DE10297048T5 - Übertragungsvorrichtung für Wasserdampf für einen Reformer einer Brennstoffzelle - Google Patents

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Abstract

Brennstoffprozessor für die Erzeugung von Wasserstoff aus einem Kohlenwasserstoff-Brennstoff mit:
(a) einem Reaktor für die Erzeugung von wasserstoffhaltigem Reformat unter Verwendung von Oxidationsmittel, Wasser und Kohlenwasserstoff-Brennstoff; und
(b) einer Wasserübertragungsvorrichtung, die Wasserdampf von dem Reformat, das durch den Reaktor erzeugt wird, auf einen Reaktanden überträgt, der von dem Reaktor verwendet wird,. und eine Wasserübertragungsmembran umfasst.

Description

  • Diese Erfindung betrifft Reformer für die Erzeugung von Wasserstoff aus Kohlenwasserstoff-Brennstoff. Derartige Reformer können dazu verwendet werden, Wasserstoff für Brennstoffzellen in einer Energieerzeugungsanlage bzw. Antriebseinrichtung (engl. power plant) zu erzeugen. Insbesondere betrifft diese Erfindung Reformer mit einer Vorrichtung, die Wasserdampf von dem wasserstoffhaltigen Reformat, das durch den Reformer erzeugt wird, zurück an den Brennstoff- und Lufteingang des Reformers überträgt.
  • Brennstoffzellen sind Vorrichtungen, die elektrochemische Energie durch die Reaktion reduzierender und oxidierender Chemikalien in Elektrizität umwandeln. Brennstoffzellen sind bisher bei vielen Anwendungen als Energie- bzw. Antriebsquelle verwendet worden und können gegenüber anderen Quellen für elektrische Energie erhebliche Vorteile bieten, wie beispielsweise einen verbesserten Wirkungsgrad, eine verbesserte Zuverlässigkeit wie auch Lebensdauer, geringere Kosten und Umweltvorteile. Insbesondere sind Elektromotoren, die durch Brennstoffzellen betrieben werden, zur Verwendung in Autos und anderen Fahrzeugen als Ersatz für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen worden.
  • Brennstoffzellen verwenden typischerweise Wasserstoff und Luft als die reduzierenden und oxidierenden Materialien, um elektrische Energie und Wasser zu erzeugen. Die Zelle umfasst allgemein eine Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode, die durch einen Elektrolyten getrennt sind. Wasserstoff wird an die Anodenelektrode geliefert, und Sauerstoff (oder Luft) wird an die Kathodenelektrode geliefert. Das Wasserstoffgas wird an der Anode in Elektronen und Wasserstoffionen (Protonen) getrennt. Die Wasserstoffionen gelangen durch den Elektrolyten an die Kathode. Die Elektronen wandern durch die Stromschaltung (beispielsweise an einen Motor) an die Kathode. An der Kathode werden die Wasserstoffionen, Elektronen wie auch der Sauerstoff dann kombiniert, um Wasser zu bilden. Die Reaktionen an der Anode und Kathode werden durch einen Katalysator, typischerweise Platin, erleichtert.
  • Die Anode und Kathode der Brennstoffzelle sind durch einen Elektrolyten getrennt. Es existieren verschiedene Typen von Brennstoffzellen, von denen jeder ein anderes Elektrolytsystem umfasst und jeder Vorteile besitzt, die diesen für gegebene, kommerzielle Anwendungen besonders geeignet machen. Ein Typ ist die Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembran (PEM), die eine dünne Polymermembran verwendet, die für Protonen, jedoch nicht für Elektronen, durchlässig ist. PEM-Brennstoffzellen sind besonders gut zur Verwendung in Fahrzeugen geeignet, da sie einen hohen Strom liefern können und weniger als andere Brennstoffzellensysteme wiegen.
  • Die Membran in der PEM-Brennstoffzelle ist ein Teil einer Membranelektrodenanordnung (MEA), die die Anode auf einer Seite der Membran und die Kathode auf der gegenüberliegenden Seite aufweist. Die Membran besteht typischerweise aus einem Ionentauscherharz, wie beispielsweise perfluorierter Sulfonsäure. Die MEA ist schichtartig zwischen einem Paar elektrisch leitfähiger Elemente angeordnet, die als Stromkollektoren für die Anode und Kathode dienen und geeignete Kanäle und / oder Öffnungen zur Verteilung der gasförmigen Reaktanden der Brenn stoffzelle über die Oberflächen der jeweiligen Anoden- und Kathodenkatalysatoren umfassen.
  • Die Anode und Kathode umfassen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel, die auf Kohlenstoffpartikeln getragen sind und mit einem protonenleitenden Harz gemischt sind. Die katalytischen Partikel sind typischerweise Edelmetallpartikel, wie beispielsweise Platin. Derartige MEAs sind demgemäß relativ teuer herzustellen und erfordern gesteuerte Betriebsbedingungen, um eine Schädigung der Membran und der Katalysatoren zu verhindern. Diese Bedingungen umfassen eine richtige Wassersteuerung wie auch Befeuchtung und eine Steuerung von den Katalysator schädigenden Bestandteilen, wie beispielsweise Kohlenmonoxid. Typische PEM-Brennstoffzellen und MEAs sind in dem U.S.-Patent 5,272,017 von Swathirajan et al., das am 21. Dezember 1993 erteilt wurde, und dem U.S.-Patent 5,316,871, von Swathirajan et al., das am 31. Mai 1994 erteilt wurde, beschrieben.
  • Die Spannung von einer einzelnen Zelle beträgt nur etwa 1 Volt. Demgemäß sind, um die höheren Strom- bzw. Spannungsanforderungen von Fahrzeuge und anderen kommerziellen Anwendungen erfüllen zu können, mehrere Zellen in Reihe kombiniert. Diese Kombination ist typischerweise in einem Stapel bzw. "Stack" angeordnet, der durch einen elektrisch isolierenden Rahmen umgeben ist, der Durchgänge besitzt, um den Fluss der Wasserstoff- und Sauerstoff- (Luft-) Reaktanden und den Wasserabfluss zu führen. Da die Reaktion von Sauerstoff und Wasserstoff auch Wärme erzeugt, muss der Brennstoffzellenstapel auch gekühlt werden. Anordnungen von mehreren Zellen in einem Stapel sind beschrieben in dem U.S.-Patent 5,763,113 von Meltser et al., das am 9. Juni 1998 erteilt wurde, und dem U.S.-Patent 6,099,484 von Rock, das am 8. August 2000 erteilt wurde.
  • Bei vielen Anwendungen ist es erwünscht, einen leicht verfügbaren Kohlenwasserstoff-Brennstoff, wie beispielsweise Methan (Erdgas), Methanol, Benzin oder Dieselkraftstoff als die Wasserstoffquelle für die Brennstoffzelle zu verwenden. Derartige Brennstoffe sind relativ leicht zu speichern, und es existiert bereits eine kommerzielle Infrastruktur für deren Lieferung. Flüssige Brennstoffe, wie beispielsweise Benzin, sind für Fahrzeuganwendungen besonders geeignet. Jedoch müssen Kohlenwasserstoff-Brennstoffe aufgespalten werden, um Wasserstoffgas zur Belieferung der Brennstoffzelle freizusetzen. Brennstoffprozessoren für Energieerzeugungsanlagen zur Lieferung von Wasserstoff umfassen einen oder mehrere Reaktoren oder "Reformer", in denen der Brennstoff mit Wasserdampf und manchmal Luft reagiert, um Reaktionsprodukte zu erzielen, die hauptsächlich Wasserstoff und Kohlendioxid umfassen.
  • Allgemein existieren zwei Typen von reformierenden Systemen: Wasserdampfreformer und autotherme Reformer. Jedes System besitzt Betriebseigenschaften, die es zur Verwendung bestimmter Typen von Brennstoffen und bei bestimmten Anwendungen mehr oder weniger geeignet machen. Bei der Wasserdampfreformierung reagieren ein Kohlenwasserstoff-Brennstoff (typischerweise Methan oder Methanol) und Wasser (als Wasserdampf) miteinander, um Wasserstoff und Kohlendioxid zu erzeugen. Diese Reaktion verläuft endotherm und erfordert einen Zusatz von Wärme. Bei bevorzugten Systemen wird diese Wärme durch einen Brenner geliefert, der Wasserstoff verbrennt, der nach einem Durchgang des Reformats durch den Brennstoffzellenstapel unreagiert zurückbleibt.
