DE10241669B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Abtrennen von nahezu reinem Wasserstoff aus einem wasserstoffhaltigen Gasstrom - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum Abtrennen von nahezu reinem Wasserstoff aus einem wasserstoffhaltigen Gasstrom Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zum Abtrennen von zumindest nahezu reinem Wasserstoff aus einem wasserstoffhaltigen Gasstrom, insbesondere einem Gasstrom aus einer Wasserstofferzeugungseinrichtung, zum Betreiben einer Brennstoffzelle, wobei ein erstes Wasserstoffseparationsmodul vorhanden ist, welches das wasserstoffhaltige Gas in einen zumindest nahezu reinem Wasserstoffgasstrom und einen Restgasstrom aufteilt, und wobei in Strömungsrichtung des Restgasstroms wenigstens ein weiteres Wasserstoffseparationsmodul angeordnet ist, welches den Restgasstrom erneut in zumindest nahezu reinen Wasserstoff und Restgas aufteilt dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung des Restgasstroms vor dem wenigstens einen weiteren Wasserstoffseparationsmodul (10) ein Wassergasshiftreaktor (14) angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Abtrennen von zumindest nahezu reinem Wasserstoff aus einem wasserstoffhaltigen Gasstrom nach der in den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 9 näher definierten Art.
  • Brennstoffzellen, insbesondere solche für mobile Anwendungen, können durch Wasserstofferzeugungseinrichtungen z.B. mittels Reformierung von Kohlenwasserstoffen wie zum Beispiel Methanol, Benzin oder Diesel mit Wasserstoff versorgt werden. Das in einem Reformierungsprozess entstandene Produktgas enthält neben Wasserstoff auch Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasserdampf. Insbesondere das Kohlenmonoxid muss für die Anwendung in der Brennstoffzelle entfernt werden, da dieses Gas als Katalysatorgift wirkt und zu einer Leistungseinbuße in der Brennstoffzelle führt.
  • Für die Wasserstoffabtrennung werden seit langem Membranen eingesetzt, die aus verschiedenen Materialien wie zum Beispiel Keramik, Glas, Polymer oder Metall bestehen können. Metallmembranen zeichnen sich durch eine hohe Selektivität für Wasserstoff und eine hohe Temperaturstabilität aus, haben aber vergleichsweise niedrige Permeationsraten.
  • Um eine gewünschte Permeationsrate zu erreichen, verwendet man eine Vielzahl von Membranzellen mit jeweils einer wasserstoffselektiven Membran, bei denen die einzelnen Membranen entweder nacheinander (seriell) oder nebeneinander (parallel) vom wasserstoffhaltigen Reformatgas angeströmt werden. Die Membranzellen werden aufeinander gestapelt, um ein kompaktes Wasserstoffseparationsmodul zu bilden.
  • Derartige Wasserstoffseparationsmodule bzw. Membranmodule sind beispielsweise durch die DE 198 60 253 C1 oder die DE 199 20 517 C1 beschrieben.
  • Aus den Schriften DE 692 01 942 T2 , EP 0 570 185 A2 sowie EP 0 974389 A2 , gehen jeweils Verfahren und/oder Vorrichtungen zur Erzeugung eines nahezu reinen Gases durch Permeation hervor. Diese Vorrichtungen sind dabei durchgehend so aufgebaut, dass sie über zwei getrennte Permeationsstufen verfügen können. Unmittelbar an die erste Permeationsstufe schließt sich dabei hochdruckseitig eine zweite Permeationsstufe an, so dass dem nach der ersten Permeationsstufe verbleibenden Restgas nochmals der gewünschte Gasbestandteil, z.B. Wasserstoff, abgeschieden werden kann. Durch das Hintereinanderschalten von zwei Permeationsstufen wird die Ausbeute an dem gewünschten reinen Gas erhöht.
    •
  • Ausgehend von dem oben beschriebenen Stand der Technik ist es nun die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung sowie eine Verfahren zum Abtrennen von nahezu reinem Wasserstoff aus einem wasserstoffhaltigen Gasstrom, insbesondere einem Gasstrom aus einer Wasserstofferzeugungseinrichtung, zum Betreiben einer Brennstoffzelle, mit einem Wasserstoffseparationsmodul zu schaffen, welche eine möglichst hohe Ausbeute an Wasserstoff bei möglichst kleinem Wasserstoffseparationsmodul erlaubt.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst . Ein erfindungsgemäßes Verfahren, welches durch die Merkmale des Anspruchs 9 beschrieben ist, löst die oben genannte Aufgabe der Erfindung ebenfalls.
