensschritt der kata lytische Brenner gezündet, wobei dessen heiße Abgase das Was serstoffseparationsmodul erwärmen, und wobei in einem dritten Verfahrensschritt zumindest eines der Edukte durch den Wärme tauscher des katalytischen Brenners zu der autothermen Refor mierungsstufe geleitet wird und diese erwärmt, wonach in einem vierten Verfahrensschritt nach dem Erreichen einer ausreichen den Temperatur in der autothermen Reformierungsstufe und in dem Wasserstoffseparationsmodul die autotherme Reformierungsstufe gezündet und exotherm betrieben wird, wonach in einem fünften Verfahrensschritt, nachdem die Komponenten ihre Solltemperatu ren erreicht haben, das Gaserzeugungssystem durch eine Verände rung der Zusammensetzung der zugegebenen Edukte in den regulä ren Betrieb überführt wird. The procedural part of the above task is there solved by that the mixing device ge as start burner is used, in which in a first process step Fuel ignited together with the oxygen-containing medium is heated and the catalytic burner, after which the kata lytic burner sufficient for its launch temperature has reached is in a second step of the kata ignited lytic burner, wherein the hot exhaust gases, the What to heat the hydrogen separation module, and wherein in a third Process step of at least one of the educts by the heat the catalytic burner to the autothermal Refor is passed and this heated, after which in a fourth step after reaching a sufficient the temperature in the autothermal reforming stage and in the Hydrogen separation module the autothermal reforming stage ignited and operated exothermically, after which in a fifth Process step after the components have their Solltemperatu have reached the gas generating system through a changes tion of the composition of the added educts in the regulä operation is transferred.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht einen Start des Ga serzeugungssystems, ausgehend von einer sehr niedrigen Tempera tur, beispielsweise der üblicherweise auftretenden Umgebung stemperatur zwischen -10°C und +25°C. Das System wird dabei sehr schnell aufgeheizt, da die eingetragenen thermische Ener gie durch den erfindungsgemäßen Systemaufbau ideal genutzt wer den kann. Des weiteren ist der Aufbau so ausgebildet, dass das Membranmodul durch den in sein Gehäuse integrierten Wärmetau scher auf eine erhöhte Temperatur vorgeheizt wird, ehe die au totherme Reformierungsstufe gezündet wird. Damit kann sicherge stellt werden, dass es zu keiner Auskondensation von Wasser in dem Bereich der Membranen des Wasserstoffseparationsmoduls kommt, so dass eine Schädigung derselben durch flüssiges Wasser vermieden werden kann.The method according to the invention makes it possible to start the Ga generating system, starting from a very low tempera ture, for example, the commonly occurring environment temperature between -10 ° C and + 25 ° C. The system will be there heated up very quickly, as the registered thermal energy gie ideally used by the system structure according to the invention that can. Furthermore, the structure is designed so that the Membrane module by the heat exchanger integrated in its housing scher is preheated to an elevated temperature before the au totherme reforming stage is ignited. This can sicherge be that there is no condensation of water in the area of the membranes of the hydrogen separation module comes, causing damage to the same by liquid water can be avoided.
Ausserdem ist der Aufbau des Gaserzeugungssystems mit dem er findungsgemäßen Verfahren so, dass die Gasströme ohne zusätzli che Ventileinrichtung oder dergleichen durch die einzelnen Kom ponenten strömen, da während des Startbetriebs und während des regulären Betriebs dieselben Strömungswege genutzt werden.In addition, the structure of the gas generating system with which he inventive method so that the gas streams without addi che valve device or the like by the individual Kom components, since during start-up and during the regular operation the same flow paths are used.
Gemäß einer sehr günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass während des dritten Verfah rensschritts zuerst nur das sauerstoffhaltige Medium durch den Wärmetauscher des katalytischen Brenners in die autotherme Re formierungsstufe, vor welcher der erwärmten Luft dann der Brennstoff zugeführt wird, gegeben wird, wobei nachdem das Was serstoffseparationsmodul eine vorgegebene Temperatur oberhalb der Siedetemperatur von Wasser unter dem im Wasserstoffsepara tionsmodul vorliegenden Bedingungen überschritten hat zusätz lich Wasser durch den Wärmetauscher des katalytischen Brenners in die autotherme Reformierungsstufe gegeben wird.According to a very favorable development of the invention Procedure, it is provided that during the third Verfah First, only the oxygen-containing medium through the Heat exchanger of the catalytic burner into the autothermal Re Formierungsstufe, before which the heated air then the Fuel is supplied is given, after which the What serstoffseparationsmodul a predetermined temperature above the boiling temperature of water below that in the Wasserstoffsepara module has exceeded existing conditions Lich water through the heat exchanger of the catalytic burner is added to the autothermal reforming stage.