  • Bei einem autothermen Reformierungsprozess werden Kohlenwasserstoff-Brennstoff (typischerweise Benzin), Wasserdampf und Luft an einen Primärreaktor geliefert, der zwei Reaktionen ausführt. Eine der Reaktionen ist eine Partialoxidationsreaktion, bei der Luft mit dem Brennstoff exotherm reagiert, und die andere der Reaktionen ist die endotherme Wasserdampfreformierungsreaktion (wie bei der Wasserdampfreformierung). Die Wärme von der exothermen Reaktion wird bei der endothermen Reaktion verwendet, wodurch der. Bedarf nach einer externen Wärmequelle minimiert wird.
  • Ein Nebenprodukt sowohl der Wasserdampf- als auch autothermen Reformierungsreaktion ist Kohlenmonoxid. Unglücklicherweise verschlechtert Kohlenmonoxid den Betrieb der Brennstoffzelle und insbesondere der PEM-Brennstoffzellen. Somit ist es erforderlich, dass Reaktoren unterstromig des Primärreaktors die Kohlenmonoxidkonzentration in dem wasserstoffreichen Reformat auf Größen absenken, die in dem Brennstoffzellenstapel tolerierbar sind. Unterstromige Reaktoren können einen Wasser-Gas-Shift-Reaktor (WGS-Reaktor) und einen Reaktor für selektive bzw. bevorzugte Oxidation (PrOx-Reaktor) umfassen. Der WGS-Reaktor wandelt Kohlendioxid und Wasser katalytisch um, um Wasserstoff und Kohlendioxid zu erzeugen. Der PrOx-Reaktor oxidiert Kohlenmonoxid selektiv zur Erzeugung von Kohlendioxid unter Verwendung von Sauerstoff aus Luft als einem Oxidationsmittel. Die Steuerung der Luftzufuhr zu dem PrOx-Reaktor ist wichtig, um Kohlenmonoxid selektiv zu oxidieren, während die Oxidation von Wasserstoff zu Wasser minimiert wird.
  • Brennstoffzellensysteme, die einen Kohlenwasserstoffbrennstoff aufspalten, um ein wasserstoffreiches Reformat zum Verbrauch durch PEM-Brennstoffzellen zu erzeugen, sind in der Technik gut bekannt. Derartige Systeme sind beschrieben in dem U.S.-Patent 6,077,620 von Pettit, das am 20. Juni 2000 erteilt wurde; der europäischen Patentveröffentlichung 977,293 von Skala, et al., die am 2. Februar 2000 veröf fentlicht wurde, und dem U.S.-Patent 4,650,722 von Vanderborgh, et al., das am 17. März 1987 erteilt wurde.
  • Die Verwendung von Brennstoffzellensystemen für Kohlenwasserstoffreformat in Autos und anderen Fahrzeugen besitzt spezielle Herausforderungen. Zusätzlich dazu, dass leicht verfügbare flüssige Brennstoffe verwendet werden sollen, wie oben beschrieben ist, müssen der Reformer wie auch die Brennstoffzellensysteme ein relativ geringes Gewicht besitzen und sie müssen dazu in der Lage sein, in einem breiten Bereich von Umgebungsbedingungen effizient arbeiten zu können (beispielsweise in einem Bereich von Temperaturen wie auch Feuchtebedingungen). Sie sollten auch schnell gestartet werden können, um Strom innerhalb eines kurzen Zeitintervalles nach der Startphase des Fahrzeugs erzeugen zu können. Somit ist es erwünscht, das Ausmaß der Erwärmung von Reaktandenkomponenten für den Reformer zu minimieren. Es ist ebenfalls erwünscht, die Menge an flüssigem Wasser zu minimieren, die in dem System gehandhabt werden muss, insbesondere, um die Notwendigkeit zu beseitigen, Wasser in dem System wieder auffüllen zu müssen.
  • Wie oben beschrieben ist, existieren verschiedene Komponenten in dem Reformat-Brennstoffzellensystem, die Wasser erfordern, wobei dies insbesondere den Reformer, der Wasserdampf als Reaktand erfordert, den WGS-Reaktor und die Brennstoffzelle betrifft, die eine Befeuchtung der MEA erfordert, damit diese richtig funktionieren kann. Eine übliche Vorgehensweise, um das Wassergleichgewicht in Brennstoffzellensystemen zu steigern, ist die Verwendung von kondensierenden Wärmetauschern an verschiedenen Punkten in dem System. Beispielsweise werden Wärmetauscher unterstromig des Reformers verwendet, um den Reformataustrag auf eine Temperatur bei oder unterhalb seines Taupunktes zu kühlen, um so einen Niederschlag von Wasser zu erreichen. Das Wasser wird von dem gasförmigen Reformat getrennt und in einem Reservoir gespeichert. Das Wasser wird anschließend an den Reformer zurückgeführt, in dem es erhitzt wird, um Wasserdampf zu erzeugen. Wärmetauscher werden auch dazu verwendet, den Austragsstrom, der die Kathode der Brennstoffzelle verlässt, zu kühlen, um so das Wasser zu kondensieren, das zur Befeuchtung der MEA verwendet wird. Die Verwendung von Wärmetauschern hat jedoch verschiedene Probleme zur Folge. Beispielsweise ist der Wasserrückgewinnungswirkungsgrad von Wärmetauschern verringert, wenn die Umgebungstemperatur zunimmt. Damit können große Kühler nötig werden, um so die Kondensationswärme zu dissipieren. Überdies muss das flüssige Kondensat, das von den Wärmetauschern erzeugt wird, zur Wiederverwendung in dem System verdampft werden, was eine zusätzliche Energielast wie auch Verminderungen der Wirkungsgrade in dem System zur Folge hat.
  • In der Technik sind bereits Vorgehensweisen hinsichtlich der Anforderungen an das Wassergleichgewicht in Brennstoffzellensystemen beschrieben worden. Dazu wird beispielsweise auf die deutsche Patentveröffentlichung 42 01 632 von Strasser, die am 29. Juli 1993 veröffentlicht wurde, das U.S.-Patent 6,007,931 von Fuller, et al., das am 28. Dezember 1999 erteilt wurde; und das U.S.-Patent 6,013,385 von DuBose verwiesen, das am 11. Januar 2000 erteilt wurde. Jedoch sind die Wassermanagementsysteme, die im Stand der Technik bekannt sind, auf diese Anforderungen nicht geeignet abgestimmt, da sie Probleme besitzen, wie beispielsweise ihre Unfähigkeit, ein richtiges Wassergleichgewicht über einen breiten Bereich von Betriebsbedingungen beizubehalten, ihre mechanische Komplexität wie auch mangelnde Zuverlässigkeit, erhöhte Systemenergieanforderungen wie auch potentielle Sicherheitsrisiken.
  • Die vorliegende Erfindung sieht einen Kohlenwasserstoff-Brennstoffreformer vor, der mit Wasserdampf versorgt wird, der von dem Abflussstrom des Reformers entzogen wird. Demgemäß sieht die vorliegende Erfindung einen Brennstoffprozessor für eine Energieerzeugungsanlage zur Erzeugung von Wasserstoff aus einem Kohlenwasserstoff-Brennstoff vor, mit:
    • (a) einem Reaktor für die Erzeugung von Wasserstoff unter Verwendung eines Oxidationsmittels, Wasser und einem Kohlenwasserstoff-Brennstoff; und
    • (b) einer Wasserübertragungsvorrichtung, die Wasserdampf von dem Reformat, das durch den Reaktor erzeugt wird, an das Oxidationsmittel überträgt, das von dem Reaktor verwendet wird, und eine Wasserübertragungsmembran umfasst.
