DE10254355B4 - Verfahren zum Betreiben einer Einrichtung zur katalytischen Konvertierung von Kohlenmonoxid - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Einrichtung zur katalytischen Konvertierung von Kohlenmonoxid in einem aus einer Gaserzeugungseinrichtung in einem mobilen System stammenden Reformatgasstrom mittels einer Wassergasshiftreaktion, wobei die Konvertierung in mehreren Stufen erfolgt, und wobei der Reformatgasstrom zwischen wenigstens zwei der Stufen zwischengekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittstemperaturen (TE) und die überströmte Oberfläche des Katalysators in den jeweiligen Stufen (6, 7, 8, 9) so gewählt werden, dass sich eine Netto-Reaktionsgeschwindigkeit (vN) der in der Stufe ablaufenden Reaktion in einem Bereich (ΔT) bewegt, welcher um die maximal mögliche Netto-Reaktionsgeschwindigkeit (vN/max) in Richtung der Produktseite, bezogen auf die jeweilige Kohlenmonoxidkonzentration (yco) und den jeweils eingesetzten Katalysator, vorgegeben wird, wobei der Bereich (ΔT) durch Temperaturwerte (T1/max(yco), T1/min(yco)) vorgegeben wird, welche um ± 5 bis 20 %, vorzugsweise ± 7 bis 10%, von dem Temperaturwert (T1(yco)) bei der maximal möglichen Netto-Reaktionsgeschwindigkeit (vN/max) in Richtung der Produktseite, jeweils bezogen auf die jeweilige Kohlenmonoxidkonzentration (yco) und den...

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Einrichtung zur katalytischen Konvertierung von Kohlenmonoxid gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Mit Hilfe von Kohlenwasserstoffreformern kann z.B. der in einer Brennstoffzelle benötigte Wasserstoff on-board aus einem Kohlenwasserstoff, wie z.B. Diesel, Benzin, Naphtha, Erdgas oder aus einem Alkohol, wie z.B. Methanol, erzeugt werden. Das in dem Reformer erzeugte Reformatgas enthält neben Wasserstoff auch Kohlenmonoxid (CO). Dieses Kohlenmonoxid wird in einem Konvertierungsreaktor über einen geeigneten Katalysator, z.B. einen Edelmetallkatalysator, einen Fe-Cr-Katalysator oder einen Cu-Zn-Katalysator, geleitet, an dem in der exothermen Wassergasshiftreaktion (CO + H2O ↔ CO2 + H2) Kohlenmonoxid zu Wasserstoff umgesetzt wird. Dadurch kann für das Brennstoffzellensystem zusätzlicher Wasserstoff erzeugt werden. Die Konvertierung des im Reformer erzeugten Kohlenmonoxids erfolgt dabei üblicherweise in einer Hochtemperaturshiftstufe bzw. einem HTS-Reaktor (high temperature shift) und in einer nachgeschalteten Niedertemperaturshiftstufe bzw. einem LTS-Reaktor (low temperature shift). In einigen bekannten Anwendungen werden insbesondere der HTS-Reaktor aufgrund der Reaktionswärme gekühlt, welche die in ihm überwiegend ablaufende exotherme Reaktion erzeugt.
  • In dem HTS-Reaktor wird das Kohlenmonoxid bei einer Temperatur des Reformatgases von ca. 400 °C bis zu einer Konzentration von 3-4 mol-% konvertiert. Die Konvertierung erfolgt hierbei üblicherweise an Fe-Cr-Katalysatoren. In dem nachgeschalteten LTS-Reaktor wird das Kohlenmonoxid bei einer Temperatur von ca. 200 °C auf eine Konzentration von ca. 0,2 mol-% reduziert.