Gemäß dieser Weiterbildung der Erfindung wird erreicht, dass der Start der autothermen Reformierungsstufe während des zwei ten Verfahrensschritts ausschließlich mit sauerstoffhaltigem Medium und dem Brennstoff erfolgt. Je nach eingesetztem Brenn stoff wird dabei üblicherweise die Menge an in den Abga sen/Produktgasen der Reformierungsstufe auftretendem Wasser vergleichsweise gering sein, so dass auch hierdurch die Auskon densation von Wasser im Bereich der Membranen des Wasser stoffseparationsmoduls reduziert werden kann. Nachdem das Was serstoffseparationsmodul eine vorgegebene Temperatur oberhalb der Siedetemperatur von Wasser unter dem im Wasserstoffsepara tionsmodul vorliegenden Bedingungen erreicht hat, wird zusätz lich Wasser durch den Wärmetauscher des katalytischen Brenners in die autotherme Reformierungsstufe gegeben. Dieses Wasser als eines der Edukte für die autotherme Reformierungsstufe bewirkt dann einen weitaus besseren Wärmetransport aus dem Bereich des Wärmetauschers des katalytischen Brenners und aus dem Bereich der autothermen Reformierungsstufe in die Nachfolgenden Kompo nenten einerseits und ein Start der eigentlichen Reformierung in der autothermen Reformierungsstufe, bei jedoch weiterhin exothermen Betriebsbedingungen, andererseits. Dadurch, dass diese Zugabe von Wasser jedoch erst erfolgt, wenn die oben ge nannte Temperatur des Wasserstoffseparationsmoduls erreicht ist, kann die Gefahr der Auskondensation von flüssigem Wasser in dem Wasserstoffseparationsmodul minimiert werden.According to this embodiment of the invention is achieved that the start of the autothermal reforming stage during the two th process step exclusively with oxygen-containing Medium and the fuel takes place. Depending on the used Brenn Substance is usually the amount of in the Abga sen / product gases of the reforming stage occurring water be relatively low, so that also the Auskon condensation of water in the area of the membranes of the water fabric separation module can be reduced. After the what serstoffseparationsmodul a predetermined temperature above the boiling temperature of water below that in the Wasserstoffsepara module has reached additional conditions Lich water through the heat exchanger of the catalytic burner placed in the autothermal reforming stage. This water as one of the educts for the autothermal reforming stage causes then a much better heat transfer from the area of Heat exchanger of the catalytic burner and out of the range the autothermal reforming stage in the following compo on the one hand and a start to the actual reform in the autothermal reforming stage, but still exothermic operating conditions, on the other hand. As a result of that However, this addition of water only takes place when the above ge called temperature of the hydrogen separation module achieved is, the risk of condensation of liquid water be minimized in the hydrogen separation module.
Eine besonders günstige Verwendung für ein derartiges Gaserzeu gungssystems und/oder ein Verfahren zum Starten eines derarti gen Gaserzeugungssystems liegt in der Erzeugung von nahezu rei nem Wasserstoff zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems. Insbesondere bei Brennstoffzellensystemen, welche in mobilen Einrichtungen, wie Kraftfahrzeugen oder dergleichen, betrieben werden, kann es von besonderem Vorteil sein, wenn Gaserzeu gungssysteme eingesetzt werden, welche sich sehr kompakt auf bauen lassen und den größten Teil der in sie eingespeisten thermischen Energie ideal nutzen. Außerdem ist hier ein sehr schneller Start von besonderem Vorteil, da gerade bei derarti gen Systemen, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, unabhängig von ihrem Einsatz als Hilfsenergieerzeuger oder als Teile eines Traktionssystems, Kaltstartbedingungen sehr häufig auftreten und die mit ihnen verbundenen Verzögerungen von den Benutzern eines solchen Kraftfahrzeugs sehr häufig als nachteilig empfun den werden.A particularly favorable use for such a gas generator system and / or a method for starting suchi gene gas generating system is in the production of almost Rei nem hydrogen for operating a fuel cell system. Especially in fuel cell systems, which in mobile Facilities, such as motor vehicles or the like operated It may be of particular advantage when gas generators systems are used, which is very compact let build and most of the fed into it use thermal energy ideally. Besides, here is a lot faster start of particular advantage, since just in suchi systems, for example in motor vehicles, regardless of their use as auxiliary power generators or as parts of a Traction system, cold start conditions occur very frequently and the delays associated with them from the users Of such a motor vehicle very often perceive as disadvantageous to become.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Gaserzeugungssystems sowie des Verfahrens zum Starten eines solchen Gaserzeugungssy stems ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen und aus dem anhand einer Zeichnung nachfolgend dargestellten Ausfüh rungsbeispiel.Further advantageous embodiments of the gas generating system and the method for starting such gas generation stems arise from the remaining subclaims and the Ausfüh illustrated below with reference to a drawing approximately, for example.