  • Es hat sich herausgestellt, dass derartige Wasserübertragungsvorrichtungen erhebliche Vorteile gegenüber Wassermanagementsystemen, die in der Technik bekannt sind, besitzen. Insbesondere besitzen derartige Systeme Vorteile bei der Beibehaltung eines Gesamtwassergleichgewichtes in dem System in einem Bereich von Betriebsbedingungen, verringerte Energieanforderungen, eine verringerte Komponentenkomplexität und erhöhte Zuverlässigkeit wie auch eine gesteigerte Betriebssicherheit.
  • 1 ist ein Schaubild, das einen Kohlenwasserstoff-Brennstoffprozessor dieser Erfindung zeigt, der mit einer Brennstoffzelle verbunden ist, und das den Fluss von Materialien in und aus dem Reaktor und der Wasserübertragungsvorrichtung veranschaulicht.
  • 2 ist ein Schaubild einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung mit einem Primärreaktor, einem Wasser-Gas-Shift- Reaktor (WGS-Reaktor) und einem Reaktor für selektive Oxidation (PrOx-Reaktor).
  • 3 zeigt eine Schnittansicht einer Ausführungsform der Wasserübertragungsvorrichtung dieser Erfindung.
  • 4 ist ein Schaubild einer Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung mit einem Kompressor für in den Reaktor eintretendes Oxidationsmittel.
  • Die vorliegende Erfindung sieht einen Kohlenwasserstoff-Brennstoffprozessor vor. Der hier verwendete Begriff "Kohlenwasserstoff-Brennstoffprozessor" umfasst jede Vorrichtung, die einen Kohlenwasserstoffbrennstoff in Wasserstoff bevorzugt zur Verwendung in einer Brennstoffzelle umwandelt. Der Begriff "Brennstoffzelle", der hier verwendet ist, kann eine einzelne Zelle für die elektrochemische Erzeugung von Elektrizität, bevorzugt eine PEM-Brennstoffzelle unter Verwendung von Wasserstoff und einem Oxidationsmittel oder eine Vielzahl von Zellen in einem Stapel oder einer anderen Anordnung bezeichnen, die eine Serienverbindung der Zellen zulässt, um so eine erhöhte Spannung zu erzeugen. Der hier verwendete Begriff "Kohlenwasserstoff-Brennstoffzellenanlage" ist eine Vorrichtung, die eine Brennstoffzelle und einen Kohlenwasserstoff-Brennstoffprozessor umfasst, um Wasserstoff für die Brennstoffzelle zu erzeugen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kohlenwasserstoff-Brennstoffzellenanlage zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug geeignet. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die Kohlenwasserstoff-Brennstoffzellenanlage zur Verwendung in einer stationären Vorrichtung geeignet, wie beispielsweise einem Notstromgenerator oder Zusatz- oder Hilfsstromgenerator für Hausgebrauch oder kommerzielle Verwendung.
  • Bevorzugt wandelt der Kohlenwasserstoff-Brennstoffprozessor Kohlenwasserstoff-Brennstoff unter Verwendung eines Oxidationsmittels und Wasser um, um einen Strom aus Wasserstoffgas zu erzeugen. Bevorzugt ist der Kohlenwasserstoff-Brennstoff ein Brennstoff, der reformiert werden kann, um Wasserstoff zu erzeugen, und kann Benzin, Dieselkraftstoff, Erdgas, Methan, Butan, Propan, Methanol, Ethanol oder deren Mischungen umfassen. (Das hier verwendete Wort "umfassen" (und seine Varianten) ist als nicht beschränkend anzusehen, so dass ein Aufzählen von Begriffen oder Möglichkeiten in einer Liste nicht dem Ausschluss anderer ähnlicher Begriffe oder Möglichkeiten dient, die ebenfalls in den Vorrichtungen, Einrichtungen, Komponenten, Materialien, Zusammensetzungen und Verfahren dieser Erfindung verwendet werden können.) [0023] Insbesondere sieht die vorliegende Erfindung, wie in 1 gezeigt ist, einen Brennstoffprozessor für eine Energieerzeugungsanlage vor, mit einem Reaktor (1) und einer Wasserübertragungsvorrichtung (2), die Wasserdampf von dem Reformat, das durch den Reaktor erzeugt wird, an den Eingang des Reaktors überträgt. Der hier verwendete Begriff "Reformat" ist das gasförmige Produkt oder der gasförmige Abfluss, der Wasserstoff umfasst und der durch einen Reaktor aus einem Kohlenwasserstoff-Brennstoff erzeugt wird. Bei einer Ausführungsform strömt das Reformat nach einem Durchgang durch die Wasserübertragungsvorrichtung von dem Reaktor an eine Brennstoffzelle (3). Ebenfalls wird bei dieser Ausführungsform der Wasserdampf an den Reaktor als Teil des Oxidationsmittelstromes übertragen. Die Übertragung kann direkt an den Eingang des Reaktors oder an eine Vorrichtung erfolgen, wie beispielsweise eine Luftbewegungsvorrichtung, die ihrerseits mit dem Eingang des Reaktors verbunden ist. Die Wasserübertragungsvorrichtung umfasst bevorzugt eine Wasserübertragungsmembran.
  • Reaktor
  • Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung umfasst einen Reaktor, der in der Lage ist, einen Kohlenwasserstoff-Brennstoff in Wasserstoff zur Verwendung in einer Brennstoffzelle umzuwandeln. Bevorzugte Reaktoren umfassen Wasserdampf reformierende Reaktoren und autotherme Reaktoren, wie oben allgemein im Hintergrund beschrieben wurde. Die mit dieser Erfindung verwendbaren Reaktoren sind in der Technik bekannt und beispielsweise in den folgenden Dokumenten beschrieben, die hier alle durch Bezugnahme eingeschlossen sind: U.S.-Patent 4,650,722, Vanderborgh, et al., erteilt am 17. März 1987; U.S.-Patent 6,077,620, Pettit, erteilt am 20. Juni 2000; und U.S.-Patent 6,132,689, Skala et al., erteilt am 22. September 1998; U.S.-Patent 6,159,626, Keskula et al., erteilt am 6. Juli 1999; europäische Patentoffenlegungsschrift 977,293; Skala et al., veröffentlicht am 2. Februar 2000; und europäische Patentoffenlegungsschrift 1,066,876 Keskula et al., veröffentlicht am 10. Januar 2001.
  • Bei einer Ausführungsform der Erfindung, die allgemein in 2 gezeigt ist, umfasst der Reaktor einen oder mehrere Reaktoren (4, 5, 6). Der Kohlenwasserstoff-Brennstoff (Strom 7) wird in Anwesenheit von Wasser / Wasserdampf einer Aufspaltung unterzogen, um das Reformat zu erzeugen. Bei einer derartigen spezifischen Ausführungsform wird Luft in einer aus Partialoxidation und Wasserdampfreformierung kombinierten Reaktion verwendet. In diesem Fall empfangen die Reaktoren (4 und 6) auch einen Luftstrom (8). Jeder Reaktor (4, 5, 6) kann einen oder mehrere Abschnitte oder Reaktorbetten umfassen. Es ist eine Vielzahl von Konstruktionen bekannt und verwendbar. Daher kann die Auswahl und Anordnung von Reaktoren (4, 5, 6) variieren. Nachfolgend sind mehrere beispielhafte Brennstoff reformierende Reaktoren (4) und unterstromige Reaktoren (5, 6) weiter beschrieben.
  • Ein Brennstofftank (9) speichert bevorzugt den Kohlenwasserstoff-Brennstoff bei Umgebungstemperatur. Der Brennstoff wird dann an den Brennstoffprozessor geliefert (Strom 7). Bei einigen Ausführungsformen, bevorzugt mit Wasserdampf reformierenden Reaktoren, wird der Brennstoff vor dem Eintritt in den Primärreaktor (4) verdampft.