  • In der WO 00/78669 ist eine Gaserzeugungseinrichtung beschreiben, bei welcher aus einem kurzkettigen Kohlenwasserstoff, hier Methan, ein wasserstoff- und kohlenmonoxidhaltiges Gas erzeugt wird. Zur Verringerung des Kohlenmonoxidgehalts durchläuft das Reformatgas dabei mehrere Shiftstufen, zwischen welchen zur Abfuhr der bei der exothermen Reaktion entstehenden Wärme jeweils zwischengekühlt wird. Die stationäre Anlage verwendet zur Kühlung des Reformats dabei das zu der den Wasserstoff "erzeugenden" partiellen Oxidationsstufe strömende Methan, welches hierdurch vorgewärmt wird.
  • Die dadurch beschriebene Anlage kann durch die Zwischenkühlung den Gehalt an Kohlenmonoxid des aus der partiellen Oxidation stammenden Ausgangsgasstroms senken. Ihr Aufbau ist jedoch vergleichsweise groß und benötigt eine hohe Menge an Katalysator für die Konvertierungsstufen.
  • Dabei ist die Zwischenkühlung zwischen einzelnen Shiftstufen als solche und die damit verbundene Senkung des Kohlenmonoxidgehalts in stationären Anlagen, wie z.B. Raffinerien, bereits seit langem bekannt. Sie ist beispielhaft durch die US 3,010,807 , die GB 1 325 172 und GB 1 400 065 beschrieben.
  • In der DE 197 19 997 A1 ist eine Reformierungsreaktoranlage beschrieben, welche die Kühlung und die Eduktzufuhr kombi niert, indem zwischen einzelnen Abschnitte bzw. Stufen des Konvertierungsreaktors Wasser zur Kühlung und Bereitstellung von Wasser für die Reaktion eingespritzt wird. Der Nachteil ist dabei jedoch, dass das zusätzliche Edukt Wasser immer in den Konvertierungsreaktor eingespritzt werden muss, um eine ausreichend kleine Kohlenmonoxidkonzentration nach dem Konvertierungsreaktor zu erhalten. Um den Reformatgasstrom nicht zu "verwässern", kann daher vor den Konvertierungsreaktoren kein Wasser, oder zumindest nicht all zuviel Wasser zugegeben werden. Die Betriebsführungsmöglichkeiten und die verwendbare Art der Gaserzeugungseinrichtung sind damit in nachteiliger Weise eingeschränkt.
  • Ein Einsatz von Kohlenwasserstoffreformern in mobile Brennstoffzellenantriebe erfordert möglichst kompakte Reformer. Das Bauvolumen solcher Kohlenwasserstoffreformer wird vorwiegend durch das überströmte Volumen bzw. die überströmte Katalysatoroberfläche der Konvertierungsreaktoren bestimmt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Betrieb von Konvertierungsreaktoren anzugeben, mit dem es möglich ist, das Bauvolumen und die eingesetzte Menge an Katalysator der Konvertierungsreaktoren, zu verkleinern.
  • Diese Aufgabe wird gemäß dem Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegen stand von Unteransprüchen.
  • Gemäß den folgenden Ausführungen und den Ansprüchen soll dabei unter der Netto-Reaktionsgeschwindigkeit vN jeweils die Differenz der Reaktionsgeschwindigkeiten der immer gleichzeitig ablaufenden Hinreaktion vhin (in Richtung der Produkte) und der Rückreaktion vrück (in Richtung der Edukte) verstanden werden. Bei der exothermen Wassergasshiftreaktion a·CO + b·H2O ⇄ c·CO2 + d·H2 – ΔH, (I)bei welcher die stöchiometrischen Koeffizienten Faktoren a = b = c = d = 1 sind, ergibt sich bei üblicher Betrachtungsweise der Reaktionskinetik und der Konzentrationen in Verbindung mit der Arrehnius-Gleichung für die Netto-Reaktionsgeschwindigkeit vN der folgende Zusammenhang:
    Figure 00040001
    Dabei bezeichnen:
    • y
    die jeweiligen Konzentrationen;
    k0
    den Stoßfaktor;
    EA
    die Aktivierungsenergie;
    R
    die Gaskonstante;
    T
    die Temperatur; und
    K
    die Gleichgewichtskonstante.