Es zeigt:It shows:
Fig. 1 eine mögliche Ausgestaltungen eines Gaserzeugungssy stems gemäß der Erfindung; Fig. 1 shows a possible embodiments of a Gaserzeugungssy stems according to the invention;
Fig. 2 eine mögliche Ausgestaltungen der Mischeinrichtung des Gaserzeugungssystems gemäß Fig. 1. Fig. 2 shows a possible embodiments of the mixing device of the gas generating system of FIG. 1.
In Fig. 1 ist ein Gaserzeugungssystem 1 zur Erzeugung von nahe zu reinem Wasserstoff H2 dargestellt. Beim regulären Betrieb des Gaserzeugungssystems 1 wird aus einem sauerstoffhaltigen Medium O2, wie beispielsweise Luft, Wasser H2O und einer koh lenwasserstoffhaltigen Verbindung CnHm bzw. einem Gemisch aus kohlenwasserstoffhaltigen Verbindungen, wie z. B. Benzin, Diesel oder auch Kohlenwasserstoffderivate, wie Alkohole oder derglei chen, ein wasserstoffhaltiges Gas erzeugt. Aus diesem wasser stoffhaltigen Gas wird dann mittels eines Wasserstoffseparati onsmoduls 2 der nahezu reine Wasserstoff abgetrennt. Dazu weist das Wasserstoffseparationsmodul 2, welches auch als Membranmo dul 2 bezeichnet wird, Membranen auf, welche für Wasserstoff H2 selektiv durchlässig sind.In Fig. 1, a gas generating system 1 for generating near-pure hydrogen H 2 is shown. In the regular operation of the gas generating system 1 is from an oxygen-containing medium O 2 , such as air, water H 2 O and a koh hywasserstoffhaltigen compound C n H m or a mixture of hydrocarbon-containing compounds such. As gasoline, diesel or hydrocarbon derivatives, such as alcohols or derglei surfaces, produces a hydrogen-containing gas. From this hydrogen-containing gas is then separated by means of a Wasserstoffseparati onsmoduls 2 of almost pure hydrogen. For this purpose, the hydrogen separation module 2 , which is also referred to as Membranmo module 2 , membranes, which are selectively permeable to hydrogen H 2 .
In dem Gaserzeugungssystem 1 wird also aus den oben genannten Edukten Luft O2, Wasser H2O, und einer kohlenwasserstoffhalti gen Verbindung CnHm in einer autothermen Reformierungsstufe 3 und einer nachfolgenden Hochtemperaturshiftstufe 4 das wasser stoffreiche Gas erzeugt, welches dann in dem Membranmodul 2 in den nahezu reinen Wasserstoff H2 und ein Restgas R, das soge nannte Retentat, aufgeteilt wird. Der Wasserstoff H2 kann dann beispielsweise einer Brennstoffzelle zugeführt werden. Das Restgas wird über die Leitung 5 aus dem Membranmodul 2 abge führt und wird, gegebenenfalls zusammen mit anderen Abgasen und/oder optionalem zusätzlichen Brennstoff F, über später noch erläuterte Zwischenkomponenten einem katalytischen Brenner 6 zugeführt. In dem katalytischen Brenner 6 erfolgt dann eine Um setzung der verwertbaren Inhalte des Restgases R in thermische Energie, wozu im katalytischen Brenner 6 außer dem Restgas R zumindest noch ein sauerstoffhaltiges Medium O2 bzw. Luft über eine Mischeinrichtung 7 zugeführt wird. In dem katalytischen Brenner 6 werden diese Ausgangsstoffe dann zu thermischer Ener gie umgesetzt und die heißen Abgase der katalytischen Verbren nung in den Bereich des Membranmoduls 2, und hier insbesondere in ein Gehäuse 8 des Membranmoduls 2, geleitet, welches als Wärmetauscher so ausgebildet ist, dass das Membranmodul 2 durch die heißen Abgase des katalytischen Brenners 6 beheizt werden kann. Die Integration des Wärmetauschers in das Gehäuse 8 des Membranmoduls 2 ermöglicht dabei einen sehr kompakten Aufbau mit günstigen Eigenschaften hinsichtlich thermischer Verluste, Packaging und dergleichen. Des weiteren beheizt der katalyti sche Brenner 6 den Wärmetauscher 9.In the gas generating