  • Die Erfindung sieht die Verwendung eines ersten Wasserstoffseparationsmoduls vor, durch welches ein erster Anteil an Wasserstoff aus dem wasserstoffhaltigen Gas abgetrennt wird. Der verbleibende Restgasstrom gelangt dann nochmals in das wenigstens eine weitere Wasserstoffseparationsmodul. Da der Restgastrom nach dem ersten Wasserstoffseparationsmodul immer noch einen Anteil von zumindest einigen Prozent an Wasserstoff aufweist, wird in dem wenigstens einen weiteren Wasserstoffseparationsmodul nochmals Wasserstoff abgetrennt, wobei die einzelnen Wasserstoffströme gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach den Wasserstoffseparationsmodulen zusammengeführt werden. Die Ausbeute an Wasserstoff und damit die Utilisation bzw. der Wirkungsgrad der Wasserstoffseparationsmodule steigt damit an. Unter der Utilisation bzw. dem Wirkungsgrad ist dabei das Verhältnis zwischen der Menge an Wasserstoff, welcher durch das Wasserstoffseparationsmodul abgetrennt wird, und der Menge an Wasserstoff, welcher dem Wasserstoffseparationsmodul zugeführt wird, zu verstehen.
  • Diese beschriebene Kaskadierung der Wasserstoffseparationsmodule lässt sich im Prinzip beliebig oft wiederholen, wobei jeweils das Restgas, das sogenannte Retentat, aus dem einen Wasserstoffseparationsmodul in das nachfolgende Wasserstoffseparationsmodul geleitet wird. Bei dem üblichen Wasserstoffgehalten eines aus einer Wasserstofferzeugungseinrichtung stammendem wasserstoffhaltigen Gasstroms sind, insbesondere auch unter dem Gesichtpunkt einer möglichst kompakten Bauweise zwei bis drei der Wasserstoffseparationsmodule in der erfindungsgemäßen seriellen Verschaltung ausreichend. Um die nachfolgenden Ausführungen und dass Ausführungsbeispiel leichter verständlich zu gestalten, wird nunmehr auf jeweils nur zwei Wasserstoffseparationsmodule eingegangen, was jedoch weder Erfindung noch die nachfolgenden Ausführungen auf genau diese Anzahl an Wasserstoffseparationsmodule einschränken soll.
  • Um die Effizienz des Aufbaus noch weiter zu steigern, ist es vorgesehen, dass in Strömungsrichtung des Restgasstroms vor dem wenigstens einen weiteren Wasserstoffseparationsmodul ein Wassergasshiftreaktor angeordnet ist.
  • Mit diesem Wassergasshiftreaktor zwischen den kaskadierten Wasserstoffseparationsmodulen wird die an sich bekannte und im Bereich von Wasserstofferzeugungseinrichtungen ohnehin häufig genutzte Wassergasshiftreaktion verwendet, um das in dem Restgasstrom vorhandene Kohlenmonoxid, dessen Konzentration aufgrund der Separation eines großen Teils des in dem wasserstoffhaltigen Gasstrom enthaltenen Wasserstoffs nochmals angestiegen ist, mit in dem Restgasstrom enthaltenen Wasser zu Kohlendioxid und Wasserstoff umzusetzen. Der so zusätzlich gewonnene Wasserstoff kann zusammen mit dem in dem Restgasstrom noch vorhandenen Wasserstoff dann zumindest teilweise in dem weiteren Wasserstoffseparationsmodul abgetrennt werden, die Gesamtausbeute an Wasserstoff steigt an.
  • Eine besonders vorteilhafte Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht es vor, dass ein Druck des Wasserstoffs nach dem ersten Wasserstoffseparationsmodul unter 1,2 bara (absoluter Druck) gehalten wird, während der Druck des Wasserstoff nach dem wenigstens einen weiteren Wasserstoffseparationsmodul unter 0,9 bara gehalten wird, wobei die Druckdifferenz zwischen den beiden Wasserstoffströmen über eine Wasserstofffördereinrichtung ausgeglichen wird.
  • Der Druck unterhalb von 1,2 bara oder niedriger kann beispielsweise durch veränderte Betriebsparameter der Brennstoffzelle und insbesondere durch den Verzicht auf eine Strahlpumpe, welche zur Rückführung von Rest-Wasserstoff nach dem Durchströmen eines Anodenraums der Brennstoffzelle in den Bereich des einströmenden Wasserstoffs häufig eingesetzt wird, erreicht werden. Derartige Strahlpumpen benötigen prinzipbedingt einen Druck von zumindest 1,3 bis 1,5 bara des Fördergasstroms, welcher hier der aus dem Wasserstoffsepara tionsmodul kommende Wasserstoffstrom ist. Durch den Verzicht auf eine derartige Strahlpumpe bzw. den Einsatz einer nach einem anderen Prinzip arbeitenden Pumpe, wie z.B. einer Membrankolbenpumpe, für den Anodenkreislauf kann also in idealer Weise ein niedriger Druck hinter dem Wasserstoffseparationsmodul erzielt werden. Durch diesen gegenüber dem Stand der Technik niedrigeren Druck in Strömungsrichtung hinter dem Wasserstoffseparationsmodul lässt sich die Utilisation bzw. der Wirkungsgrad des Wasserstoffseparationsmoduls steigern.