  • Bei einem beispielhaften autothermen Reformierungsprozess reagieren Benzin, Wasser (als Wasserdampf) und Sauerstoff (Luft) in einem Primärreaktor (4), um Wasserstoff und Kohlendioxid zu erzeugen, wie vorher im Hintergrund beschrieben wurde. Der Reaktor (4) umfasst zwei Abschnitte. Ein Abschnitt des Reaktors ist hauptsächlich ein Partialoxidationsreaktor (POX), und der andere Abschnitt des Reaktors ist hauptsächlich ein Wasserdampfreformer (SR), obwohl bei dem Typ von Reaktionen, die in den POX- und SR-Abschnitten stattfinden, eine gewisse Überlappung auftritt. Die POX-Reaktion erfolgt vorwiegend zwischen Brennstoff und Luft nach dem folgenden allgemeinen Reaktionsschema: C8H18 + 4O2 → 8CO + 9H2
  • Diese Reaktion wird durch die Verwendung eines Katalysators erleichtert und läuft exotherm ab. Ein bevorzugter POX-Katalysator umfasst eines oder mehrere Edelmetalle, Pt, Rh, Pd, Ir, Os, Au und Ru. Andere Nicht-Edelmetalle oder Kombinationen von Metallen, wie beispielsweise Ni und Co sind ebenfalls verwendbar. Die Reaktion in dem POX-Abschnitt ist bevorzugt brennstoffreich. Die heißen POX-Reaktionsprodukte gelangen zusammen mit dem mit dem Brennstoff eingeführten Wasserdampf in den SR-Abschnitt, in dem die Kohlenwasserstoffe mit Wasserdampf gemäß dem folgenden allgemeinen Reaktionsschema reagieren: C8H18 + 8H2O → 8CO + 17H2
  • Die Wasserdampfreformierungsreaktion verläuft endotherm. Die für diese endotherme Reaktion benötigte Wärme wird aus der Wärme bereitgestellt, die durch die exotherme POX-Reaktion erzeugt wird, und wird in den SR-Abschnitt durch den Abfluss des POX-Abschnittes geführt (daher der Begriff "autothermer Reaktor").
  • Die Primärreformatprodukte (10) von dem Primärreaktor verlassen den Primärreaktor (4) und werden bei einer Ausführungsform durch einen Wärmetauscher gekühlt, der Wärme von dem Reformat auf die an den Primärreaktor gelieferte Luft überträgt. Bei einer anderen Ausführungsform wird diese Wärmeübertragung durch eine Wasserübertragungsvorrichtung ohne Bedarf nach einem separaten Wärmetauscher bewirkt. Es wird Wasserstoff erzeugt, jedoch erzeugt die Benzinreformierung auch Kohlendioxid, Wasser und Kohlenmonoxid. Insbesondere Kohlenmonoxid kann eine nachteilige Wirkung auf den in dem Brennstoffzellenstapel verwendeten Katalysator haben. Demgemäß ist es bevorzugt, den Kohlenmonoxidgehalt des Produktstroms zu verringern.
  • Bevorzugt umfasst der Brennstoffprozessor dann auch einen oder mehrere unterstromige Reaktoren, wie beispielsweise einen Wasser-Gas-Shift-Reaktor (WGS-Reaktor) (5) und einen Reaktor (6) für selektive bzw. bevorzugte Oxidation (PrOx-Reaktor), die zur Umwandlung von Kohlenmonoxid in Kohlendioxid verwendet werden. Bevorzugt wird das Kohlenmonoxid auf akzeptable Größen verringert, bevorzugt unterhalb etwa 20 ppm.
  • Der Shift-Reaktor (5) umfasst bevorzugt einen oder mehrere Abschnitte, in denen Kohlenmonoxid und Wasser gemäß dem folgenden allgemeinen Schema reagieren: CO + H2O → CO2 + H2
  • Bei einer Ausführungsform ist ein Hochtemperatur-Shift-Abschnitt und ein Niedertemperatur-Shift-Abschnitt vorgesehen. Bei einer solchen spezifischen Ausführungsform umfasst der Hochtemperatur-Shift-Reaktor einen Fe3O4/Cr2O3-Katalysator und arbeitet bei einer Temperatur von etwa 400°C (752°F) bis etwa 550°C (1022°F). Bei der Ausführungsform umfasst der Niedertemperatur-Shift-Reaktor einen CuO/ZnO/Al2 O3-Katalysator und arbeitet bei einer Temperatur von etwa 200°C (392°F) bis etwa 300°C (572°F). Bevorzugt erfolgt eine Kühlung des Reformatstromes zwischen den Hochtemperatur- und den Niedertemperaturabschnitten. Bei anderen Ausführungsformen umfasst der WGS-Reaktor eine Shift-Reaktion bei mittlerer Temperatur, die bei einer Temperatur von etwa 300°C (572°C) bis etwa 400°C (752°C) arbeitet, anstelle von oder zusätzlich zu den Hoch- und Niedertemperaturreaktoren.
  • Das den Shift-Reaktor verlassende Reformat (11) tritt in einen Reaktor (6) für selektive Oxidation (PrOx) ein, in dem es katalytisch mit Sauerstoff, der durch eine Luftversorgung (8) geliefert wird, gemäß dem folgenden allgemeinen Reaktionsschema reagiert: CO + ½O2 → CO2
  • Diese Reaktion wird durchgeführt, um das im Wesentlichen gesamte oder zumindest den größten Teil des restlichen Kohlenmonoxids ohne Verbrauch übermäßiger Mengen an Wasserstoff zu verbrauchen.
  • Ein Luftstrom (8), der an den Brennstoffprozessor geliefert wird, kann in einem oder mehreren der Reaktoren verwendet werden. Für Systeme mit einem autothermen Reformer wird Luft an einen Reaktor (4) geliefert. Der PrOx-Reaktor (6) verwendet auch Luft, um Kohlenmonoxid unter Verwendung eines Edelmetallkatalysators in Kohlendioxid zu oxidieren. Bevorzugt wird Luft von einer Luftbewegungsvorrichtung, bevorzugt einem Kompressor (12), geliefert. Die Luft kann unter Verwendung eines oder mehrerer Wärmetauscher auf die gewünschten Temperaturen für den Primärreaktor (4) erwärmt werden. Bei derartigen Ausführungsformen wird die Luft für den Primärreaktor (4) bevorzugt mit einer Temperatur von zumindest etwa 700°C (1292°F) abhängig von den Betriebsbedingungen geliefert.
  • Bei einer Ausführungsform verlässt der PrOx-Wasserstoffstrom (13) den PrOx-Reaktor (6) und wird durch den Wärmetauscher auf eine Temperatur gekühlt, die zur Verwendung in einer Brennstoffzelle (3) geeignet ist. Der Wasserstoffstrom wird bevorzugt auf eine Temperatur unterhalb etwa 100°C (212°F) gekühlt. Der Wasserstoffstrom (13) wird anschließend über die Wasserübertragungsvorrichtung (2) in die Anodenkammer der Brennstoffzelle (3) zugeführt, wie nachfolgend beschrieben ist. Gleichzeitig wird Sauerstoff (beispielsweise Luft) von einem Oxidationsmittelstrom (8) in die Kathodenkammer der Brennstoffzelle (3) zugeführt. Bevorzugt wird die Luft unter Verwendung eines Kompressors komprimiert. Der Wasserstoff von dem Reformatstrom und der Sauerstoff von dem Oxidationsmittelstrom reagieren in der Brennstoffzelle zur Erzeugung von Elektrizität in einer elektrochemischen Reaktion in Anwesenheit des Katalysators. Wasser wird als ein Nebenprodukt der Reaktion erzeugt. Ein Austrag oder Abfluss (14) von der Anodenseite der Brennstoffzelle (3) enthält nicht reagierten Wasserstoff. Der Austrag oder Abfluss (15) von der Kathodenseite der Brennstoffzelle (3) enthält auch nicht reagierten Sauerstoff.
  • Einige der Reaktionen, die in den Reaktoren (4, 5, 6) auftreten, verlaufen endotherm und erfordern somit Wärme. Andere Reaktionen sind exotherm und erfordern eine Beseitigung von Wärme. Typischerweise benötigt der PrOx-Reaktor (6) eine Entfernung von Wärme. Abhängig von dem Reformertyp verlaufen eine oder mehrere der Reaktionen in dem Primärreaktor (4) endotherm und benötigen einen Zusatz von Wärme. Dies wird typischerweise dadurch erreicht, indem Brennstoff-, Wasser- und / oder Luftreaktanden vorerhitzt werden und / oder bei einem Wasserdampfreformierungsreaktor die gewählten Reaktoren vorgeheizt werden. Das System umfasst bevorzugt Wärmetauscher, um Wärmeenergie von denjenigen Teilen des Systems, die Wärme zu erzeugen, auf diejenigen zu übertragen, die Wärme benötigen.
