DE10296674T5 - Kompakter Vorkühler - Google Patents

Kompakter Vorkühler Download PDF

Info

Publication number
DE10296674T5
DE10296674T5 DE10296674T DE10296674T DE10296674T5 DE 10296674 T5 DE10296674 T5 DE 10296674T5 DE 10296674 T DE10296674 T DE 10296674T DE 10296674 T DE10296674 T DE 10296674T DE 10296674 T5 DE10296674 T5 DE 10296674T5
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
reformed gas
shift converter
gas
water
fuel cell
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE10296674T
Other languages
English (en)
Inventor
Ned E. Enfield Cipollini
Antonio M. Manchester Vincitore
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
UTC Power Corp
Original Assignee
UTC Fuel Cells LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by UTC Fuel Cells LLC filed Critical UTC Fuel Cells LLC
Publication of DE10296674T5 publication Critical patent/DE10296674T5/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/48—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents followed by reaction of water vapour with carbon monoxide
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28C—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA COME INTO DIRECT CONTACT WITHOUT CHEMICAL INTERACTION
    • F28C3/00—Other direct-contact heat-exchange apparatus
    • F28C3/06—Other direct-contact heat-exchange apparatus the heat-exchange media being a liquid and a gas or vapour
    • F28C3/08—Other direct-contact heat-exchange apparatus the heat-exchange media being a liquid and a gas or vapour with change of state, e.g. absorption, evaporation, condensation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H01M8/0668—Removal of carbon monoxide or carbon dioxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0205—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step
    • C01B2203/0227—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step
    • C01B2203/0244—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step the reforming step being an autothermal reforming step, e.g. secondary reforming processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0283—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a CO-shift step, i.e. a water gas shift step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0435—Catalytic purification
    • C01B2203/044—Selective oxidation of carbon monoxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0465—Composition of the impurity
    • C01B2203/047—Composition of the impurity the impurity being carbon monoxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0805—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0838—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by heat exchange with exothermic reactions, other than by combustion of fuel
    • C01B2203/0844—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by heat exchange with exothermic reactions, other than by combustion of fuel the non-combustive exothermic reaction being another reforming reaction as defined in groups C01B2203/02 - C01B2203/0294
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/14—Details of the flowsheet
    • C01B2203/142—At least two reforming, decomposition or partial oxidation steps in series
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/80—Aspect of integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas not covered by groups C01B2203/02 - C01B2203/1695
    • C01B2203/82—Several process steps of C01B2203/02 - C01B2203/08 integrated into a single apparatus
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/32—Hydrogen storage
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Brennstoffzellensystem, aufweisend:
– eine Vorrichtung zum Konvertieren eines Kohlenwasserstoff-Brennstoffs zu einem Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltenden Hochtemperaturgas;
– einen Shift-Konverter stromabwärtig von der Konvertierungsvorrichtung zum Konvertieren des reformierten Gases zu im wesentlichen Wasserstoff und Kohlendioxid;
– eine Brennstoffzelle stromabwärtig von dem Shift-Konverter zum Reagieren Lassen des Wasserstoffs vom Shift-Konverter; und
– einen Shift-Konverter-Vorkühler stromaufwärtig von und nahe zum Shift-Konverter und in vertikal abwärtiger Richtung ausgerichtet zum Kühlen des reformierten Gases auf eine gewünschte Temperatur vor dem Einbringen in den Shift-Konverter, wobei der Vorkühler aufweist:
– ein Gehäuse, welches eine Kammer definiert, wobei die Kammer einen Einlass für reformiertes Gas und einen Auslass für reformiertes Gas hat, ein in der Kammer angeordnetes Material mit großer Oberfläche und ein Wassereinlass zum Leiten eines Kühlwassers zum Material mit großer Oberfläche.