system 1 is thus from the above educts air O 2 , water H 2 O, and a kohlenwasserstoffhalti gene compound C n H m in an autothermal reforming stage 3 and a subsequent high temperature shift stage 4, the water-rich gas generated, which then in the membrane module 2 in the almost pure hydrogen H 2 and a residual gas R, the so-called retentate, is divided. The hydrogen H 2 can then be supplied to a fuel cell, for example. The residual gas is led abge via the line 5 from the membrane module 2 and, optionally together with other exhaust gases and / or optional additional fuel F, via later explained intermediate components fed to a catalytic burner 6 . In the catalytic burner 6 then takes place to a conversion of the usable contents of the residual gas R into thermal energy, including in the catalytic burner 6 except the residual gas R at least one oxygen-containing medium O 2 or air is supplied via a mixing device 7 . In the catalytic burner 6 , these starting materials are then converted into thermal energy and the hot exhaust gases of the catalytic combustion in the region of the membrane module 2 , and here in particular in a housing 8 of the membrane module 2 , passed, which is designed as a heat exchanger so that the membrane module 2 can be heated by the hot exhaust gases of the catalytic burner 6 . The integration of the heat exchanger in the housing 8 of the membrane module 2 allows a very compact structure with favorable properties in terms of thermal losses, packaging and the like. Furthermore, the catalytic cal burner 6 heats the heat exchanger 9 .
Das Gaserzeugungssystem 1 funktioniert im regulären Betrieb, nach den durchlaufen eines später noch erläuterten Kaltstarts nun so, dass über eine Leitung 10 Luft O2 als eines der Edukte für die autotherme Reformierungsstufe 3 zugegeben wird. Über einen Wärmetauscher 11 wird diese Luft O2 dann von einem Teil der Restwärme in den aus dem Gehäuse 8 des Membranmoduls 2 aus tretenden Abgasen des katalytischen Brenners 6 vorgewärmt. In die vorgewärmte Luft O2 wird im Bereich einer Dosierstelle 12 ein Teil des als Edukt benötigten Wassers H2O so eindosiert, dass damit die Temperatur des Produktgases für die Hochtempera turshiftstufe 4 in einem Wärmetauscher 13 soweit abgekühlt wird, dass das Temperaturniveau des Produktgases zu Umsetzung in der Hochtemperaturshiftstufe 4 möglichst ideal ist. Nach dem Wärmetauscher 13 gelangt das überhitzte Gemisch aus Wasser H2O und Luft O2 in den Bereich einer weiteren Dosierstelle 14. Hier wird das restliche für die autotherme Reformierung benötigte Wasser H2O zugefügt.The gas generating system 1 operates in normal operation, after passing through a cold start, which will be explained later, in such a way that air O 2 is added via line 10 as one of the educts for the autothermal reforming stage 3 . Via a heat exchanger 11 , this air O 2 is then preheated by a part of the residual heat in the out of the housing 8 of the membrane module 2 passing exhaust gases of the catalytic burner 6 . In the preheated air O 2 , a portion of the water required as starting material H 2 O is metered so that thus the temperature of the product gas for the high temperature turshiftstufe 4 is cooled in a heat exchanger 13 in the region of a metering point 12 that the temperature level of the product gas to Implementation in the high temperature shift stage 4 is as ideal as possible. After the heat exchanger 13 , the superheated mixture of water H 2 O and air O 2 reaches the area of a further metering point 14 . Here, the remaining water required for autothermal reforming H 2 O is added.