  • Der Brennstoffprozessor umfasst bevorzugt optional einen Brenner, der den Brennstoff, die Luft und / oder die Wasserreaktanden, die in den Reaktor eintreten, erhitzen kann. Für Brennstoffprozessoren mit einem Wasserdampfreformierungsreaktor heizt der Brenner den Reformer bevorzugt direkt oder indirekt. Bei einem bevorzugten Wasser- _ dampfreformierungssystem werden die Reaktorbetten durch das heiße Abgas des Brenners erhitzt. Eine bevorzugte Ausführungsform, die einen autothermen Reformer umfasst, besitzt keinen Brenner.
  • Der Brenner umfasst bevorzugt eine Kammer mit einem Einlass, einem Austrag und einem Katalysator. Bevorzugt ist die Brennstoffquelle des Brenners der nicht reagierte Wasserstoff in dem Anodenabfluss. Zusätzlicher Brennstoff (Strom 7) kann direkt an den Brenner nach Bedarf geliefert werden, um die Übergangsanforderungen und stationären Anforderungen der Brennstoffzellenvorrichtung erfüllen zu können.
  • Der Kohlenwasserstoff-Brennstoff und/oder Anodenabfluss reagieren in dem Katalysatorabschnitt des Brenners. Sauerstoff wird an den Brenner entweder von der Luftversorgung und/oder bevorzugt dem Kathodenabflussstrom abhängig von den Systembetriebsbedingungen geliefert. Bevorzugt gelangt der Austrag von dem Brenner durch einen Regler und einen Schalldämpfer und wird an die Atmosphäre freigegeben.
  • Bei Systemen, bei denen der Reaktor durch den Brenner erhitzt wird, werden Enthalpiegleichungen dazu verwendet, die Menge an Kathodenaustragsluft zu bestimmen, die an den Brenner geliefert werden muss, um so die von den Reaktoren (4, 5) benötigte Wärme liefern zu können. Eine von dem Brenner benötigte Sauerstoffanforderung, die durch den Kathodenabfluss nicht erfüllt wird, wird bevorzugt durch einen Kompressor in einer Menge geliefert, um die durch den Brenner geforderte Wärme und Temperatur liefern zu können.
  • Wasser für die Reaktoren wird bevorzugt von der Wasserübertragungsvorrichtung (2) geliefert, wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist. Jedoch kann unter bestimmten Bedingungen (wie beispielsweise in der Startphase des Systems) zusätzliches Wasser benötigt werden. Dieses Wasser wird bevorzugt von dem Anodenabfluss und Kathodenabfluss z. B. unter Verwendung eines Kondensators und eines Wasserseparators erhalten. Anschließend wird flüssiges Wasser in einem Reservoir gespeichert. Wasser kann auch dem Reservoir von externen Quellen zugesetzt werden.
  • Bevorzugt werden die verschiedenen Aspekte des Betriebs des Systems unter Verwendung eines geeigneten Mikroprozessors, Mikrocontrollers, Personalcomputers, etc. gesteuert, die eine Zentralverarbeitungseinheit besitzen, die in der Lage ist, ein Steuerprogramm und in einem Speicher gespeicherte Daten ausführen zu können. Die Steuerung kann eine zweckgebundene Steuerung sein, die für eine der Komponenten spezifisch ist, oder kann als Software implementiert sein, die in einem elektronischen Hauptsteuermodul des Fahrzeugs gespeichert ist. Ferner ist es auch, obwohl auf Software basierende Steuerprogramme zur Steuerung von Systemkomponenten in verschiedenen Betriebsarten, wie oben beschrieben ist, verwendbar sind, auch möglich, dass die Steuerung teilweise oder vollständig durch eine zweckbestimmte elektronische Schaltung implementiert sein kann.
  • Wasserübertragungsvorrichtung
  • Die vorliegende Erfindung sieht auch eine Wasserübertragungsvorrichtung vor, die Wasserdampf von einem feuchten Gasstrom an einen trockenen Gasstrom überträgt. Die Wasserübertragungsvorrichtungen dieser Erfindung umfassen eine Struktur mit einem Durchflussweg für ein Primärgas, einem Durchflussweg für ein Sekundärgas wie auch einer Wasserübertragungsmembran mit einer ersten und zweiten Fläche, wobei die erste Fläche der Membran in wesentlichem Kontakt mit dem Durchflussweg für das Primärgas steht und die zweite Fläche in wesentlichem Kontakt mit dem zweiten Durchflussweg steht. Wasserdampf in einem Gas, das in einem Durchflussweg (beispielsweise dem ersten Durchflussweg) strömt, wird durch die Membran an den anderen Durchflussweg (beispielsweise den zweiten Durchflussweg) übertragen. Eine bevorzugte Wasserübertragungsvorrichtung für die Übertragung von Wasserdampf zwischen einem Primärgas und einem Sekundärgas in einer Brennstoffzellen-Energieerzeugungsanlage (eine Ausführungsform davon ist in 3 in einer Schnittansicht gezeigt) umfasst:
    • (a) einen Primärgaseinlass (20);
    • (b) einen Primärgasauslass (21);
    • (c) eine Rohrleitung (22) mit einem Innenhohlraum (23) und einer Außenfläche (24), deren Wände ein Wasserübertragungsmembranmaterial umfassen, wobei ein Ende der Rohrleitung mit dem Primärgaseinlass (20) und das andere Ende der Rohrleitung mit dem Primärgasauslass (21) verbunden ist, so dass der Durchfluss eines Primärgases durch den inneren Hohlraum möglich ist; und
    • (f) ein Gehäuse (25), das einen Hohlraum (26) um zumindest einen Anteil der Außenfläche der Rohrleitung (22) herum umschließt und diesen ausbildet, wobei das Gehäuse einen Sekundärgaseinlass (27) und einen Sekundärgasauslass (28) aufweist, um eine Strömung eines Sekundärgases durch den Hohlraum (26) zu ermöglichen, wobei das Sekundärgas, das durch den Hohlraum des Gehäuses strömt, über eine Außenfläche der Rohrleitung strömt, sich jedoch nicht wesentlich mit Primärgas mischt, das durch den Innenhohlraum der Rohrleitung strömt.
  • Die Rohrleitungen können eine Vielzahl von Formen besitzen und zum Beispiel im Wesentlichen zylindrische Rohre und dreidimensionale rechtwinklige Durchgänge sein. Bevorzugt umfasst die Wasserübertragungsvorrichtung eine Vielzahl von Rohrleitungen (29), die mit einer Sammelkammer (30) an dem Primärgaseinlass und einer Sammelkammer (31) an dem Primärgasauslass verbunden sind, um so den Durchfluss von Primärgas durch alle Rohrleitungen zu ermöglichen. Der hier verwendete Begriff "verbunden" betrifft jeden beliebigen Mechanismus, der den Durchgang von Fluid von einem Punkt zu einem anderen bevorzugt ohne wesentlichen Verlust an Fluid ermöglicht. Die Vorrichtung umfasst bevorzugt auch einen Mechanismus, um die Rohrleitungen in dem Gehäuse zu halten und abzustützen. Bevorzugt ist die Durchflussrichtung des Primärgases im Wesentlichen anders und bevorzugt im Wesentlichen entgegengesetzt der Durchflussrichtung des Sekundärgases gerichtet.
  • Das Material für die Wasserübertragungsmembran, das hier verwendbar ist, ist ein beliebiges Material, das die Übertragung von Wasserdampf von einem Gas zu einem anderen ermöglicht. Bevorzugt erlaubt ein derartiges Material selektiv die Übertragung von Wasserdampf, ohne dass auch die Übertragung anderer Gase zugelassen wird. Eine bevorzugte Wasserübertragungsmembran erlaubt selektiv die Übertragung von Wasserdampf von einem Strom an Primärgas zu einem Strom an Sekundärgas, ohne dass ein größerer Durchgang (Leckage) anderer Komponenten von dem Primärgasstrom zu dem Sekundärstrom zugelassen wird. Bevorzugt ist, wie in 3 gezeigt ist, das Primärgas der feuchte Gasstrom, von dem Wasserdampf an das Sekundärgas, das den trockenen Gasstrom darstellt, übertragen wird. Bevorzugt ist das Primärgas Reformat, und das Sekundärgas ist Luft.