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem und insbesondere auf ein Brennstoffzellensystem mit reformiertem Brennstoff zur Erzeugung von Elektrizität. Brennstoffzellensysteme mit reformiertem Brennstoff verwenden üblicherweise drei Typen von Brennstoffaufbereitern, nämlich einen katalytischen Dampf-Reformer, einen autothermen Reformer oder einen katalytischen Teiloxidierer, wie aus dem Stand der Technik bekannt.
  • Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen zur Erzeugung von Elektrizität sind in der Technik bekannt. US-3 976 507 beschreibt eine unter Druck stehende Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage, welche bei einem größeren Druck als Umgebungsdruck arbeitet. Während die in US-Patent 3 976 507 beschriebene Stromerzeugungsanlage effizient und brauchbar zur Erzeugung von Elektrizität ist, führt die Tatsache, dass die Anlage unter Druck arbeitet, dazu, dass sie nicht besonders brauchbar für ein Brennstoffzellensystem mit reformiertem Brennstoff für Fahrzeuganwendungen ist. In einem Niederdruckbrennstoffzellensystem mit reformiertem Brennstoff sind die Größe des Systems und der bei Betrieb auftretende Druckabfall entscheidende Faktoren bei der Herstellung eines effizienten, kompakten Systems, welches für Fahrzeuganwendungen brauchbar ist.
  • Natürlich wäre es außerordentlich wünschenswert, ein Brennstoffzellensystem mit reformiertem Brennstoff herzustellen, welches bei Umgebungsdruck effizient arbeiten kann, während eine kompakte Größe erhalten bleibt, die zur Anwendung in dem System geeignet ist. Um das Beschriebene zu erreichen, muss jede Komponente des Brennstoffzellensystems mit reformiertem Brennstoff auf eine Weise konstruiert sein, welche auf den zulässigen Druckabfall Rücksicht nimmt, der innerhalb des Systems auftreten kann, und welche die Einschränkungen der Größenbegrenzung berücksichtigt, welche notwendig sind, damit solch ein System zweckmäßig wird. Daher ist jede Ersparnis der Größe und des Druckabfalls, welche bei jeglicher Komponente des Systems erhalten werden kann, außerordentlich wünschenswert. Dementsprechend ist es ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung, einen kompakten Vorkühler bereitzustellen, welcher in einem Brennstoffzellensystem mit reformiertem Brennstoff brauchbar ist.
  • Es ist insbesondere ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen kompakten Vorkühlen bereitzustellen, welcher für die Verringerung der Temperatur eines Brennstoffaufbereiter-Auslassgasstroms effizient ist, während ein minimaler Druckabfall gewährleistet wird.
  • Es ist noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen kompakten Vorkühlen zwischen einem Brennstoffaufbereiter und einem Shift-Konverter bereitzustellen, welcher ausreichende Verweildauer bietet, um die Reformer-Auslassgasströmung effizient auf eine gewünschte Temperatur zu kühlen und das gesamte im Vorkühler verwendete Wasser zu verdampfen.
  • Es ist außerdem ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein effizientes Verfahren zum Kühlen eines Brennstoffaufbereiter-Auslassgasstroms bereitzustellen, während der Druckabfall begrenzt wird.
  • Weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden deutlich:
  • Beschreibung der Erfindung
  • Die oben genannten Ziele und Vorteile werden durch die vorliegende Erfindung erreicht durch Bereitstellen eines Vorkühlers zwischen dem Brennstoffaufbereiter und dem Shift-Konverter in einem Brennstoffgassystem für reformierten Brennstoff, welches bei nahezu Umgebungsdruck arbeitet. Der Vorkühlen umfasst einen zerstäubenden Wassereinlass, ein Einlass für das reformierte Gas und eine Packung eines Materials mit großer Oberfläche, welches die Verdampfungsfläche des Wassers im Vorkühler vergrößert, um das heiße reformierte Gas in einem kompakteren Gerät effizient zu kühlen.
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Kühlen eines reformierten Ausgangsgases eines Brennstoffaufbereiters, welcher bei nahezu Umgebungsdruck arbeitet, um ein gekühltes reformiertes Gas bei der gewünschten Temperatur zu gewährleisten, wobei der Gasstrom im wesentlichen frei von Wassertröpfchen ist. Durch Verdampfen des gesamten Wassers im Vorkühler gewährleistet das Verfahren einen minimalen Druckabfall vom Einlass des Vorkühlers zum Auslass des Vorkühlers.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlicher anhand der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, dargestellt in den begleitenden Zeichnungen:
  • 1 ist eine schematische Darstellung eines Brennstoffwellensystems mit autothermem Reformer, welcher den Vorkühler der vorliegenden Erfindung verwendet.
  • 2 ist eine Schnittansicht durch den erfindungsgemäßen Vorkühler.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Das Verfahren der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden in Bezug auf die 1 und 2 beschrieben.
  • 1 ist eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit autothermem Reformer, welches den erfindungsgemäßen Vorkühler zur Durchführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung verwenden kann. Es sollte sich verstehen, dass der Vorkühler in jeglichem Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffaufbereiter verwendet werden kann, welches Brennstoff wie z.B. Erdgas, Benzin, Dieselöl, Naphta, Schweröl und ähnliche Kohlenwasserstoffe verwendet. Die Erfindung wird beschrieben in Bezug auf die Verwen dung in einem benzinbetriebenen Brennstoffzellensystem mit autothermem Reformer.
  • Weiterhin in Bezug auf 1 umfasst das Brennstoffzellensystem 10 einen autothermen Reformer 12, welcher durch die Leitung 14 eine Gasmischung aufnimmt, welche Benzin, Dampf und Luft aufweist, welches im Reformer zu einem reformierten Gas reformiert wird, welches hauptsächlich Stickstoff, Wasserstoff, Kohlendioxid, Wasserdampf und Kohlenmonoxid aufweist. Das reformierte Gas verlässt den Reformer durch die Leitung 16 und strömt in den Vorkühler 18 ein, wo das reformierte Gas entsprechend der vorliegenden Erfindung auf eine Weise aufbereitet wird, die im Folgenden diskutiert wird. Das heiße, vom Reformer 12 abgegebene, reformierte Gas hat eine Temperatur von ca. 800–1200° F, wenn es in den Vorkühler 18 einströmt. Der Vorkühler dient zur Verringerung der Temperatur des Gasstroms auf eine Temperatur von 500° F oder weniger an der Auslassleitung 20 des Vorkühlers vor Einlass in den Shift-Konverter 22. Der Shift-Konverter 22 nimmt das gekühlte reformierte Gas, welches Stickstoff, Kohlendioxid, Wasserdampf, Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthält, und bereitet das reformierte Gas in Gegenwart einen Katalysators auf, um die Mehrheit von Kohlenmonoxid des reformierten Gases zu konvertieren, so dass das aus dem Shift-Konverter ausströmende Gas tatsächlich eine Gasmischung ist, welche Stickstoff, Kohlendioxid und Wasserstoff aufweist. Die Ablassleitung 24 führt die Gasmischung zu einer selektiven Oxidierereinheit 26, wo jegliches, verbleibendes Kohlenmonoxidgas weiter reduziert wird, und das Gas durch eine Leitung 28 zur Brennstoffzelle 30 geleitet wird.
  • Das benzinbetriebene Brennstoffzellensystem mit autothermem Reformer, welches den Vorkühler der vorliegenden Erfindung verwendet, ist konstruiert, um bei nahezu Umgebungsdruck zu arbeiten, wobei der Vorkühler typischerweise in einer vertikal abwärts gerichteten Orientierung angebracht ist. Dementsprechend muss der System-Druckabfall begrenzt sein und auf eine sehr präzise Weise gesteuert werden. Der Druckabfall bei der Nennleistung der Brennstoffzelle über den Vorkühler vom Einlass zum Auslass sollte weniger als 10 Inch Wasser (inches of water) betragen. Außerdem muss die Größe des Vorkühlers kompakt sein zur Verwendung in einem mobilen Brennstoffzellensystem, welches begrenzte Raumkapazitäten hat. Schließlich muss der Vorkühler der vorliegenden Erfindung auch die Temperatur des heißen, reformierten Gases auf die gewünschte Shift-Konverter Einlasstemperatur reduzieren, damit das System effizient arbeitet ohne Beschädigung des im Shift-Konverter verwendeten Katalysators, wobei der Vorkühler kompakt ist und der Druckabfall zwischen dem Einlass und dem Auslass des Vorkühlers minimiert wird. Während der Vorkühler zur Anwendung in einer Kraftfahrzeug-Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage konzipiert wurde, sind andere Anwendungen für stationäre Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage vorgesehen.