Nach dem Durchströmen des Wärmetauschers 9 wird dem dann im allgemeinen überhitzten Gemisch aus Luft O2 und Wasserdampf H2O die kohlenwasserstoffhaltige Verbindung CnHm zugeführt, z. B. in dem Volumenstrom des Gemischs zerstäubt. In der autothermen Re formierungsstufe 3 werden diese Edukte dann in an sich bekann ter Weise in das wasserstoffhaltige Produktgas, welches auch als Reformat bezeichnet wird, umgesetzt. Nach dem oben schon beschriebenen Durchströmen des Wärmetauschers 13 und einer dar in erfolgenden Abkühlung des Reformats auf ein für die Hochtem peraturshiftstufe 4 geeignetes Temperaturniveau, bei gleichzei tiger Erwärmung der Edukte, strömt das Reformat in die Hochtem peraturshiftstufe 4 und verlässt diese als wasserstoffreiches Gas, um in das Membranmodul 2 einzuströmen.After flowing through the heat exchanger 9 , the then generally overheated mixture of air O 2 and steam H 2 O, the hydrocarbon-containing compound C n H m is supplied, for. B. atomized in the flow of the mixture. In the autothermal Re formation stage 3 , these starting materials are then reacted in a manner known per se ter in the hydrogen-containing product gas, which is also referred to as a reformate. After the above-described flow through the heat exchanger 13 and a Dar in succession cooling of the reformate to a high tem peraturshiftstufe 4 suitable temperature level, at the same time tiger heating of the reactants, the reformate flows into the Hochtem peraturshiftstufe 4 and leaves them as a hydrogen-rich gas to to flow into the membrane module 2 .
In dem Membranmodul 2 erfolgt die Trennung des wasserstoff reichen Reformats in Wasserstoff H2 und Retentat bzw. Restgas R, welches dem oben bereits beschriebenen Wärmetauscher 11 zu geführt wird, um mit seiner Restwärme die Luft O2 für die auto therme Reformierungsstufe 3 vorzuwärmen. Nach dem Durchströmen des Wärmetauschers 11 gelangt das Retentat bzw. Restgas über weitere optionale Einrichtungen, wie beispielsweise eine Druck halteeinrichtung 15 zur Aufrechterhaltung des Systemdrucks in dem Gaserzeugungssystem 1, in den Bereich der Mischeinrichtung 7. Dort wird das Restgas R, wie bereits erwähnt, zumindest mit dem sauerstoffhaltigen Medium bzw. der Luft O2 und gegebenen falls mit einem zusätzlichen optionalen Brennstoff F vermischt und dem katalytischen Brenner 6 zugeführt. Die heißen Abgase aus dem katalytischen Brenner 6 gelangen dann zu dem als Wärme tauscher ausgebildeten Gehäuse 8 des Membranmoduls 2 und danach gegebenenfalls über geeignete Abgasreinigungseinrichtungen und/oder Restwärmetauscher in die Umgebung. In the membrane module 2 , the separation of the hydrogen-rich reformate in hydrogen H 2 and retentate or residual gas R, which is guided to the above-described heat exchanger 11 to be carried out to preheat with its residual heat, the air O 2 for the auto-thermal reforming stage 3 . After flowing through the heat exchanger 11 , the retentate or residual gas passes through further optional devices, such as a pressure holding device 15 for maintaining the system pressure in the gas generating system 1 , in the region of the mixing device. 7 There, the residual gas R, as already mentioned, at least with the oxygen-containing medium or the air O 2 and where appropriate mixed with an additional optional fuel F and fed to the catalytic burner 6 . The hot exhaust gases from the catalytic burner 6 then pass to the heat exchanger designed as a housing 8 of the membrane module 2 and then optionally via suitable exhaust gas purification devices and / or residual heat exchanger into the environment.
Der zusätzliche optionale Brennstoff F kann z. B. dieselbe koh lenwasserstoffhaltige Verbindung CnHm, wie zum Betreiben der autothermen Reformierungsstufe 2, sein. Neben dieser ohnehin benötigten kohlenwasserstoffhaltigen Verbindung CnHm, wäre auch die Verwendung eines anderen Brennstoffs F, z. B. eines leichter siedenden oder bereits gasförmig vorliegenden Brennstoffs denk bar. Insbesondere für den Startfall könnte zum schnellen anwär men des Systems eine kurzkettige Kohlenwasserstoffverbindung oder ein wasserstoffreiches Gas verwendet werden.The additional optional fuel F can, for. B. the same koh hydrocarbon-containing compound C n H m , as for operating the autothermal reforming stage 2 , be. In addition to this anyway required hydrocarbon compound C n H m , the use of another fuel F, z. B. a lower boiling or already gaseous fuel conceivable bar. In particular, for the starting case, a short-chain hydrocarbon compound or a hydrogen-rich gas could be used for fast Anwär the system.
Die Mischeinrichtung 7 kann, außer zum Vermischen des Restgases R mit der Luft O2, für den Start des Gaserzeugungssystems 1 auch als Startbrenner genutzt werden.The mixing device 7 can, except for mixing the residual gas R with the air O 2 , are used for the start of the gas generating system 1 as a starting burner.