  • Bevorzugte Materialien für die Wasserübertragungsmembran, die hier verwendbar sind, umfassen diejenigen, die hergestellt sind aus Perfluorosulfonsäurepolymer (engl. poly[perfluorosulfonic]acid), sulfoniertem Polystyren, Polyethersulfon, sulfoniertem Polyetherketon, Polycarbonaten, anderen sulfonierten Materialien und deren Mischungen. Ein bevorzugtes Membranmaterial besteht aus Perfluorosulfonsäurepolymer. Ein besonders bevorzugtes Membranmaterial wird mit der Handelsbezeichnung "NAFION" von der E. I. DuPont de Nemours Company vertrieben. Hier verwendbare Rohre, die aus NAFION-Membran bestehen, werden mit der Handelsbezeichnung "PD SERIES MOISTURE EXCHANGERS" von Perma Pure, Inc. vertrieben.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Primärgas Wasserstoffreformat, das durch den Reaktor gebildet wird und Wasser als ein Nebenprodukt der Reformatreaktionen umfasst. Demgemäß umfasst ein bevorzugter Kohlenwasserstoffreformer für eine Energieerzeugungsanlage dieser Erfindung:
    • (a) einen Reaktor mit einem Reaktandeneingang und einem Wasserstoffproduktausgang; und
    • (b) eine Wasserübertragungsvorrichtung mit (i) einem Übertragungsvorrichtungseingang, der mit dem Wasserstoffproduktausgang des Reaktors verbunden ist, (ii) einem Übertragungsvorrichtungsausgang, der mit dem Reaktandeneingang des Reaktors verbunden ist, und (iii) einer Wasserübertragungsmembran; wobei die Wasserübertragungsvorrichtung Wasser von dem Wasserstoffproduktausgang an den Reaktandeneingang überträgt. Ein bevorzugtes Verfahren dieser Erfindung umfasst die Übertragung von Wasserdampf von dem Reformat, das durch einen Reaktor gebildet wird, an einen Reaktanden unter Verwendung einer Wasserdampfübertragungsvorrichtung, die eine Wasserübertragungsmembran umfasst.
  • Bei einer Ausführungsform, die in 4 in einer Schnittansicht dargestellt ist, strömt das Wasserstoffgas von dem Reaktor (1) durch den Hohlraum (23) der Rohrleitung (22) der Wasserübertragungsvorrichtung (2). Luft strömt in das Gehäuse (25) der Wasserübertragungsvorrichtung durch einen Lufteinlass (27). Die Luft strömt durch den Hohlraum (26) in dem Gehäuse über die Rohrleitung und tritt an einem Luftauslass (28) aus. Wenn das Wasserstoffreformat durch die Rohrleitung strömt, wird Wasser durch die Rohrleitungswände (24), die das Wasserübertragungsmembranmaterial umfassen, nach außen übertragen. Das getrocknete Wasserstoffreformat strömt dann zu der Brennstoffzelle (3). Die Luft, die über die Außenfläche der Rohrleitung strömt, nimmt den Wasserdampf auf und strömt zu dem Reaktor (1), an dem sie Wasser bereitstellt, das für die Reformerreaktionen benötigt wird. Bevorzugt wird die Luft erhitzt, wenn sie über die Rohrleitung strömt, wodurch Wärme an den Reaktor geliefert wird und das Reformat gekühlt wird. Bei anderen Ausführungsformen umfasst das Sekundärgas einen gasförmigen Kohlenwasserstoff-Brennstoff (beispielsweise Methan oder einen verdampften flüssigen Brennstoff).
  • Bei der in 3 dargestellten Ausführungsform umfasst der Reaktor den Primärreaktor (4) wie auch die unterstromigen Reaktoren (5) und (6). Bei einer alternativen Ausführungsform umfasst der Reaktor den Primärreaktor (4) und den Wasser-Gas-Shift-Reaktor (5), und das Reformat, das durch die Wasserübertragungsvorrichtung strömt, strömt zu einem PrOx-Reaktor. Der Wasserdampfstrom, der durch die Wasserübertragungsvorrichtung (2) vorgesehen wird, wird bevorzugt an die Reaktoren geliefert, die Wasser benötigen. Bei einer Ausführungsform wird der Strom an den Primärreaktor (4) und den WGS-Reaktor (5) geliefert.
  • Bevorzugt beträgt der Druck des Primärgases in der Rohrleitung etwa 50% bis etwa 500%, bevorzugter etwa 100% bis etwa 300% und bevorzugter etwa 170% bis etwa 270% des Druckes des Sekundärgases in dem Gehäuse. Auch ist die Temperatur des trockenen Gasstromes bevorzugt kleiner oder gleich der Temperatur des feuchten Gasstromes. Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht der trockene Gasstrom aus Luft bevorzugt bei einer Temperatur von kleiner als etwa 85°C (185°F), bevorzugter kleiner als etwa 50°C (122°F) und bevorzugter kleiner als etwa 30°C (86°F). Bevorzugt besteht der trockene Gasstrom aus Luft bei etwa Umgebungstemperatur und etwa Umgebungsdruck.
  • Bevorzugt wird die Temperatur des feuchten Gasstromes an den Eingang der Wasserübertragungsvorrichtung auf einer Temperatur oberhalb des Taupunktes des Gases beibehalten, so dass das Wasser in der Wasserübertragungsvorrichtung nicht kondensiert. Bevorzugt befindet sich die Temperatur des feuchten Gasstromes an dem Einlass der Wasserübertragungsvorrichtung zwischen etwa 1 °C (1,8°F) bis etwa 10°C (18°F), bevorzugter zwischen etwa 1°C (1,8°F) und etwa 5°C (9°F) oberhalb seines Taupunktes.
  • Bevorzugt beträgt der Wasserübertragungswirkungsgrad der Wasserübertragungsvorrichtung dieser Erfindung zumindest etwa 30%, bevorzugter zumindest etwa 50%, bevorzugter zumindest etwa 80% und bevorzugter zumindest etwa 90%. Der hier verwendete Begriff "Wasserübertragungswirkungsgrad" ist das Verhältnis von dWakt/dWmax, wobei dWakt die Menge an Wasser ist, die aktuell von dem trockenen Gasstrom auf den feuchten Gasstrom übertragen wird, und dWmax die maximale Menge an Wasser ist, die theoretisch übertragen werden könnte. Die Menge an Wasser, die übertragen werden kann, kann unter Verwendung herkömmlicher Messungen des Wassergehaltes gasförmiger Ströme bestimmt werden, wie in der Technik bekannt ist. Die maximale Menge an Wasser, dWmax, ist die kleinere aus der Maximalmenge an Wasser, die durch den trockenen Gasstrom absorbiert werden kann (bei einer gegebenen Betriebstemperatur und einem gegebenen Betriebsdruck), und der aktuellen Menge an Wasser in dem feuchten Eingangsgasstrom.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform eines Brennstoffprozessors umfasst auch eine Luftbewegungsvorrichtung, wie beispielsweise einen Kompressor oder ein Gebläse, zur Lieferung von Luft an den Reaktor (z. B. die Primär- und WGS-Reaktoren). Wie in den 2 und 4 gezeigt ist, ist die Luftbewegungsvorrichtung bei einer Ausführungsform ein Kompressor (12), der Luft unter Druck an den Reaktor (1) liefert. Bei Ausführungsformen, bei denen die Wasserübertragungsvorrichtung die Luft für den Reaktor befeuchtet, kann die Wasserübertragungsvorrichtung die Luft befeuchten, nachdem sie komprimiert worden ist (d.h. die Vorrichtung ist mit dem Ausgang des Kompressors verbunden) oder sie kann bevorzugt die Luft befeuchten, bevor sie komprimiert wird (d.h. die Vorrichtung ist mit dem Eingang des Kompressors verbunden).