  • 2 stellt die Konstruktion eines erfindungsgemäßen Vorkühlers dar, welcher alle oben beschriebenen Spezifikationen in Bezug auf Größe, Druckabfall und Temperaturverringerung erfüllt. 2 ist eine Schnittansicht des Vorkühlers. Der Vorkühler 40 weist ein Gehäuse 42 auf, welches ein Kammer 44 definiert. Das Gehäuse 42 hat einen Einlass 46 für reformiertes Gas zu der Kammer 44 und einen Auslass 48 für gekühltes reformiertes Gas zum Auslassen des gekühlten reformierten Gases zum Shift-Konverter. Innerhalb des Gehäuses 42 in der Kammer 44 ist ein partikuläres Material 50 mit großer Oberfläche vorgesehen.
  • Eine Düse 60 zerstäubt über die Leitung 52 in die Kammer 44 eingelassenes Wasser zum Kühlen des darin befindlichen heißen reformierten Gases. Die Düse 60 kann die Form jeglicher aus der Technik bekannter Düsen annehmen und sollte konstruiert werden, um Wassertröpfchen von weniger als ca. 100 μm bei Nennströmungsbedingungen bereitzustellen, welche ungefähr 27 lbs./h H2O sind. Wie bereits erwähnt ist die Kammer 44 mit einem Material mit großer Oberfläche bepackt, welches Verdampfung der Wassertröpfchen in dem Vorkühler 40 vervollständigt, um sicherzustellen, dass keine Wassertröpfchen in dem durch den Auslass 48 abgegebenen, reformierten Gas sind. Zusätzlich hilft das kompaktierte Material in Kammer 44 auch beim Kühlen des Stroms von reformiertem Gas vor der Abgabe durch den Auslass 48. Geeignete Materialien, welche in der Kammer 44 verwendet werden, umfassen Stahlwolle, Keramik und Metallpellets, netzartiger Keramikschaum, netzartiger Metallschaum und wabenförmige Monolithe.
  • Neben dem Erhalten des notwendigen gekühlten Stroms von reformiertem Gas ist es erwünscht, eine im wesentlichen vollständige Verdampfung des Wassers im Vorkühler 40 zu gewährleisten, um so den Druckabfall vom Einlass 46 zum Auslass 48 auf nicht mehr als 10 inch Wasser (inches of waten) zu beschränken. Vollständige Verdampfung des Wassers wird im Vorkühlen der vorliegenden Erfindung gewährleistet durch Bereitstellen des Materials mit großer Oberfläche in der Kammer 44. Das Material mit großer Oberfläche stellt sicher, dass Wassertröpfchen darin verdampft werden, bevor sie durch den Auslass 48 gelangen.
  • Wie bereits bemerkt erfordert das Verfahren der vorliegenden Erfindung das Abkühlen eines heißen reformierten Gases in einem Vorkühlen von einer Einlasstemperatur von zwischen ca. 800 bis 1200°F auf eine Auslasstemperatur von bevorzugt zwischen 400 bis 500°F. Zusätzlich muss jegliches Wasser, das verwendet wird, um zur Kühlung des reformierten Gases beizutragen, innerhalb der Kühlzone vor dem Auslass vollständig verdampft werden. Um das oben genannte bei Nennleistungsbedingungen zu gewährleisten, müssen bestimmte Parameter eingehalten werden. Die Massenströmungsrate von reformiertem Gas sollte zwischen ungefähr 290–350 lbs./h sein, die Massenströmungsrate von Wasser zwischen 25–35 lbs./h sein. Zusätzlich sollte die Oberfläche des Material in Kammer 50 zwischen ungefähr 400–600 ft2/ft3 sein. Wie bereits erwähnt ist der Druckabfall bei Nennleistung vom Einlass für reformiertes Gas zum Auslass für reformiertes Gas weniger als 10 Inch Wasser (inches of waten). Die Anordnung kann bei Strömungsbedingungen von Nennleistung bis zu einer Strömungsrate von ca. 10% der Nennleistung arbeiten. Bei niedrigen Strömungsbedingungen ermöglicht die vergrößerte Verweildauer die vollständige Verdampfung des eingespritzten Wassers.
  • Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die hier beschriebenen und gezeigten Darstellungen beschränkt ist, welche lediglich beispielhaft für die besten Arten der Ausführung der Erfindung sind, und welche empfänglich sind für Veränderungen der Form, Größe, Anordnung von Teilen und Details des Betriebs. Anstatt dessen ist es gedacht, dass die Erfindung all jene Veränderungen umfasst, welche innerhalb ihrer Idee und ihres durch die Ansprüche definierten Umfangs liegen.
  • Zusammenfassung
  • sIn einem bei nahezu Umgebungsdruck betriebenen Brennstoffgassystem mit autothermalem Reformer ist ein Vorkühlen zwischen dem autothermalen Reformer und Shift-Konverter. Der Vorkühler umfasst einen Einlass für sprühendes Wasser, einen Einlass für reformiertes Gas und eine Packung von Material mit großer Oberfläche, welches die zu Verfügung stehende Oberfläche zur Wasserverdampfung im Vorkühler vergrößert, um das heiße, reformierte Gas effizient zu kühlen.