  • Bei einer vorgegebenen Kohlenmonoxidkonzentration yco ergibt sich also jeweils eine Temperatur T0(yco), bei welcher die Reaktion im Gleichgewicht ist, die Netto-Reaktionsgeschwindigkeit vN also verschwindet bzw. vhin = vrück ist. Ebenso ergibt sich bezogen auf die jeweilige Kohlenmonoxidkonzentration yco eine Temperatur T1(yco), bei welcher sich eine maximale Netto-Reaktionsgeschwindigkeit vN/max einstellt. Gemäß der oben angegebenen Definition findet bei dieser maximalen Netto-Reaktionsgeschwindigkeit vN/max der, bezogen auf die Kohlenmonoxidkonzentration yco jeweils maximale Umsatz in Richtung der Produktseite statt. Dies bedeutet dabei also einen maximalen Umsatz bzw. Abbau an Kohlenmonoxid in dem Reformatgas.
  • Da die Temperatur T0 bei der jeweiligen Kohlenmonoxidkonzentration yco jeweils größer als die Temperatur T1 ist, lassen sich zeitliche Effekte bei dem Erreichen des Reaktionsgleichgewichts durch die aufgrund der exothermen Hinreaktion immer stattfindenden Erhöhung der momentanen Temperatur bis zum Erreichen der Temperatur T0 beschreiben, so dass auf zeitliche Effekt hier nicht näher eingegangen zu werden braucht.
  • Hinsichtlich der erfindungsgemäßen Aufgabe wäre es nun ideal, die Konvertierungsreaktion so zu betreiben, dass sie entlang der sich im Temperatur-Kohlenmonoxidkonzentrations-Diagramm ergebende Linie der maximalen Netto-Reaktionsgeschwindigkeit vN/max verläuft.
  • Da dies technisch nicht möglich ist, sieht die Erfindung ein Betriebsverfahren vor, welches in einem Bereich um diese Linie der maximalen Netto-Reaktionsgeschwindigkeit vN/max, und damit möglichst dicht an dieser, verläuft. Dazu wird die Konvertierungsreaktion in mehreren in Strömungsrichtung des Reformatgasstroms hintereinander geschalteten, adiabat betriebenen Stufen bzw. HTS- und LTS-Reaktoren ausgeführt, zwischen denen jeweils eine Zwischenkühlung des Reformatgasstroms erfolgt. Erfindungsgemäß werden dabei die Eintrittstemperaturen TE und die überströmte Oberfläche A des Katalysators in den jeweiligen Stufen so gewählt, dass sich die Netto-Reaktionsgeschwindigkeit vN der in der Stufe ablaufenden Reaktion in einem Bereich bewegt, welcher um die maximal mögliche Netto-Reaktionsgeschwindigkeit vN/max gemäß der obigen Definition vorgegeben ist.
  • Wählt man nun die Eintrittstemperatur TE so, dass diese unter der Temperatur T1, bezogen auf die jeweilige vor dem Eintritt in die Konvertierungsstufe vorliegende Kohlenmonoxidkonzentration yco, liegt, wird die aktuelle Temperatur T durch die exotherme Hinreaktion der Konvertierungsreaktion mit abnehmender Kohlenmonoxidkonzentration yco steigen. Die Temperatur T übersteigt die Temperatur T1 und nähert sich mit weiter abnehmender Kohlenmonoxidkonzentration yco der Temperatur T0 an. Durch die überströmte Fläche an Katalysator bzw. das Bauvolumen der jeweiligen Stufe kann die Austrittstemperatur TA der Stufe beeinflusst werden. Diese wird nun so gewählt, dass sie innerhalb des vorgegebenen Bereichs um die Temperatur T1 bzw. die mit ihr in unmittelbaren Zusammenhang stehende maximale Netto-Reaktionsgeschwindigkeit vN/max, bei der jeweils aktuellen Kohlenmonoxidkonzentration yco, liegt.