  • Die Beispiele und anderen Ausführungsformen, die hier beschrieben sind, sind beispielhaft und nicht zur Beschränkung bei der Beschreibung des vollständigen Schutzumfanges der Vorrichtungen, Einrichtungen, Komponenten, Materialien, Zusammensetzungen und Verfahren dieser Erfindung bestimmt. Gleichwertige Änderungen, Abwandlungen und Variationen der spezifischen Ausführungsformen, Materialien, Zusammensetzungen und Verfahren können mit im Wesentlichen gleichen Ergebnissen durchgeführt werden.
  • Zusammenfassung
  • Es ist ein Reformer (1) für Kohlenwasserstoff-Brennstoff offenbart, der mit Wasserdampf, der von dem Abflussstrom des Reformers entnommen wird, beliefert wird. Insbesondere sieht die vorliegende Erfindung einen Brennstoffprozessor für eine Energieerzeugungsanlage für die Erzeugung von Wasserstoff aus einem Kohlenwasserstoff-Brennstoff vor, mit einem Reaktor (1) für die Erzeugung von Wasserstoff unter Verwendung eines Oxidationsmittels, Wasser und Kohlenwasserstoff-Brennstoff und einer Wasserübertragungsvorrichtung (2), die Wasserdampf von dem Reformat, das durch den Reaktor erzeugt wird, auf das Oxidationsmittel überträgt, das von dem Reaktor (1) verwendet wird, und eine Wasserübertragungsmembran umfasst.

Claims (24)

  1. Brennstoffprozessor für die Erzeugung von Wasserstoff aus einem Kohlenwasserstoff-Brennstoff mit: (a) einem Reaktor für die Erzeugung von wasserstoffhaltigem Reformat unter Verwendung von Oxidationsmittel, Wasser und Kohlenwasserstoff-Brennstoff; und (b) einer Wasserübertragungsvorrichtung, die Wasserdampf von dem Reformat, das durch den Reaktor erzeugt wird, auf einen Reaktanden überträgt, der von dem Reaktor verwendet wird,. und eine Wasserübertragungsmembran umfasst.
  2. Brennstoffprozessor nach Anspruch 1, wobei der Reaktand Luft ist.
  3. Brennstoffprozessor nach Anspruch 2, wobei die Luft sich bei einer Temperatur von weniger als etwa 50°C befindet.
  4. Brennstoffprozessor nach Anspruch 3, wobei sich die Luft auf etwa Umgebungstemperatur befindet.
  5. Brennstoffprozessor nach Anspruch 1, wobei die Wasserübertragungsmembran Perfluorosulfonsäurepolymer umfasst.
  6. Brennstoffprozessor für die Erzeugung von Wasserstoff aus einem Kohlenwasserstoff-Brennstoff, mit: (a) einem Reaktor mit einem Reaktandeneingang und einem Reformatausgang; und (b) einer Wasserübertragungsvorrichtung mit (i) einem Übertragungsvorrichtungseingang, der mit dem Reformatausgang des Reaktors verbunden ist, (ii) einem Übertragungsvorrichtungsausgang, der mit dem Reaktandeneingang des Reaktors verbunden ist und (iii) einer Wasserübertragungsmembran; wobei die Wasserübertragungsvorrichtung Wasser von dem Reformatausgang an den Reaktandeneingang überträgt.
  7. Brennstoffprozessor für eine Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 5, wobei der Reaktandeneingang des Reaktors ein Oxidationsmitteleingang ist.
  8. Brennstoffprozessor für eine Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 6, wobei der Reaktor ein autothermer Reaktor ist.
  9. Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 6, ferner mit einem Kompressor, der einen Reaktandeneingang aufweist und der eine Abgabe von komprimiertem Reaktand an den Reaktandeneingang des Reaktors liefert, wobei die Wasserübertragungsvorrichtung Wasserdampf an den Reaktandeneingang des Kompressors überträgt.
  10. Brennstoffprozessor für eine Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 9, wobei der Reaktandeneingang des Reaktors ein Oxidationsmitteleingang ist.
  11. Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 8, wobei die Wasserübertragungsvorrichtung einen Eingang für Luft bei einer Temperatur von weniger als etwa 50°C umfasst.
  12. Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 11, wobei die Wasserübertragungsvorrichtung zusätzlich einen Eingang für Luft bei etwa Umgebungstemperatur umfasst.
  13. Brennstoffprozessor für eine Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 6, wobei die Membran Perfluorosulfonsäurepolymer umfasst.
  14. Verfahren zum Befeuchten eines Reaktanden für einen Brennstoffprozessor, der ein wasserstoffhaltiges Reformat herstellt, das umfasst, dass Wasserdampf von dem Reformat auf den Reaktanden unter Verwendung einer Wasserübertragungsvorrichtung, die eine Wasserübertragungsmembran umfasst, übertragen wird.
  15. Verfahren zum Befeuchten eines Reaktanden nach Anspruch 14, wobei der Reaktand Luft ist.
  16. Verfahren zum Befeuchten eines Reaktanden nach Anspruch 15, wobei die Luft sich bei einer Temperatur von weniger als etwa 50°C befindet, wenn sie durch die Wasserübertragungsvorrichtung befeuchtet wird.
  17. Wasserübertragungsvorrichtung für die Übertragung von Wasserdampf von einem Primärgas auf ein Sekundärgas in einer Brennstoffzellen-Energieerzeugungsanlage mit einem Primärgaseinlass, einem Primärgasauslass, einem Sekundärgaseinlass und einem Sekundärgasauslass, mit: (a) einem Primärgaseinlass; (b) einem Primärgasauslass; (c) einem Sekundärgaseinlass; (d) einem Sekundärgasauslass; (e) einer Rohrleitung mit einem Innenhohlraum und einer Außenfläche, deren Wände ein Wasserübertragungsmembranmaterial umfassen, wobei ein Ende der Rohrleitung mit dem Primärgaseinlass und das andere Ende der Rohrleitung mit dem Primärgasauslass verbunden ist, um so eine Strömung eines Primärgases durch den Innenhohlraum zu ermöglichen; und (f) einem Gehäuse, das einen Hohlraum um zumindest einen Anteil der Außenfläche der Rohrleitung herum umschließt und diesen ausbildet, wobei das Gehäuse einen Sekundärgaseinlass und einen Sekundärgasauslass aufweist, um eine Strömung eines Sekundärgases durch den Hohlraum zu ermöglichen, wobei das Sekundärgas, das durch den Hohlraum des Gehäuses strömt, über eine Außenfläche der Rohrleitung strömt, sich jedoch nicht wesentlich mit Primärgas mischt, das durch den Innenhohlraum der Rohrleitung strömt.
  18. Wasserübertragungsvorrichtung nach Anspruch 17, mit einer Vielzahl von Rohrleitungen, die alle mit dem Primärgaseinlass und dem Primärgasauslass verbunden sind.
  19. Wasserübertragungsvorrichtung nach Anspruch 17, wobei das Wasserübertragungsmembranmaterial ein Perfluorosulfonsäurepolymer umfasst.
  20. Wasserübertragungsvorrichtung nach Anspruch 19, wobei die Richtung des Durchflusses von Primärgas im Wesentlichen in der entgegengesetzten Richtung zu dem Durchfluss des Sekundärgases erfolgt.
  21. Verfahren zum Befeuchten eines Reaktanden für einen Brennstoffprozessor unter Verwendung einer Wasserübertragungsvorrichtung nach Anspruch 17.
  22. Verfahren zum Befeuchten eines Reaktanden für einen Brennstoffprozessor nach Anspruch 21, wobei der Primärgaseinlass mit von einem Reaktor erzeugtem Reformat beliefert wird und der Sekundärgaseinlass mit Luft beliefert wird, umfassend, dass Wasserdampf von dem Reformat auf die Luft unter Verwendung der Wasserübertragungsvorrichtung übertragen wird und die Luft von dem Sekundärgasauslass an einen Reaktor in dem Brennstoffprozessor geliefert wird.
  23. Verfahren zum Befeuchten eines Reaktanden für einen Brennstoffprozessor nach Anspruch 22, wobei die Temperatur der Luft kleiner als etwa 50°C ist und der Druck des Reformates zwischen etwa 170% und etwa 270% des Druckes der Luft liegt.