Claims (7)

  1. Brennstoffzellensystem, aufweisend: – eine Vorrichtung zum Konvertieren eines Kohlenwasserstoff-Brennstoffs zu einem Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltenden Hochtemperaturgas; – einen Shift-Konverter stromabwärtig von der Konvertierungsvorrichtung zum Konvertieren des reformierten Gases zu im wesentlichen Wasserstoff und Kohlendioxid; – eine Brennstoffzelle stromabwärtig von dem Shift-Konverter zum Reagieren Lassen des Wasserstoffs vom Shift-Konverter; und – einen Shift-Konverter-Vorkühler stromaufwärtig von und nahe zum Shift-Konverter und in vertikal abwärtiger Richtung ausgerichtet zum Kühlen des reformierten Gases auf eine gewünschte Temperatur vor dem Einbringen in den Shift-Konverter, wobei der Vorkühler aufweist: – ein Gehäuse, welches eine Kammer definiert, wobei die Kammer einen Einlass für reformiertes Gas und einen Auslass für reformiertes Gas hat, ein in der Kammer angeordnetes Material mit großer Oberfläche und ein Wassereinlass zum Leiten eines Kühlwassers zum Material mit großer Oberfläche.
  2. System nach Anspruch 1, wobei das Material ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus Stahlwolle, Keramikpellets, netzartigem Keramikschaum, netzartigem Metallschaum und wabenförmigen Monolithen.
  3. Verfahren zum Kühlen von reformiertem Gas von einem Brennstoffaufbereiter vor Zuführen des reformierten Gases zu einem Shift-Konverter in einem kohlenwasserstoffbetriebenen Brennstoffzellensystem mit reformiertem Gas mit einer Nennleistung, welches bei nahezu Umgebungsdruck betrieben wird, aufweisend die folgenden Schritte: – Bereitstellen einer Kühlzone mit einem Einlass für heißes Gas, einem Auslass für gekühltes Gas und einem Wassereinlass; – Zuführen eines reformierten Gases bei einer Temperatur von zwischen 800 bis 1200°C zu dem Einlass für heißes Gas; – Beladen der Kühlzone mit einem Material mit großer Oberfläche; – Sprühen von Wasser in Tröpfchen und Kontaktieren der Tröpfchen mit dem Material mit großer Oberfläche und dem reformierten Gas, um das reformierte Gas zu kühlen und das Wasser zu verdampfen; und – Entfernen eines gekühlten, reformierten Gases von der Kühlzone, wobei das reformierte Gas bei einer Temperatur zwischen 400–500°F und der Gasstrom im Wesentlichen frei von Wassertröpfchen ist.
  4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, wobei der Brennstoffaufbereiter gewählt ist aus der Gruppe, welche besteht aus einem autothermen Reformer, einem thermischen Dampfreformer und einer Vorrichtung zur teilweisen Oxidation.
  5. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Druckabfall bei Nennleistung vom Einlass für reformiertes Gas zum Auslass für reformiertes Gas weniger als 10 Inch Wasser (inches of water) beträgt.
  6. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Oberfläche zwischen 400 bis 600 ft2/ft3 ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Material ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus Stahlwolle, Keramikpellets, Metallpellets, netzartigem Keramikschaum, netzartigem Metallschaum und wabenartigen Monolithen.
DE10296674T 2001-04-18 2002-03-21 Kompakter Vorkühler Withdrawn DE10296674T5 (de)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US09/837,502 2001-04-18
US09/837,502 US6703151B2 (en) 2001-04-18 2001-04-18 Compact precooler
PCT/US2002/009308 WO2002086402A2 (en) 2001-04-18 2002-03-21 Compact precooler