  • Ausgehend von dieser Ausgangstemperatur TA der Stufe wird dann wieder auf eine entsprechende Eingangstemperatur TE für den Eintritt in die nächste Stufe abgekühlt, wobei sich die weiteren Schritte dann wieder analog zu dem bereits beschriebenen ablaufen.
  • Gemäß der Erfindung wird die Linie der maximalen Netto-Reaktionsgeschwindigkeit vN/max also durch mehrere stufenförmige Betriebsabläufe aus Erwärmung aufgrund der exothermen Hinreaktion und Abkühlungen durch die Zwischenkühlung angenähert. Diese real ablaufenden Stufen bewegen sich dabei in einem Bereich ΔT um die Line der maximalen Netto-Reaktionsgeschwindigkeit vN/max bzw. der Temperatur T1(yco). Der Bereich ΔT umgibt die Temperatur T1(yco) in der Art eines Kanals bzw. Schlauchs, welcher sowohl oberhalb als auch unterhalb der Temperatur T1(yco), jeweils bezogen auf die jeweilige Kohlenmonoxidkonzentration yco, von einer Grenztemperatur T1/max(yco) und T1/min(yco) begrenzt wird. Je kleiner der Bereich ΔT, also die Differenz ΔT = T1/max (yco) – T1/min(yco) gewählt wird, desto näher verläuft die Reaktion an der optimalen Umsetzung und damit an dem minimal möglichen Bauvolumen und der minimal benötigten Katalysatormenge.
  • Dabei ist dieser Bereich ΔT durch Temperaturwerte T1/max(yco) und T1/min(yco) vorgegeben, welche um ± 5 bis 20%, vorzugsweise ± 7 bis 10%, von dem Temperaturwert T1 bei der maximal möglichen Netto-Reaktionsgeschwindigkeit vN/max in Richtung der Produktseite, jeweils bezogen auf die jeweilige Kohlenmonoxidkonzentration yco und den jeweils eingesetzten Katalysator, abweichen.
  • Diese Wahl des Bereichs ΔT erlaubt es in besonders vorteilhafter Weise, dass, beispielsweise bei einer Gaserzeugungseinrichtung zu Versorgung eines Brennstoffzellensystems mit einer elektrischen Leistung von 3 bis 30 kW, mit einem Aufbau aus zwei HTS-Reaktoren bzw. Reaktorstufen und ein bis zwei LTS-Reaktoren eine ausreichende Konvertierung von Kohlenmonoxid bei minimalem Bauraum und minimalem Einsatz an Katalysator erfolgen kann.
  • Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Reformatgasstrom durch die Gaserzeugungseinrichtung aus einem Gemisch an Kohlenwasserstoffverbindungen, wie Benzin, Kerosin, Diesel oder dergleichen, erzeugt wird, wobei die bei der Zwischenkühlung anfallenden Abwärme in der Gaserzeugungseinrichtung genutzt wird.
  • Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt in der optimalen und örtlich sehr nahe zu Entstehungspunkt gelegenen Ausnutzung der anfallenden Abwärme. Diese kann dabei zur Erwärmung von Edkuten, bei einer autothermen Refomierung z.B. Diesel, Wasser und Luft, und/oder zur Beheizung wärmebenötigender Abläufe genutzt werden. Durch die ideale Ausnutzung der als Abwär me anfallenden Energie lässt sich die Energieausbeute und der Wirkungsgrad entsprechend steigern.
  • Eine besonders günstige Verwendung des oben detailliert dargelegten Verfahrens und gegebenenfalls auch seiner weiteren Ausgestaltungen ist dessen Einsatz in einem Brennstoffzellensystem in einer mobilen Anwendung, insbesondere als Antriebsoder Hilfsenergieerzeuger in einem Fahrzeug zu Wasser, zu Lande oder in der Luft.