  • Die Steigerung der Utilisation durch die Senkung des Druckniveaus nach dem Wasserstoffseparationsmodul kann insgesamt mit deutlich weniger Energieeinsatz erreicht werden, als eine vergleichbare Steigerung der Utilisation durch eine Steigerung des Drucks in dem in das Wasserstoffseparationsmodul einströmenden wasserstoffhaltigen Gas, dem sogenannten Feedgas. Diese Energieeinsparung tritt insbesondere bei Systemen, bei welchen das wasserstoffhaltige Gas aus einer autothermen Reformierung eines Kohlenwasserstoffs, wie z.B. Benzin stammt, auf, da bei derartigen Systemen neben dem Wasser und dem Kohlenwasserstoff auch noch das kompressible Medium Luft verdichtet werden muss.
  • In dem wenigsten einen weiteren Wasserstoffseparationsmodul wird gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wasserstoffseitig nach dem Wasserstoffseparationsmodul eine Wasserstofffördereinrichtung eingesetzt, so dass im Bereich zwischen dem weiteren Wasserstoffseparationsmodul und der Wasserstofffördereinrichtung ein Druckniveau kleiner als 0,9 bara, insbesondere ca. 0,8 bara erreicht wird.
  • Durch diese weitere Absenkung des Druckniveaus lässt sich die Ausbeute an Wasserstoff im Bereich des wenigstens einen weiteren Wasserstoffseparationsmoduls nochmals steigern, die Druckdifferenz zu dem Wasserstoff aus dem ersten Wasserstoffseparationsmodul, welche üblicherweise unter 500 mbar liegen wird, kann durch die Wasserstofffördereinrichtung ausgeglichen werden. Üblicherweise setzt sich der Wasserstoffstrom, welcher zu der Brennstoffzelle strömt so zusammen, dass ca. 90% des Wasserstoffs aus dem Bereich des ersten Wasserstoffseparationsmoduls und nur ca. 10% des Wasserstoff aus dem Bereich des weiteren Wasserstoffseparationsmoduls stammen. Den Druck hinter dem wenigsten einen weiteren Wasserstoffseparationsmodul auf ein für die Ausbeute sehr günstiges niedriges Niveau abzusenken ist also mit einem vergleichsweise geringen Einsatz an Energie möglich. Wird parallel dazu der Druck hinter dem ersten Wasserstoffseparationsmodul nicht oder zumindest nicht durch den Einsatz von größeren Mengen an Energie abgesenkt, so ergibt sich die Möglichkeit einer sehr hohen Ausbeute an Wasserstoff bei vergleichsweise geringem Einsatz an parasitärer Energie.
  • Eine besonders vorteilhafte Verwendung für alle Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und/oder des erfindungsgemäßen Verfahrens ist durch den Anspruch 12 näher beschrieben.
  • Der hohe Wirkungsgrad bei der Wasserstoffabscheidung sowie die Möglichkeit eines sehr kompakten, integrieren Aufbaus, welcher mittels der Erfindung zu erzielen ist, prädestiniert die Erfindung geradezu für kleine Energieversorgungssysteme, wie z.B. Hilfsenergieerzeuger (Auxiliary Power Unit/APU), auf der Basis einer Brennstoffzelle, insbesondere mit einer integrierten Wasserstofferzeugungseinrichtung. Gerade hier spielen der Wirkungsgrad sowie die kompakte und leichte Bauweise eine entscheidende Rolle. Da es nun einer der besonderen Vorteile der Erfindung ist, je Volumeneinheit sehr viel Wasserstoff abtrennen zu können, ist sie für den Einsatz in solchen APU-Systemen besonders geeignet.
    •
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen sowie aus den nach folgend anhand der Zeichnung näher dargestellten Ausführungs beispielen.
  • Dabei zeigen:
  • 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Abtrennen von Wasserstoff aus einem wasserstoffhaltigen Gasstrom;
  • 2 einen Aufbau der Vorrichtung gemäß 2 als ein integriertes Bauteil; und
  • 3 einen Teilschnitt des Bauteils gemäß 3.
  • In 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 in ihrem Prinzip dargestellt. Dabei ist ein erstes Wasserstoffseparationsmodul 2 erkennbar, welchem über eine Leitung 3 ein wasserstoffhaltiges Gas, ein sogenanntes Feedgas, zugeführt wird. Dieses Feedgas kann prinzipiell aus beliebigen Quellen stammen. Für die nachfolgend erläuterten Beispiele wird jedoch davon ausgegangen, dass das Feedgas aus einer hier nur angedeuteten Wasserstofferzeugungseinrichtung 4 stammt. In der Wasserstofferzeugungseinrichtung 4 wird das Feedgas in an sich bekannter Weise aus einem Ausgangstoff gewonnen, welcher Kohlenstoff und Wasserstoff aufweist, z.B. Benzin, Diesel, Methanol oder dergleichen. Dieser Ausgangsstoff wird zusammen mit Wasser und gegebenenfalls mit Luft in einem Reformer und gegebenenfalls in einer oder mehreren nachgeschalteten Wassergasshiftstufen zu dem wasserstoffhaltigen Gas bzw. Reformatgas umgesetzt. Das Reformatgas enthält dabei üblicherweise Wasserstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid sowie Reste des Wassers und des Ausgangstoffes. Je nach eingesetztem Verfahren in dem Reformer liegt der Anteil an Wasserstoff in dem Feedgas bei ca. 40% (autotherme Reformierung) bis 65% (Dampfreformierung).