Wie in Fig. 2 dargestellt, weist die Mischeinrichtung 7 dazu eine Zündeinrichtung 16 auf, welche beispielsweise als Glühker ze, Zündkerze oder dergleichen ausgebildet sein kann. Wird der Mischeinrichtung 7 im Startfall nun Luft O2 zusammen mit dem Brennstoff F zugeführt, so kann über die Zündeinrichtung 16 dieses Gemisch entzündet werden. Das Gemisch wird dann direkt mit einer Flamme verbrennen und, gegebenenfalls nach einer ge wissen Leitungslänge, in den katalytischen Brenner 6 einströmen und diesen entsprechend auf seine Starttemperatur erwärmen, ehe auch dort das Gemisch aus Luft O2 und Brennstoff F katalytisch umgesetzt wird.As shown in Fig. 2, the mixing device 7 to an ignition device 16 , which may be formed, for example, as Glühker ze, spark plug or the like. If the mixing device 7 is now supplied with air O 2 together with the fuel F in the start case, then this mixture can be ignited via the ignition device 16 . The mixture is then burned directly with a flame and, if appropriate, after a ge know line length, flow into the catalytic burner 6 and heat it to its starting temperature before there, the mixture of air O 2 and fuel F is catalytically implemented.
Nachdem der katalytische Brenner 6 erwärmt ist und eine für seinen Start ausreichende Temperatur erreicht hat, wird auch der katalytische Brenner 6 selbst gezündet. Die heissen Abgase seiner katalytischen Verbrennung erwärmen dann das Wasser stoffseparationsmodul 2, indem sie den in sein Gehäuse 8 inte grierten Wärmetauscher durchströmen. Im Bereich des Wasser stoffseparationsmoduls bzw. Membranmoduls 2 auskondensierendes Wasser wird dabei lediglich im Bereich des Wärmetauschers aus kondensieren, so dass die Membranen des Membranmoduls 2 selbst nicht mit dem auskondensierten Wasser in Berührung kommen. In einem dritten Verfahrensschritt werden danach die Edukte bzw. zumindest eines der Edukte, im allgemeinen Luft O2, durch den Wärmetauscher 9 des katalytischen Brenners 6 zu der autothermen Reformierungsstufe 3 geleitet, wobei diese mit der sie durch strömenden heissen Luft O2 erwärmt wird. Der heisse Luftstrom kann dann ausserdem die nachgeschaltete Hochtemperaturshiftstu fe 4 sowie das Membranmodul 2 selbst erwärmen und kann dann nach dem Zurückströmen zu der Mischeinrichtung 7 zur erneuten Zufuhr von vorgewärmten umsetzbaren Resten in den katalytischen Brenner 6 genutzt werden.After the catalytic burner 6 is heated and has reached a sufficient temperature for its start, the catalytic burner 6 itself is ignited. The hot exhaust gases of its catalytic combustion then heat the water stoffseparationsmodul 2 by flowing through the inte grated in his housing 8 heat exchanger. In the area of the water separation module or membrane module 2 auskondensierendes water will condense out only in the region of the heat exchanger, so that the membranes of the membrane module 2 itself does not come into contact with the condensed water. In a third process step, the educts or at least one of the educts, generally air O 2 , then passed through the heat exchanger 9 of the catalytic burner 6 to the autothermal reforming stage 3 , which is heated with the flowing through hot air O 2 . The hot air stream can then also heat the downstream Hochtemperaturshiftstu fe 4 and the membrane module 2 itself and can then be used after flowing back to the mixing device 7 for re-supply of preheated convertible radicals in the catalytic burner 6 .