  • Bei derartigen mobilen Anwendungen spielt die eingangs erläuterte Aufgabenstellen der Minimierung des Bauvolumens und der Optimierung der Katalysatorausnutzung eine erhebliche Rolle. Um die Bauraumoptimierung ideal nutzen zu können, ist es egal, ob das Brennstoffzellensystem als Hilfsenergieerzeuger (APU/auxiliary power unit) zur Versorgung von Bordnetzkomponenten eines Fahrzeugs mit Energie, als Antriebsenergieerzeuger für ein solches Fahrzeug oder als mobile Stromversorgungseinrichtung für fahrzeugabhängige und/oder fahrzeugunabhängige Zwecke genutzt wird. Das Brennstoffzellensystem ist dabei eine an sich bekannte Einrichtung, welche neben der Gaserzeugungseinrichtung und der Einrichtung zur katalytischen Konvertierung von Kohlenmonoxid mindestens noch eine Brennstoffzelle bzw. einen Brennstoffzellenstack umfasst welche (r) zur Bereitstellung von elektrischer Energie dient.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich auch aus dem anhand der Zeichnung nachfolgend näher beschreiben Ausführungsbeispiel.
  • Dabei zeigen:
  • 1 ein Brennstoffzellensystem mit einer Einrichtung zur katalytischen Konvertierung von Kohlenmonoxid in einem aus einer Gaserzeugungseinrichtung stammenden Reformatgasstrom;
  • 2 einen möglichen Aufbau der Einrichtung zur katalytischen Konvertierung von Kohlenmonoxid; und
  • 3 ein Diagramm, in welchem verschiedene Temperaturen über der Kohlenmonoxidkonzentration aufgetragen sind.
  • In 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 dargestellt, welches neben einer Gaserzeugungseinrichtung 2 und einer Einrichtung 3 zur katalytischen Konvertierung von Kohlenmonoxid mindestens noch eine Brennstoffzelle 4 bzw. einen Brennstoffzellenstack umfasst. Das Brennstoffzellensystem 1 dient zur Bereitstellung von elektrischer Energie für eine mobile Anwendung, beispielsweise für ein Fahrzeug oder dergleichen. Das nachfolgende Ausführungsbeispiel beschreibt das Verfahren zum Betreiben der Einrichtung 3 dabei anhand dieses Beispiels des Brennstoffzellensystems 1 ohne die Einrichtung 3 darauf einzuschränken, da diese auch für andere Anwendungen sinnvoll verwendbar ist.
  • Das Brennstoffzellensystem 1 der 1 weist einen an sich bekannten Aufbau auf. In der Gaserzeugungseinrichtung 2, welche z.B. eine autotherme Reformierungsstufe beinhalten könnte, wird aus den Edukten Luft (O2 + N2 + ...), Wasser (H2O) sowie einem Gemisch aus Kohlenwasserstoffverbindungen, welche hier durch das Bezugszeichen (CnHm) symbolisiert werden, wie z.B. Benzin, Diesel, Kerosin oder dergleichen, ein Reformatgas erzeugt, welches neben Wasserstoff (H2) und Resten der Ausgang stoffe zumindest auch noch Kohlenmonoxid (CO) enthält. Dabei können unter dem Bezugszeichen (CnHm) auch reine Kohlenwasserstoffverbindungen sowie Alkohole und dergleichen verstanden werden.
  • Da beim Einsatz von PEM-Brennstoffzellen durch das Kohlenmonoxid eine Vergiftung der Elektrokatalysatoren der Brennstoffzelle 4 auftritt, wird das in dem Reformatgas enthaltene Kohlenmonoxid zum großen Teil durch die Einrichtung 3 entfernt. Gegebenenfalls kann sich daran, vor der Brennstoffzelle 4, noch eine weitere optionale Gasreinigungseinrichtung 5 anschließen, z.B. eine selektive Oxidationsstufe, welche den Restgehalt an Kohlenmonoxid weiter reduziert.