  • Durch das erste Wasserstoffseparationsmodul 2 wird von dem über die Leitung 3 aus der Wasserstofferzeugungseinrichtung 4 kommenden wasserstoffhaltigen Gasstrom ein gewisser Anteil an Wasserstoff, welcher rückbezogen auf die verfügbare Wasserstoffmenge in dem Feedgas die Utilisation bzw. den Wirkungsgrad des ersten Wasserstoffseparationsmoduls 2 bildet, selektiv aus dem Feedgas abgetrennt. Der so gewonnene Wasserstoff ist zumindest nahezu rein. Er wird über eine Leitung 5 einem Anodenraum 6 einer Brennstoffzelle 7, welche in ihrer Gesamtheit nicht dargestellt ist, zugeführt. Der Wasserstoff wird dem Anodenraum 6 üblicherweise mit einem Überschuss von ca. 20 bis 50% zugeführt, so dass nach dem Anodenraum 6 ein Gasstrom übrig bleibt, welcher in einem Anodenkreislauf 8 über eine Fördereinrichtung 9 in den Bereich des Wasserstoffs vor dem Anodenraum 6 zurückgeführt wird. Die Fördereinrichtung 9 ist bevorzugt als Membrankolbenpumpe ausgebildet, sie kann jedoch in beliebiger Art und Weise ausgebildet sein.
  • Sinnvoll ist es dabei, wenn es sich bei der Fördereinrichtung 9 nicht um eine Strahlpumpe handelt. Durch den Verzicht auf die an dieser Stelle üblicherweise eingesetzte Strahlpumpe kann am Austritt des Wasserstoffs aus dem ersten Wasserstoffseparationsmodul 2 ein Druck p1 von weniger als 1,2 bara erreicht werden, wogegen der Druck dort im Falle, dass eine Strahlpumpe Verwendung finden würde, systembedingt mindestens 1,3 bis 1,5 bara betragen müsste, da die Strahlpumpe ansonsten den Volumenstrom im Anodenkreislauf 8 nicht aufrecht erhalten könnte.
  • Die Absenkung des Druckes p1 beispielsweise von 1,3 bara auf 1,15 bara führt bei Beibehaltung der sonstigen Parameter z.B. bei einem Wasserstoffgehalt von 40% und einem Druck von 10 bara im Feedgas, bereits zu einer Steigerung des Wirkungsgrades des ersten Wasserstoffseparationsmoduls 2 um mehr als 2,5%.
  • In 1 ist darüber hinaus ein weiteres Wasserstoffseparationsmodul 10 zu erkennen, in welches über eine Leitung 11 der Restgastrom, das sogenannte Retentat, aus dem ersten Was serstoffseparationsmodul 2 strömt. In diesem Restgasstrom sind neben Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasser und Resten der Ausgangstoffe der Wasserstofferzeugung in der Wasserstofferzeugungseinrichtung 4 immer noch Anteile an Wasserstoff enthalten. Bei üblichen Wirkungsgraden von Wasserstoffseparationsmodulen liegt dieser Anteil an Wasserstoff bei ca. 10 bis 20% des ursprünglich in dem wasserstoffhaltigen Gasstrom enthaltenen Wasserstoffs. In dem weiteren Wasserstoffseparationsmodul 10, dessen Flächeninhalt der Separationsmembranen, also dessen aktive Fläche, in idealer Weise ca. 0,1 bis 0,3 des Flächeninhalts der Separationsmembranen in dem ersten Wasserstoffseparationsmodul 2 beträgt, wird aus dem Restgasstrom nochmals Wasserstoff abgetrennt. Dieser abgetrennte Wasserstoff wird über eine Wasserstofffördereinrichtung 12 dem Wasserstoffstrom aus dem ersten Wasserstoffseparationsmodul 2 zugeführt und im Bereich einer Zusammenführung 13 mit diesem -und im dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel mit dem Wasserstoffstrom aus dem Anodenkreislauf 8- zu einem Wasserstoffstrom vereinigt, welcher dann zu dem Anodenraum 6 der Brennstoffzelle 7 strömt.
  • Die Wasserstofffördereinrichtung 12 gleicht dabei eine Druckdifferenz zwischen den beiden Gasströmen aus und sorgt für einen Unterdruck P2 im Bereich des Austritts des Wasserstoffs aus dem weiteren Wasserstoffseparationsmodul 10. Wie oben bereits beschreiben, wirkt sich ein niedriger Druck P2, welcher hier beispielsweise in der Größenordnung von 0,8 bara liegen kann, positiv auf die Utilisation des weiteren Wasserstoffseparationsmodul 10 aus. Die Gesamtutilisation bzw. der Gesamtwirkungsrad der Wasserstoffabscheidung steigt damit an.