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE10296674T5 true DE10296674T5 (de) 2004-04-22

Family

ID=25274635

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE10296674T Withdrawn DE10296674T5 (de) 2001-04-18 2002-03-21 Kompakter Vorkühler

Country Status (5)

Country Link
US (1) US6703151B2 (de)
JP (1) JP3968310B2 (de)
AU (1) AU2002248706A1 (de)
DE (1) DE10296674T5 (de)
WO (1) WO2002086402A2 (de)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6548198B2 (en) * 2000-12-15 2003-04-15 Utc Fuel Cells, Llc Compact precooler
CA2448715C (en) * 2002-11-11 2011-07-05 Nippon Telegraph And Telephone Corporation Fuel cell power generating system with two fuel cells of different types and method of controlling the same
KR20070028552A (ko) * 2004-06-18 2007-03-12 누베라 퓨엘 셀스, 인크. 개질유의 냉각 및 가습을 위한 장치

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3976507A (en) 1975-02-12 1976-08-24 United Technologies Corporation Pressurized fuel cell power plant with single reactant gas stream
JPH06215785A (ja) 1991-06-04 1994-08-05 Toshiba Corp 燃料電池発電システム
US5270127A (en) 1991-08-09 1993-12-14 Ishikawajima-Harima Heavy Industries Co., Ltd. Plate shift converter
US5482791A (en) 1993-01-28 1996-01-09 Fuji Electric Co., Ltd. Fuel cell/gas turbine combined power generation system and method for operating the same
US5770162A (en) 1996-07-08 1998-06-23 Norton Chemical Process Products Corporation Horizontal regenerative thermal oxidizer unit
JPH10330101A (ja) 1997-05-27 1998-12-15 Sanyo Electric Co Ltd 水素製造装置及び水素製造方法
US6077620A (en) 1997-11-26 2000-06-20 General Motors Corporation Fuel cell system with combustor-heated reformer
JP3557104B2 (ja) 1998-09-04 2004-08-25 日本電信電話株式会社 リン酸型燃料電池発電プラント
US6309612B1 (en) * 1998-11-18 2001-10-30 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Ceramic membrane reactor with two reactant gases at different pressures
US6548198B2 (en) * 2000-12-15 2003-04-15 Utc Fuel Cells, Llc Compact precooler