  • Die Einrichtung 3 zur katalytischen Konvertierung von Kohlenmonoxid ist in 2 detailliert dargestellt. Die Einrichtung 3 umfasst dabei zwei HTS-Reaktoren 6, 7 sowie zwei LTS-Reaktoren 8, 9, welche jeweils adiabatisch betrieben werden. Zwischen den einzelnen Reaktoren 6, 7, 8, 9, welche auch als einzelne Stufen eines oder mehrerer Reaktoren ausgebildet sein können, ist jeweils ein Wärmetauscher 10, 11, 12 angeordnet. Über diese Wärmetauscher 10, 11, 12 erfolgt eine Zwischenkühlung des aus dem jeweiligen Reaktor 6, 7, 8 strömenden Reformatgasstroms, vor dem Eintritt in den nächsten Reaktor 7, 8, 9.
  • In den HTS-Reaktoren 6, 7 läuft die Wassergas-Shiftreaktion aufgrund der hohen Temperatur von üblicherweise deutlich mehr als 350 °C bei einer hohen Netto-Reaktionsgeschwindigkeit ab. Somit wird in den HTS-Reaktoren 6, 7 ein geringes zu durchströmendes Volumen bzw. eine geringe zu überströmende Oberfläche an Katalysator benötigt. In den LTS-Reaktoren 8, 9 ist aufgrund der niedrigen Temperatur des Reformatgases von üblicherweise deutlich weniger als 300°C das Gleichgewicht der Wassergas-Shiftreaktion auf die Seite der Produkte (CO2 + H2) verschoben, allerdings ist die Netto-Reaktionsgeschwindigkeit vN in Richtung der Produkte gering. Somit wird für die LTS-Reaktoren 8, 9 ein größeres zu durchströmendes Volumen benötigt.
  • Durch das hier beschriebene Betriebsverfahren bzw. Auslegungsverfahren für die Einrichtung 3 wird jedoch immer, unabhängig von der Art des Reaktors, ein möglichst kleines zu durchströmendes Volumen des jeweiligen Reaktors bei bestmöglicher Konvertierung von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid des Gesamtsystems erreicht. Das Betriebsverfahren lässt sich anhand des Diagramms in 3 am Beispiel der beiden HTS-Reaktoren 6, 7 und der Zwischenkühlung über den Wärmetauscher 10 verständlich erläutern.
  • In dem Diagramm der 3 ist die Temperatur T über der Kohlenmonoxidkonzentration yco aufgetragen. Gemäß den eingangs bereits erläuterten Zusammenhängen und Gleichungen (I) und (II) ergibt sich zu einer vorgegebenen Kohlenmonoxidkonzentration yco jeweils eine Temperatur T0(yco), bei welcher die Reaktion im Gleichgewicht ist, die Netto-Reaktionsgeschwindigkeit vN also verschwindet bzw. vhin = vrück ist. Diese Linie ist in dem Diagramm der 3 mit T0(yco) bezeichnet. Ebenso ergibt sich bezogen auf die jeweilige Kohlenmonoxidkonzentration yco eine Temperatur T1(yco), bei welcher sich eine maximale Netto-Reaktionsgeschwindigkeit vN/max einstellt. Gemäß der oben angegebenen Definition findet bei dieser maximalen Netto-Reaktionsgeschwindigkeit vN/max der, bezogen auf die Kohlenmonoxidkonzentration yco jeweils maximale Umsatz in Richtung der Produktseite der Gleichung (I) statt. Dies bedeutet also einen maximalen Umsatz bzw. Abbau an Kohlenmonoxid in dem Reformatgas. Die entsprechenden Linie ist in dem Diagramm der 3 mit T1(yco); vN/max bezeichnet.