  • Der Druck p2 nach dem weiteren Wasserstoffseparationsmodul 10 muss also durch die Wasserstofffördereinrichtung auf den Druck p1 nach dem ersten Wasserstoffseparationsmodul 2 angehoben werden. Dabei werden von dem insgesamt der Brennstoffzelle 7 zugeführten Wasserstoffstrom ca. 80 bis 90% an dem ersten Wasserstoffseparationsmodul 2 und lediglich der Rest an dem weiteren Wasserstoffseparationsmodul 10 aus dem wasserstoffhaltigen Gasstrom abgetrennt. Der energetische Aufwand zum Betreiben der Wasserstofffördereinrichtung 12 hält sich also bei diesen geringen Volumenstrom des Wasserstoffs in Grenzen. Dies wirkt sich wiederum positiv auf den Gesamtwirkungsgrad eines z.B. die Vorrichtung 1, die Wasserstofferzeugungseinrichtung 4, die Brennstoffzelle 7 sowie benötigte Nebenaggregate, wie Luftversorgung und dergleichen, umfassenden Brennstoffzellensystems aus.
  • Die Wasserstofffördereinrichtung 12 kann gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel, wie auch die Fördereinrichtung 9, als Membrankolbenpumpe ausgebildet sein, es sind jedoch auch andere Fördermittel denkbar. Der Vorteil in einer derartigen Membrankolbenpumpe liegt jedoch in ihrem gegenüber einer Strahlpumpe deutlich besseren Wirkungsgrad und darin, dass kein systembedingter Mindestdruck, wie für den Förderstrahl, vorgesehen werden muss. Durch die Membrankolbenpumpe lässt sich damit ein sehr niedriger Druck, z.B. die oben genannten 0,8 bara oder weniger, hinter dem weitern Wasserstoffseparationsmodul 10 erzielen. Des weiteren ist es sehr günstig, dass die Membrankolbenpumpe robust und sehr kostengünstig ist. Sie kann außerdem sehr kompakt gebaut werden kann, was Sie insbesondere für den Einsatz in mobilen Systemen interessant macht.
  • Eine alternative, hier nicht dargestellte Ausgestaltung kann dennoch eine Strahlpumpe als Wasserstofffördereinrichtung 12 vorsehen, welche jedoch so ausgebildet ist, dass deren Förderstrahl eine deutlich höhere Dichte und einen deutlich höheren Druck aufweist als der von ihm aus dem Bereich des weiteren Wasserstoffseparationsmoduls 10 geförderte Wasserstoff. Da Druck und Dichte des Mediums, welches den Förderstrahl bildet, unmittelbar das durch die Strahlpumpe zu erzielenden Ergebnis beeinflusst, lässt sich auch so ein niedriger Druck des Wasserstoffs hinter dem weiteren Wasserstoffseparationsmodul 10 erreichen. Beispielsweise kann Wasser bei einem Druck von mehr als 5 bara, insbesondere bei ca. 10 bara, als Förderstrahl genutzt werden. Dadurch findet gleichzeitig die ohnehin erforderliche Befeuchtung und eine Kühlung eines Teil des zu dem Anodenraum strömenden Wasserstoffs durch die mit Wasser betriebene Strahlpumpe statt. Der Förderstrom gelangt z.B. aus einem Vorratsbehälter über einen Pumpe in den Bereich der dann als Strahlpumpe ausgebildeten Wasserstofffördereinrichtung 12. Der Förderstrom reißt den aus dem weiteren Wasserstoffseparationsmodul 10 kommenden Wasserstoff mit und erzeugt im Bereich zwischen dem weiteren Wasserstoffseparationsmodul 10 und der Wasserstofffördereinrichtung 12 den gewünschten niedrigen Druck p2. Falls erforderlich wird das den Förderstrom bildende Wasser danach in einem Abscheider zumindest teilweise wieder aus dem den Wasserstoff aufweisenden Stoffstrom abgeschieden.
  • Wird die Vorrichtung 1 gemäß der in 1 dargestellten Ausführung beispielsweise mit einem wasserstoffhaltigen Gasstrom aus einer Wasserstofferzeugungseinrichtung 4 betrieben, welche nach dem Prinzip der autothermen Reformierung arbeitet, so werden im Feedgas typische Konzentrationen von Wasserstoff in der Größenordnung von ca. 40% erzielt. Das wasserstoffhaltigen Gasstrom bzw. Feedgas soll dabei einen Druck von ca. 10 bara aufweisen. Die Vorrichtung 1 ist so aufgebaut, dass die aktive Fläche des ersten Wasserstoffseparationsmodul 2 zum weiteren Wasserstoffseparationsmodul 10 ca. 3:1 beträgt. Sie wird so betrieben, dass der Druck p1 hinter dem ersten Wasserstoffseparationsmodul 2 ca. 1,15 bara beträgt. Bei einem Druck p2 von ca. 0,8 bara hinter dem weiteren Wasserstoffseparationsmodul 10 kann so ein Gesamtwirkungsgrad in der Größe von 85% bis 90% erzielt werden. Ein einzelnes Wasserstoffseparationsmodul würde unter ähnlichen Bedingungen zum Vergleich nur etwa 80% Wirkungsgrad erreichen.
  • Der Anodenkreislauf 8 ist dabei für die Funktionsweise der in 1 beschriebenen Vorrichtung 1 genau sowenig notwendig, wie bei der unten beschriebenen Vorrichtung 1 in 2. Er ist jedoch wie bei allen Systemen, welche dem Anodenraum 6 der Brennstoffzelle 7 nahezu reinen Wasserstoff zuführen, unabhängig aus welche Quelle dieser Wasserstoff stammt, für den Betrieb der Brennstoffzelle 7 sinnvoll.