Also Published As

Publication number Publication date
JP3968310B2 (ja) 2007-08-29
JP2004527882A (ja) 2004-09-09
US6703151B2 (en) 2004-03-09
WO2002086402A2 (en) 2002-10-31
AU2002248706A1 (en) 2002-11-05
WO2002086402A3 (en) 2003-02-27
US20020155332A1 (en) 2002-10-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1915518B1 (de) Vorrichtung, reaktor und verfahren zur reduktion von stickoxyden im abgasstrom von verbrennungskraftmaschinen
EP0990801B1 (de) Verfahren zur isothermen Kompression von Luft sowie Düsenanordnung zur Durchführung des Verfahrens
EP1206630B1 (de) Vorrichtung zum einbringen eines zuschlagstoffes in ein abgas
EP3377815B1 (de) Verfahren und vorrichtung zur einstellung der zündeigenschaft eines brennstoffs, insbesondere zur senkung des schadstoffausstosses von verbrennungseinrichtungen
DE102011018181A1 (de) Rekonfigurierbarer Mischer für ein Abgasnachbehandlungssystem und Verfahren zur Verwendung desselben
DE10306234A1 (de) Vorrichtung zur Luftversorgung einer Brennstoffzelle
DE19548189A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur katalytischen Stickoxid-Reduzierung von Kfz-Abgasen
DE10044786A1 (de) Brennstoffzellenanlage und Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage
DE60010555T2 (de) Wasserstoffgenerator
DE10296674T5 (de) Kompakter Vorkühler
EP3365276B1 (de) Verminderung der nox-abgaskonzentration bei der herstellung von salpetersaüre beim ab-und/oder anfahren der herstellungsvorrichtung
EP1626797A1 (de) VORRRICHTUNG ZUM BEFREIEN EINER EIN AUS EINER ERSTEN PHASE IN EINE ZWEITE PHASE GEBRACHTES EDUKTIONSMITTEL F HRENDEN ZUF&Uuml ;HRLEITUNG VON IN DIE ERSTE PHASE ZUR CKGEBILDETEM REDUKTION SMITTEL
EP1380348B1 (de) Zerstäubungseinrichtung und Verfahren zur Erzeugung eines Flüssigkeit-Gas Gemisches
EP3784381A1 (de) Reaktor zur umsetzung gleichgewichtsreduzierter reaktionen
DE102009016097A1 (de) Abgasanlage eines Fahrzeugs mit einer Brennkraftmaschine und Verfahren zur Kühlung eines Abgasstroms in einem Abgasstrang eines Fahrzeugs
EP3123078A1 (de) Verbrennung von lithium bei unterschiedlichen temperaturen, drücken und gasüberschüssen mit porösen rohren als brenner
DE102016003743A1 (de) Abgasnachbehandlungssystem und Brennkraftmaschine
DE10318866A1 (de) Vorrichtung zur Umsetzung eines Ausgangsstoffes zu einem wasserstoffhaltigen Gas sowie Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung
DE10296673T5 (de) Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage
DE102007006310B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Regenerierung deaktivierter Katalysatorpartikel
DE102016225055B4 (de) Abgasführung mit Kühleinrichtung für einen Verbrennungsmotor
EP3454975B1 (de) Verfahren zur verminderung der nox-abgaskonzentration in einer anlage zur herstellung von salpetersäure beim ab- und/oder anfahren der anlage
DE3326999A1 (de) Verfahren zum betreiben einer entspannungsgas-fackel
DE102020103074A1 (de) System zur Einbringung von Reduktionsmittel in ein Abgassystem
EP1209120A2 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Brenngas

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law

Ref document number: 10296674

Country of ref document: DE

Date of ref document: 20040422

Kind code of ref document: P

R016 Response to examination communication
R002 Refusal decision in examination/registration proceedings
R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee

Effective date: 20121002