  • Hinsichtlich der erfindungsgemäßen Aufgabe wäre es nun ideal, die Konvertierungsreaktion so zu betreiben, dass sie entlang der sich im Temperatur-Kohlenmonoxidkonzentrations-Diagramm ergebende Linie der maximalen Netto-Reaktionsgeschwindigkeit vN/max verläuft. Da dies, wie bereits erwähnt, technisch nicht möglich ist, sieht die Erfindung ein Betriebsverfahren vor, welches in dem Bereich ΔT um diese Linie der maximalen Netto-Reaktionsgeschwindigkeit vN/max und damit möglichst dicht an dieser, verläuft.
  • Dazu wird die Konvertierungsreaktion in den in Strömungsrichtung des Reformatgasstroms hintereinander geschalteten HTS-Reaktoren 6, 7 ausgeführt. Das Verfahren startet dabei in dem Punkt 13, bei welchen die Eintrittstemperatur TE in den ersten HTS-Reaktor 6 für das hier dargestellte Ausführungsbeispiel rund 510 °C und die Kohlenmonoxidkonzentration yco = 0,08 beträgt. Ausgehend von diesem Punkt 13 läuft in dem ersten HTS-Reraktor 6 die Wassergasshiftreaktion entlang der Linie 14 gemäß der Gleichung (I) ab. Dabei kommt es zu einer Erwärmung, da die überwiegend ablaufende Hinreaktion exotherm ist. Die Reaktion nähert sich dadurch der Gleichgewichtslinie T0(yco) an, wodurch auch die Netto-Reaktionsgeschwindigkeit vN kleiner wird. Der Umsatz von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid verringert sich dadurch zunehmend. Bei Erreichen der den Bereich ΔT in Richtung der Gleichgewichtslinie begrenzenden gestrichelten Linie 15 (T1/max(yco)) wird die Reaktion abgebrochen. Konkret lässt sich dies durch den Austritt des Reformatgasstroms aus dem HTS-Reaktor 6 bzw. das Ende der in ihm überströmten mit Katalysator versehenen Oberfläche realisieren.
  • Konkret kann dies eine Auslegung der Baulänge des HTS-Reaktors 6 anhand des Volumens und der Strömungsgeschwindig keit des Reformatgasstroms bedeuten, wobei hier außerdem experimentelle Daten einfließen müssen, durch welche der Katalysatorwerkstoff berücksichtigt wird. Diese Auslegung führt dann dazu, dass der Austritt des Reformatgasstroms aus dem HTS-Reaktor 6 bzw. das Ende der in ihm überströmten mit Katalysator versehenen Oberfläche erreicht wird, bevor oder genau wenn die Reaktion den Bereich ΔT verlässt. Im Diagramm wäre dies der mit 16 bezeichnete Punkt.
  • Durch den Wärmetauscher 10 erfolgt dann eine Abkühlung des Reformatgasstroms bis auf die andere Grenze des Bereichs ΔT, welche hier durch die gestrichelte Linie 17 (T1/min(yco)) veranschaulicht ist. In dem hier dargestellten Beispiel wird die Austrittstemperatur TA aus dem ersten HTS-Reaktor 6 um ca. 85 K auf ca. 450°C im Punkt 18, der Eintrittstemperatur TE in den zweiten HTS-Reaktor 7, gesenkt. Entlang der Linie 19 erfolgt dann wieder die Wassergasshiftreaktion in dem Bereich ΔT um die Linie T1(yco) der maximalen Netto-Reaktionsgeschwindigkeit vN/max analog zu dem oben bereits beschriebenen Ablauf. Die nachfolgenden LTS-Reaktoren 8, 9 werden dann analog betreiben.