  • Außerdem ist im Bereich der Leitung 11 ein Wassergasshiftreaktor 14 angeordnet ist. Dieser Wassergasshiftreaktor 14 kann z.B. als Hochtemperaturshiftstufe ausgebildet sein, in welcher bei Temperaturen von ca. 350–400°C eine Wassergasshiftreaktion abläuft, bei der aus Wasser und Kohlenmonoxid Wasserstoff und Kohlendioxid entsteht. Der Vorteil eines derartigen Wassergasshiftreaktor 14 liegt nun zum einen darin, dass durch den Wassergasshiftreaktor 14 der Ausstoß an giftigem Kohlenmonoxid reduziert wird. Zum anderen wird aus dem im Restgasstrom vorhandenen Kohlenmonoxid und Wasser nochmals Wasserstoff erzeugt, so dass dem weiteren Wasserstoffseparationsmodul 10 eine höhere Wasserstoffkonzentration in dem Restgasstrom angeboten werden kann. In dem wasserstoffhaltigen Gasstrom ist vor dem ersten Wasserstoffseparationsmodul 2, wenn dieser aus einer auf einer autothermen Reformierung mit einer nachfolgenden Hochtemperaturshiftstufe basierenden Wasserstofferzeugungseinrichtung 4 stammt ein Kohlenmonoxidgehalt von ca. 2,5% zu erwarten. Nachdem ersten Wasserstoffseparationsmodul 2 wird diese Konzentration aufgrund der sich wegen des abgetrennten Wasserstoffs verringernden Gasmenge des Restgasstroms gegenüber dem wasserstoffhaltigen Gasstrom auf rund 5 bis 7% ansteigen. Durch den Wassergasshiftreaktor 14 wird dieser Kohlenmonoxidgehalt wieder auf ca. 2,5% gesenkt, wozu ein Teil des Kohlenmonoxids mit dem Wasser zu Kohlendioxid und Wasserstoff umgewandelt wird. Dieser Wasserstoff lässt sich zusammen mit dem ohnehin in dem Restgasstrom vorhanden Wasserstoff dann zu einem großen Teil in dem Wasserstoffseparationsmodul 10 aus dem Restgasstrom abtrennen.
  • Durch den Einsatz des Wassergasshiftreaktors 14 lässt sich der Gesamtwirkungsgrad der Abtrennung des Wasserstoffs aus dem wasserstoffhaltigen Gasstrom gegenüber einem Aufbau ohne Wassergasshiftstufe 14 um nochmals 2–3% steigern. Damit kann eine Gesamtutilisation der Wasserstoffabtrennung von über 90% auch bei vergleichsweise wenig Wasserstoff in dem wasserstoffhaltigen Gasstrom, z.B. ca. 40% bei autothermer Reformierung, realisiert werden. Bei Verwendung zusammen mit einem aus einer Dampfreformierung stammenden Feedgasstrom mit ca. 65% Wasserstoff lassen sich Utilisationen von 95–98% erreichen.
  • Um die Verwendung der Wasserstoffseparationsmodule 2 und 10 zusammen mit der Wassergasshiftreaktor 14 möglichst effektiv zu gestalten, sollte auf eine Zwischenkühlung und/oder Erwärmung des Restgasstroms zwischen den Bauteilen 2, 14, 10 verzichtet werden. Dies kann in günstiger Weise durch die Verwendung von Membranen in den Wasserstoffseparationsmodule 2, 10 erreicht werden, welche ähnliche Betriebstemperaturen wie der Wassergasshiftreaktor 14 benötigen oder zumindest tolerieren. Der Aufbau ist also prädestiniert für den Einsatz vom metallischen Membranen, mit ihrer hohen Selektivität, in den Wasserstoffseparationsmodulen 2, 10, z.B. auf Basis von Palladium Legierungen.
  • In 2 ist die Vorrichtung 1 in einer Ausgestaltung mit zwei Wasserstoffseparationsmodulen 2, 10 und einem Wassergasshiftreaktor 14 dargestellt. Dieselbe Vorrichtung 1 ist in 3 nochmals in einem Teilschnitt zu erkennen.
  • Die beiden Wasserstoffseparationsmodule 2 und 10 sowie der Wassergasshiftreaktor 14 sind bei dem Aufbau gemäß den 2 und 3 in einem einzigen Bauteil integriert. Der über die Leitung 3 einströmende wasserstoffhaltigen Gasstrom bzw. Feedgasstrom gelangt zuerst in das erste Wasserstoffseparationsmodul 2, in welchem ein großer Teil des Wasserstoffs in dem wasserstoffhaltigen Gasstrom abgetrennt wird und durch einen hier nur teilweise dargestellten Sammler 15 in die Leitung 5 und zu der Zusammenführung 13 gelangt. Der Restgastrom strömt nach dem ersten Wasserstoffseparationsmodul 2 durch die hier als Kanal ausgebildete Leitung 11 in den Wassergasshiftreaktor 14. Die Strömungsrichtung in dem Wassergasshiftreaktor 14 ist dabei in etwa senkrecht zu der hauptsächlichen Strömungsrichtung in dem ersten Wasserstoffseparationsmodul 2 ausgebildet.