  24. Brennstoffprozessor nach Anspruch 1, wobei die Wasserübertragungsvorrichtung umfasst: (a) einen Reformatgaseinlass, der mit dem Reformatstromauslass des Reaktors verbunden ist; (b) einen Reformatgasauslass; (c) einen Oxidationsmittelgaseinlass; (d) einen Oxidationsmittelgasauslass; (e) eine Rohrleitung mit einem Innenhohlraum und einer Außenfläche, deren Wände ein Wasserübertragungsmembranmaterial umfassen, wobei ein Ende der Rohrleitung mit dem Reformatgaseinlass und das andere Ende der Rohrleitung mit dem Refor matgasauslass verbunden ist, um so eine Strömung von Wasserstoffgas durch den Innenhohlraum zu ermöglichen; und (f) einem Gehäuse, das einen Hohlraum um zumindest einen Anteil der Außenfläche der Rohrleitung herum umschließt und ausbildet, wobei das Gehäuse einen Oxidationsmittelgaseinlass und einen Oxidationsmittelgasauslass aufweist, um eine Strömung eines Oxidationsmittelgases durch den Hohlraum zu ermöglichen; wobei das Oxidationsmittelgas, das durch den Hohlraum in dem Gehäuse strömt, über die Rohrleitung strömt, sich jedoch nicht wesentlich mit dem Wasserstoffgas, das durch den Innenhohlraum der Rohrleitung strömt, mischt.
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Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6630260B2 (en) * 2001-07-20 2003-10-07 General Motors Corporation Water vapor transfer device for a fuel cell power plant
JP2004018363A (ja) * 2002-06-20 2004-01-22 Nissan Motor Co Ltd 燃料改質装置
US7625647B2 (en) * 2002-12-09 2009-12-01 Gm Global Technology Operations, Inc. Fuel cell system with integrated thermal-to-electric generating devices
JP2006222101A (ja) * 2003-01-10 2006-08-24 Matsushita Electric Ind Co Ltd 半導体装置の製造方法
US6979503B2 (en) * 2003-04-04 2005-12-27 Texaco Inc. Method and apparatus for burst disk identification
US20040226217A1 (en) * 2003-05-16 2004-11-18 University Of Chicago Fuel processor for producing hydrogen from hydrocarbon fuels
US7037612B2 (en) * 2003-11-26 2006-05-02 Utc Fuel Cells, Llc Moisture stabilization for a fuel cell power plant system
WO2005118126A1 (en) * 2004-05-28 2005-12-15 Hyradix, Inc. Hydrogen generation process using partial oxidation/steam reforming
US7575610B2 (en) * 2004-06-07 2009-08-18 Utc Power Corporation Compact production of reformate and segregated H2, N2 and CO2
DE102004055425B4 (de) * 2004-11-17 2007-06-14 Forschungszentrum Jülich GmbH Mischkammer für einen Reformer sowie Verfahren zum Betreiben derselben
US20060183009A1 (en) * 2005-02-11 2006-08-17 Berlowitz Paul J Fuel cell fuel processor with hydrogen buffering
DE102012102251B4 (de) * 2012-03-16 2013-11-07 Das Environmental Expert Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung von Schadgasen
US20140080080A1 (en) * 2012-09-14 2014-03-20 GM Global Technology Operations LLC Annealed WVT Membranes to Impart Durability and Performance
DE102012018164A1 (de) * 2012-09-14 2014-03-20 Forschungszentrum Jülich GmbH Verfahren zum Betreiben eines Wasserdampf benötigenden Teilprozesses in einem Gesamtprozess
DE102012018163A1 (de) * 2012-09-14 2014-03-20 Forschungszentrum Jülich GmbH Verfahren zum Betreiben zweier Teilprozesse mit unterschiedlichen Wasserdampfanforderungen in einem Gesamtprozess
JP2018162195A (ja) * 2017-03-27 2018-10-18 東京瓦斯株式会社 水素製造装置
JP2018162193A (ja) * 2017-03-27 2018-10-18 東京瓦斯株式会社 水素製造装置

Family Cites Families (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3134697A (en) 1959-11-03 1964-05-26 Gen Electric Fuel cell
US4650722A (en) 1980-06-13 1987-03-17 Union Carbide Corporation Hard faced article
US4927857A (en) 1982-09-30 1990-05-22 Engelhard Corporation Method of methanol production
DE4201632C2 (de) 1992-01-23 1997-02-06 Siemens Ag Verfahren und Anordnung zur Befeuchtung der einer Brennstoffzelle zuströmenden Reaktanten
US5272017A (en) 1992-04-03 1993-12-21 General Motors Corporation Membrane-electrode assemblies for electrochemical cells
WO1994003937A1 (de) 1992-08-10 1994-02-17 Siemens Aktiengesellschaft Brennstoffzelle und verfahren zur befeuchtung des elektrolyten
EP0596366B1 (de) 1992-11-05 1997-04-23 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren und Einrichtung zur Wasser- und/oder Inertgasentsorgung eines Brennstoffzellenblocks
ES2121565B1 (es) 1996-05-17 2000-12-16 Mercury Diagnostics Inc Elemento desechable para uso en un dispositivo de toma de muestras de fluidos corporales.
US5763113A (en) 1996-08-26 1998-06-09 General Motors Corporation PEM fuel cell monitoring system
US5965010A (en) 1997-07-15 1999-10-12 Niagara Mohawk Power Corporation Electrochemical autothermal reformer
US6013385A (en) 1997-07-25 2000-01-11 Emprise Corporation Fuel cell gas management system
US6077620A (en) 1997-11-26 2000-06-20 General Motors Corporation Fuel cell system with combustor-heated reformer
US6048472A (en) 1997-12-23 2000-04-11 Air Products And Chemicals, Inc. Production of synthesis gas by mixed conducting membranes
JP2002519817A (ja) * 1998-06-03 2002-07-02 インターナショナル フューエル セルズ コーポレイション 物質と熱を直接移動させる燃料電池電力設備
US6007931A (en) 1998-06-24 1999-12-28 International Fuel Cells Corporation Mass and heat recovery system for a fuel cell power plant
US6238815B1 (en) 1998-07-29 2001-05-29 General Motors Corporation Thermally integrated staged methanol reformer and method
US6132689A (en) 1998-09-22 2000-10-17 General Motors Corporation Multi-stage, isothermal CO preferential oxidation reactor
DE19908905C2 (de) * 1999-03-02 2003-03-20 Daimler Chrysler Ag Brennstoffzellensystem mit zugeordneter Wasserstofferzeugungsanlage
US6391484B1 (en) 1999-07-06 2002-05-21 General Motors Corporation Fuel processor temperature monitoring and control
US6159626A (en) 1999-07-06 2000-12-12 General Motors Corporation Fuel cell system logic for differentiating between rapid and normal shutdown commands
JP4892770B2 (ja) * 1999-12-28 2012-03-07 ダイキン工業株式会社 燃料電池用加湿装置
US6579637B1 (en) * 2000-05-31 2003-06-17 General Motors Corporation Fuel cell system having a compact water separator
CA2417896A1 (en) * 2000-07-31 2002-02-07 Nuvant Systems, Llc. Hydrogen permeable membrane for use in fuel cells, and partial reformate fuel cell system having reforming catalysts in the anode fuel cell compartment
US6485854B1 (en) * 2000-10-19 2002-11-26 General Motors Corporation Gas-liquid separator for fuel cell system
US6838200B2 (en) * 2002-01-22 2005-01-04 General Motors Corporation Fuel processing system having gas recirculation for transient operations
US7276095B2 (en) * 2003-03-14 2007-10-02 General Motors Corporation Fuel processor module for hydrogen production for a fuel cell engine using pressure swing adsorption

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Publication number Publication date
JP2004535351A (ja) 2004-11-25
US20030014918A1 (en) 2003-01-23
US6875246B2 (en) 2005-04-05
WO2003008329A1 (en) 2003-01-30
JP4065235B2 (ja) 2008-03-19
DE10297048B4 (de) 2006-09-14
CN1533360A (zh) 2004-09-29

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