Erst nachdem die autotherme Reformierungsstufe 3 eine ausrei chende Temperatur für ihren Start erreicht hat und ausserdem in dem Wasserstoffseparationsmodul 2 eine ausreichende Temperatur vorliegt, wird die autotherme Reformierungsstufe 3 selbst ge zündet, wozu die kohlenwasserstoffhaltige Verbindung CnHm zuge geben wird. Während der Startphase wird die autotherme Refor mierungsstufe 3 dann mit der Luft O2 als sauerstoffhaltiges Me dium und der kohlenwasserstoffhaltigen Verbindung CnHm so be trieben, dass durch die Wahl eines Luftlambdas λ von mehr als 0,3 ein exothermer Betrieb erreicht wird. Durch diesen exother men Betrieb der autothermen Reformierungsstufe 3 im Startfall wird erreicht, dass die Abgase der autothermen Reformierungs stufe 3 die nachfolgenden Komponenten, wie die Hochtempera turshiftstufe 4 und das Membranmodul 2, schneller erwärmen. Zu diesem Zweck kann ausserdem in dem Bereich des katalytischen Brenners 6 eine höhere Menge an Brennstoff F und Luft O2 bzw. sauerstoffhaltigem Medium dosiert werden als für den Normalbe trieb des katalytischen Brenners 6 vorgesehen ist. Zwar wird der katalytische Brenner 6 dann während des Starts mit höheren Temperaturen belastet, welche zu einer schnelleren Alterung des katalytischen aktiven Materials führen, dies kann jedoch auf grund der im allgemeinen sehr kurzen Startphasen eines derarti gen Gaserzeugungssystems 1 zum Zwecke des schnelleren Starts toleriert werden.Only after the autothermal reforming stage 3 has reached a suffi cient temperature for their start and also in the hydrogen separation module 2 is a sufficient temperature, the autothermal reforming stage 3 itself ignited, to which the hydrocarbon-containing compound C n H m will give added. During the starting phase, the autothermal Refor is mierungsstufe 3 then with the air O 2 as oxygen-containing Me medium and the hydrocarbon-containing compound C n H m so be exaggerated that an exothermic operation is achieved by the choice of an air lambda λ of more than 0.3. Through this exothermic operation of the autothermal reforming stage 3 in the start case is achieved that the exhaust gases of the autothermal reforming stage 3, the following components, such as the high temperature turshiftstufe 4 and the membrane module 2 , heat faster. For this purpose, in addition, in the region of the catalytic burner 6, a higher amount of fuel F and air O 2 or oxygen-containing medium are metered than for the normal operation of the catalytic burner 6 is provided. Although the catalytic burner 6 is then loaded during startup with higher temperatures, which lead to a faster aging of the catalytic active material, but this can be tolerated due to the generally very short start phases of derarti conditions gas generating system 1 for the purpose of faster start.
Während des dritten Verfahrensschritts kann ausserdem zur Ver besserung des Wärmeübergangs von den heissen Abgasen der exo therm betriebenen autothermen Reformierungsstufe 3 auf die nachfolgenden Komponenten Wasser H2O in den Bereich der exo thermen Reformierungsstufe 3 bzw. in den Bereich des Wärmetau schers 9 des katalytischen Brenners 6 eingespritzt werden, z. B. über die Dosierung 14. Dieses Wasser, welches im regulären Be trieb über zumindest eine der die Dosierstellen 12, 14, und im Kaltstart idealer Weise nur über die Dosierung 14, um eine un nötige Abkühlung der Abgase der autothermen Reformierungsstufe 3 vor dem Einströmen in die Hochtemperaturshiftstufe 4 zu ver meiden, als Edukt ohnehin eingespritzt wird verbessert während des Start des Gaserzeugungssystems 1 den Wärmeübergang von den heissen Abgasen der dann exotherm betriebenen autothermen Re formierungsstufe 3 auf die folgenden Komponeten, so dass der Startvorgang nochmals verkürzt werden kann.During the third process step can also be used to improve the heat transfer from the hot exhaust gases of the exothermally operated autothermal reforming stage 3 to the following components of water H 2 O in the area of exo thermal reforming stage 3 and in the range of Wärmetau shear 9 of the catalytic burner 6 are injected, z. B. on the dosage 14th This water, which in regular loading operation over at least one of the metering points 12 , 14 , and ideally in cold start only via the dosage 14 to avoid un necessary cooling of the exhaust gases of the autothermal reforming stage 3 before flowing into the high temperature shift stage 4 to ver , injected as educt anyway improved during the start of the gas generating system 1, the heat transfer from the hot exhaust gases of the then exothermically operated autothermal Re formation stage 3 on the following components, so that the starting process can be shortened again.
Nachdem die Komponenten ihre Solltemperaturen erreicht haben, kann das Gaserzeugungssystem 1 dann durch eine Veränderung der Zusammensetzung der Edukte in den regulären Betrieb überführt werden. Dies bedeutet insbesondere eine Änderung des Luft lambdas und des Verhältnisses S/C von Wasserdampf (S/Steam) zu Kohlenstoff C sowie dem Abschalten der Zündeinrichtung 16 und der Zufuhr von Brennstoff F zu der Mischeinrichtung 7.After the components have reached their target temperatures, the gas generating system 1 can then be converted by a change in the composition of the reactants in the regular operation. This means, in particular, a change in the air lambda and the ratio S / C of water vapor (S / steam) to carbon C and the switching off of the ignition device 16 and the supply of fuel F to the mixing device 7 .