  • Nach dem Wassergasshiftreaktor 14 schließt sich erneut ein Abschnitt der als Kanal ausgebildeten Leitung 11 an, welcher den nun mit Wasserstoff wieder angereicherten Restgasstrom dem weiteren Wasserstoffseparationsmodul 10 zuführt. Auch hier wird die Strömungsrichtung nochmals um 90° gedreht, so dass das weitere Wasserstoffseparationsmodul 10 eine hauptsächliche Strömungsrichtung aufweist, welche um 180° gedreht zu der hauptsächlichen Strömungsrichtung des ersten Wasserstoffseparationsmodul 2 verläuft. Auch das weitere Wasserstoffseparationsmodul 10 weist einen Sammler 16 auf, von welchem der abgetrennte Wasserstoff zu der Wasserstofffördereinrichtung 12 strömen kann. Das verbleibende Restgas nach dem weiteren Wasserstoffseparationsmodul 10 verlässt das Bauteil dann im Gegenstrom zum Feedgas.
  • In 3 ist aus diesem Aufbau lediglich das erste Stück der als Kanal ausgebildeten Leitung 11 herausgeschnitten, so dass die Strömungswege in den jeweiligen Komponenten 2 und 14 leichter zu erkennen sind.
  • Dieser Aufbau der beiden Wasserstoffseparationsmodule 2, 10 und des Wassergasshiftreaktors 14 erlaubt eine sehr platzsparende Anordnung, welche sehr kompakt und damit letztendlich auch mit vergleichsweise wenig Gewicht realisiert werden kann. Durch die Strömungsführung wird zusätzlich erreicht, dass alle Anschlüsse an dem Bauteil von einer Seite aus zugänglich sind. Die ist insbesondere beim Einsatz unter engen räumlichen Bedingungen, wie sie häufig in mobilen Systemen anzutreffen sind, bei der Montage und Wartung sehr günstig.
  • Die Vorrichtung 1 sowie das Verfahren zum Abtrennen von Wasserstoff aus einem wasserstoffhaltigen Gasstrom können prinzipiell bei allen Arten von Brennstoffzellenanlagen Verwendung finden, unabhängig davon, ob diese in einem mobilen System, wie z.B. ein Fahrzeug zu Land, zu Wasser oder in der Luft, in einer mobilen Notstromversorgungseinrichtung oder in einer stationären Anlage eingesetzt werden.
  • Der bevorzugte Einsatzzweck einer derartigen, wirkungsgradoptimierten und kompakt zu bauenden Brennstoffzellenanlage liegt jedoch in der Verwendung als Hilfsenergieerzeuger (Auxiliary Power Unit/APU) in einem mobilen System. Die Brennstoffzellenanlage soll dabei nicht -was jedoch auch denkbar wäre – für die Versorgung des mobilen Systems mit Antriebsenergie vorgesehen sein, sondern für die unabhängig vom Antrieb ausgeführte Bereitstellung von Energie für Hilfs- und Nebenaggregate, wie z.B. die Fahrzeugelektronik, eine Klimaanlage, eine Kommunikationseinrichtung, eine Navigationseinrichtung und dergleichen.

Claims (12)

  1. Vorrichtung zum Abtrennen von zumindest nahezu reinem Wasserstoff aus einem wasserstoffhaltigen Gasstrom, insbesondere einem Gasstrom aus einer Wasserstofferzeugungseinrichtung, zum Betreiben einer Brennstoffzelle, wobei ein erstes Wasserstoffseparationsmodul vorhanden ist, welches das wasserstoffhaltige Gas in einen zumindest nahezu reinem Wasserstoffgasstrom und einen Restgasstrom aufteilt, und wobei in Strömungsrichtung des Restgasstroms wenigstens ein weiteres Wasserstoffseparationsmodul angeordnet ist, welches den Restgasstrom erneut in zumindest nahezu reinen Wasserstoff und Restgas aufteilt dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung des Restgasstroms vor dem wenigstens einen weiteren Wasserstoffseparationsmodul (10) ein Wassergasshiftreaktor (14) angeordnet ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Wasserstoffseparationsmodul (2), der Wassergasshiftreaktor (14) und das wenigstens eine weiteren Wasserstoffseparationsmodul (10) als ein integriertes Bauteil ausgebildet sind.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung des nahezu reinen Wasserstoffs nach dem wenigstens einen weiteren Wasserstoffseparati onsmodul (10) eine Wasserstofffördereinrichtung (12) angeordnet ist.