  • Die Wahl des Bereichs ΔT, hier durch Temperaturwerte mit ca. ± 7 bis 10 % von dem Temperaturwert T1 bei der maximal möglichen Netto-Reaktionsgeschwindigkeit vN/max erlaubt es, dass, bei der hier beispielhaft beschriebenen Gaserzeugungseinrichtung 2 zu Versorgung des Brennstoffzellensystems 1, welches eine elektrischen Leistung von 3 bis 30 kW aufweisen soll, mit einem Aufbau aus den zwei HTS-Reaktoren 6, 7 bzw. Reaktorstufen und den zwei analog dazu betreibenen LTS-Reaktoren 8, 9 eine ausreichende Konvertierung von Kohlenmonoxid bei minimalem Bauraum und minimalem Einsatz an Katalysator erfolgen kann. Bei dem Verfahren werden zwar mehrere einzelne Shiftreaktoren bzw. -stufen verwendet, aber das gesamte Volu men der verwendeten Shiftstufen wird geringer, da das Volumen der einzelnen Shiftstufen zur Konvertierung von Kohlenmonoxid optimal ausgenutzt wird. Simulationsrechnungen haben ergeben, dass es mit dem oben beschriebenen Verfahren möglich ist, das Volumen der Konvertierungsreaktoren, die Menge an Katalysator und die damit verbunden Kosten um bis zu 40 % zu reduzieren.
  • In einer vorteilhaften hier nicht dargestellten Weiterbildung kann der Bereich ΔT um die maximale Netto-Reaktionsgeschwindigkeit vN/max in den einzelnen Shiftstufen unterschiedlich gewählt werden, ebenso wie jede der Shiftstufen über eine jeweils andere Zusammensetzung des in ihr verwendeten Katalysators verfügen könnte. Durch das Beschriebene Verfahren kann auch dann, je nach Temperatur und Kohlenmonoxidkonzentration, das Volumen jeder einzelnen Shiftstufe im Sinne der oben genannten Aufgabe optimal ausgelegt werden.

Claims (3)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Einrichtung zur katalytischen Konvertierung von Kohlenmonoxid in einem aus einer Gaserzeugungseinrichtung in einem mobilen System stammenden Reformatgasstrom mittels einer Wassergasshiftreaktion, wobei die Konvertierung in mehreren Stufen erfolgt, und wobei der Reformatgasstrom zwischen wenigstens zwei der Stufen zwischengekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittstemperaturen (TE) und die überströmte Oberfläche des Katalysators in den jeweiligen Stufen (6, 7, 8, 9) so gewählt werden, dass sich eine Netto-Reaktionsgeschwindigkeit (vN) der in der Stufe ablaufenden Reaktion in einem Bereich (ΔT) bewegt, welcher um die maximal mögliche Netto-Reaktionsgeschwindigkeit (vN/max) in Richtung der Produktseite, bezogen auf die jeweilige Kohlenmonoxidkonzentration (yco) und den jeweils eingesetzten Katalysator, vorgegeben wird, wobei der Bereich (ΔT) durch Temperaturwerte (T1/max(yco), T1/min(yco)) vorgegeben wird, welche um ± 5 bis 20 %, vorzugsweise ± 7 bis 10%, von dem Temperaturwert (T1(yco)) bei der maximal möglichen Netto-Reaktionsgeschwindigkeit (vN/max) in Richtung der Produktseite, jeweils bezogen auf die jeweilige Kohlenmonoxidkonzentration (yco) und den jeweils eingesetzten Katalysator, abweichen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reformatgasstrom durch die Gaserzeugungseinrichtung (2) aus einem Gemisch an Kohlenwasserstoffverbindungen (CnHm) erhältlich ist, wobei die bei der Zwischenkühlung anfallenden Abwärme in der Gaserzeugungseinrichtung (2) genutzt wird.
  3. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, in einem Brennstoffzellensystem (1) in einer mobilen Anwendung, insbesondere als Antriebs oder Hilfsenergieerzeuger in einem Fahrzeug zu Wasser, zu Lande oder in der Luft.
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