Ausserdem kann bereits bevor alle anderen Komponenten ihre Solltemperaturen erreicht haben die Beheizung des Membranmoduls 2 reduziert werden, da diese Komponente im allgemeinen ihre be nötigte Betriebstemperatur als erstes erreicht. Bereits in die ser Phase kann dann aus den in das Membranmodul 2 einströmenden Gasen Wasserstoff H2 abgeschieden werden.In addition, even before all other components have reached their setpoint temperatures, the heating of the membrane module 2 can be reduced, since this component generally reaches its required operating temperature be the first. Already in the water phase can then be separated from the gases flowing into the membrane module 2 hydrogen H 2 .
Alles in allem ist mit diesem Verfahren zum Starten des Gaser zeugungssystems unter Ausnutzung des ohnehin vorhandenen Syste maufbaus ein idealer und sehr schneller Kaltstart möglich.All in all, this procedure is used to start the gas system using the already existing system maufbaus an ideal and very fast cold start possible.
Claims (12)
in einem ersten Verfahrensschritt die Mischeinrichtung (7) als Startbrenner genutzt wird, wobei in dieser ein Brennstoff (F) zusammen mit dem sauerstoffhaltigen Medi um (O2) gezündet wird und den katalytischen Brenner (6) erwärmt,
in einem zweiten Verfahrensschritt, nachdem der kataly tische Brenner (6) eine für einen Start ausreichende Temperatur erreicht hat, der katalytische Brenner (6) gezündet wird, wobei dessen heiße Abgase das Wasser stoffseparationsmodul (2) erwärmen,
in einem dritten Verfahrensschritt zumindest eines der Edukte durch den Wärmetauscher (9) des katalytischen Brenners (6) zu der autothermen Reformierungsstufe (3) geleitet wird und diese erwärmt,
in einem vierten Verfahrensschritt nach dem Erreichen einer ausreichenden Temperatur in der autothermen Refor mierungsstufe (3) und in dem Wasserstoffseparationsmodul (2) die autotherme Reformierungsstufe (3) gezündet und exotherm betrieben wird, und
in einem fünften Verfahrensschritt, nachdem die Kompo nenten ihre Solltemperaturen erreicht haben, das Gaser zeugungssystem (1) durch eine Veränderung der Zusammen setzung der zugegebenen Edukte in den regulären Betrieb überführt wird.6. A method for starting a gas generating system according to any one of the preceding claims, characterized in that
in a first method step, the mixing device ( 7 ) is used as a starting burner, wherein in this a fuel (F) is ignited together with the oxygen-containing Medi to (O 2 ) and the catalytic burner ( 6 ),
, the catalytic burner (6) is ignited in a second method step, after the catalytically diagram burner has (6) reaches a sufficient temperature for a start, wherein the hot flue gas-separation module, the water (2) warm,
in a third process step, at least one of the educts is passed through the heat exchanger ( 9 ) of the catalytic burner ( 6 ) to the autothermal reforming stage ( 3 ) and heated,
in a fourth process step after reaching a sufficient temperature in the autothermal Refor mierungsstufe ( 3 ) and in the hydrogen separation module ( 2 ) the autothermal reforming stage ( 3 ) ignited and operated exothermic, and
in a fifth method step, after the components have reached their setpoint temperatures, the gasification system ( 1 ) is converted into regular operation by a change in the composition of the added educts.
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---|---|---|---|---|
DE10355494A1 (en) * | 2003-11-27 | 2005-07-07 | Webasto Ag | System and method for converting fuel and oxidant to reformate |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4820594A (en) * | 1986-02-07 | 1989-04-11 | Hitachi, Ltd. | Method of starting fuel cell power generation system |
DE19755815C2 (en) * | 1997-12-16 | 1999-12-09 | Dbb Fuel Cell Engines Gmbh | Process for steam reforming a hydrocarbon or hydrocarbon derivative, reformer that can be operated with it, and fuel cell operating method |
-
2002
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Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4820594A (en) * | 1986-02-07 | 1989-04-11 | Hitachi, Ltd. | Method of starting fuel cell power generation system |
DE19755815C2 (en) * | 1997-12-16 | 1999-12-09 | Dbb Fuel Cell Engines Gmbh | Process for steam reforming a hydrocarbon or hydrocarbon derivative, reformer that can be operated with it, and fuel cell operating method |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10355494A1 (en) * | 2003-11-27 | 2005-07-07 | Webasto Ag | System and method for converting fuel and oxidant to reformate |
DE10355494B4 (en) * | 2003-11-27 | 2009-12-03 | Enerday Gmbh | System and method for converting fuel and oxidant to reformate |
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