  4. Vorrichtung Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserstofffördereinrichtung (12) als Membrankolbenpumpe ausgebildet ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff aus dem wenigsten einen weiteren Wasserstoffseparationsmodul (10) nach der Wasserstofffördereinrichtung (12) mit dem Wasserstoffgasstrom aus dem ersten Wasserstoffseparationsmodul (2) zusammengeführt ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung der Wasserstoffgasströme nach der Zusammenführung (13) ein Anodenraum (6) der Brennstoffzelle (7) angeordnet ist, wobei das aus dem Anodenraum (6) der Brennstoffzelle (7) ausströmende Gas in einem Anodenkreislauf (8) in den Bereich des in den Anodenraum (6) einströmenden Wasserstoffgases zurückgeführt ist, wobei in dem Anodenkreislauf (8) eine Fördereinrichtung (9) vorgesehen ist.
  7. Vorrichtung Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördereinrichtung (9) in dem Anodenkreislauf (8) als Membrankolbenpumpe ausgebildet ist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Fläche des wenigstens einen weiteren Wasserstoffseparationsmodul (10) den 0,1 bis 0,3-fachen Flä cheninhalt der aktiven Fläche des ersten Wasserstoffseparationsmoduls (2) aufweist.
  9. Verfahren zum Abtrennen von zumindest nahezu reinem Wasserstoff aus einem wasserstoffhaltigen Gasstrom, insbesondere einem Gasstrom aus einer Wasserstofferzeugungseinrichtung, zum Betreiben einer Brennstoffzelle, wobei zuerst das wasserstoffhaltige Gas in einem ersten Wasserstoffseparationsmodul in einen zumindest nahezu reinem Wasserstoffgasstrom und einen Restgasstrom aufteilt wird, wonach der Restgasstrom in wenigstens einem weiteren Wasserstoffseparationsmodul erneut in zumindest nahezu reinen Wasserstoff und Restgas aufteilt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Restgasstrom vor dem wenigstens einen weiteren Wasserstoffseparationsmodul (10) einer Wassergasshiftreaktion unterzogen wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druck (p1) des Wasserstoffs nach dem ersten Wasserstoffseparationsmodul (2) unter 1,2 bara (absoluter Druck) gehalten wird, während ein Druck (p2) des Wasserstoff nach dem wenigstens einen weiteren Wasserstoffseparationsmodul (10) unter 0,9 bara gehalten wird, wobei die Druckdifferenz zwischen den beiden Wasserstoffströmen über eine Wasserstofffördereinrichtung (12) ausgeglichen wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Wasserstoff, welcher in dem ersten Wasserstoffseparationsmodul (2) aus dem wasserstoffhaltigen Gasstrom abgetrennt wird mindestens 75%, insbesondere ca. 90%, des insgesamt aus dem wasserstoffhaltigen Gasstrom abgetrennten Wasserstoffs ausmacht.
  12. Verwendung des Verfahrens und/oder der Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche für einen auf einer Brennstoffzelle basierten Hilfsenergieerzeuger (Auxiliary Power Unit/APU) in einem mobilen System, insbesondere einem Kraftfahrzeug, welches zumindest den größten Teil seiner zur Mobilität erforderlichen Antriebsenergie von einem weiteren Energieerzeuger, insbesondere einem Verbrennungsmotor, bezieht.
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2720976B1 (de) 2011-06-16 2019-05-08 Stamicarbon B.V. acting under the name of MT Innovation Center Verfahren zur wasserstofferzeugung
EP2824068A1 (de) * 2013-07-12 2015-01-14 Shell Internationale Research Maatschappij B.V. Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0570185A2 (de) * 1992-05-15 1993-11-18 Bend Research, Inc. Wasserstoffdurchlässige Metallverbundstoffmembran sowie deren Benutzung
DE69201942T2 (de) * 1991-11-18 1995-08-03 Air Liquide Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung durch Permeation von einem unreinen leichten Gas.
EP0974389A2 (de) * 1998-07-22 2000-01-26 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung eines gasförmigen Komponentes aus einem Gasgemisch

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3251652A (en) * 1962-05-17 1966-05-17 Engelhard Ind Inc Process for producing hydrogen
JP3432892B2 (ja) * 1994-06-08 2003-08-04 日本碍子株式会社 改質ガスのｃｏ除去方法
US5955044A (en) * 1997-09-30 1999-09-21 Johnson Matthey Inc. Method and apparatus for making ultra-pure hydrogen
US5938800A (en) * 1997-11-13 1999-08-17 Mcdermott Technology, Inc. Compact multi-fuel steam reformer
AU2221599A (en) * 1998-01-06 1999-07-26 Stephen A. Birdsell Apparatus and method for simultaneous recovery of hydrogen from water and from hydrocarbons
KR20020020931A (ko) * 1999-07-09 2002-03-16 마에다 시게루 가연물의 가스화에 의한 수소제조방법과 장치 및연료전지발전방법과 연료전지발전시스템
US6572837B1 (en) * 2000-07-19 2003-06-03 Ballard Power Systems Inc. Fuel processing system

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE69201942T2 (de) * 1991-11-18 1995-08-03 Air Liquide Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung durch Permeation von einem unreinen leichten Gas.
EP0570185A2 (de) * 1992-05-15 1993-11-18 Bend Research, Inc. Wasserstoffdurchlässige Metallverbundstoffmembran sowie deren Benutzung
EP0974389A2 (de) * 1998-07-22 2000-01-26 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung eines gasförmigen Komponentes aus einem Gasgemisch

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