DE19817534A1 - Verfahren und Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie durch DOLLAR A - Erzeugung eines H¶2¶-reichen sowie Anteile an CO¶2¶ und CO enthaltenden Rohgases durch katalytische Umwandlung von flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoffen, DOLLAR A - Entfernung von störenden Verunreinigungen aus dem Rohgas zur Bildung eines für eine Brennstoffzelle geeigneten H¶2¶-Gasstroms, DOLLAR A - Zuführung des H¶2¶-Gasstroms in den Anodenraum einer Brennstoffzelle, deren Kathodenraum zur Erzeugung von elektrischem Strom ein O¶2¶-reicher Gasstrom zugeführt wird. Dabei wird DOLLAR A - das erzeugte H¶2¶-reiche Rohgas einem Membranfilter zur Abtrennung des Gehalts an CO¶2¶, eines großen Teils des CO und gegebenenfalls weiterer verunreinigender Bestandteile zugeführt und in einen Filterabgasstrom und einen vorgereinigten H¶2¶-Gasstrom aufgeteilt und DOLLAR A - der vorgereinigte H¶2¶-Gasstrom wird anschließend einer selektiven katalytischen Oxidation des darin noch enthaltenen CO-Anteils unterzogen und anschließend der Brennstoffzelle zugeführt.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Anlage zu dessen Durchführung.
Aus der EP 0 345 908 B1 ist ein Verfahren zur Umwandlung von Brennstoff auf der
Basis von Kohlenwasserstoffen in Elektrizität bekannt. Dabei findet in einem ersten
Schritt eine katalytische Umwandlung des Brennstoffs in ein H2-reiches Gas statt.
Diese Umwandlung kann beispielsweise in Form einer Dampfreformierung von
leichten Kohlenwasserstoffen wie etwa Methan erfolgen. Zur Erhöhung des H2-
Gehaltes kann dabei im Anschluß an die Dampfreformierung in an sich bekannter
Weise eine Shift-Reaktion angeschlossen werden. In einem zweiten Schritt wird das
auf diese Weise erzeugte H2-reiche Rohgas einer Druck-Wechsel-Adsorptionseinheit
zugeführt, um einen H2-Gasstrom von hoher Reinheit zu erzeugen. Das gereinigte H2-
Gas wird dann dem Anodenraum einer Brennstoffzelle zur Erzeugung von
elektrischem Strom zugeführt. Bei diesem Verfahren werden Brennstoffzellen auf der
Basis von Phosphorsäure (PAFC) eingesetzt. Obwohl dieser Typ von Brennstoffzelle
gegen Verunreinigungen des als Brennstoff dem Anodenraum zugeführten Gases
weitgehend unempfindlich ist, wird diese Gasreinigung durchgeführt, um den
Wirkungsgrad der Brennstoffzelle sowie deren Lebensdauer zu erhöhen.
Andere Typen von Brennstoffzellen sind im Vergleich zu dem Typ PAFC relativ
empfindlich gegen Verunreinigungen des Anodengases. Dies ist beispielsweise bei
Brennstoffzellen mit einem aus einer Polymermembran gebildeten Elektrolyten
(PEM-Brennstoffzelle) der Fall. Dabei muß sichergestellt sein, daß der Gehalt etwa an
CO kleiner als 10 ppm ist.
Die Gasreinigung mit Druck-Wechsel-Adsorbern erfordert einen relativ hohen
Anlagenaufwand und treibt die Betriebskosten eines entsprechenden Systems stark
in die Höhe. Es ist bekannt, ein H2-reiches Gas von störenden Bestandteilen dadurch
zu reinigen, daß man dieses Gas durch einen Membranfilter hindurchleitet. Dieser ist
so gestaltet, daß größere Moleküle wie etwa CO2 im Unterschied zu den kleineren
Molekülen wie H2 die Membranwand nicht passieren können. Für eine derartige
Gastrennung können beispielsweise Molekularsiebe auf der Basis von Zeolithen
eingesetzt werden. Bei der Erzeugung eines H2-reichen Rohgases durch
Dampfreformierung ist jedoch regelmäßig ein erheblicher Anteil an Wasserdampf im
Rohgas enthalten. Dieser Dampfanteil neigt zum Kondensieren im Molekularsieb und
führt zu einem Verstopfen der Poren des Molekularsiebs, so daß auch der
Wasserstoffanteil nicht mehr passieren kann.
Einen H2-Gasstrom mit relativ hoher Reinheit könnte man beispielsweise auch durch
Einsatz eines Filtermoduls mit Palladium-Membran erzeugen. Ein solches
Filtermodul ist jedoch außerordentlich teuer und würde zu sehr hohen
Gasreinigungskosten führen.
Seit mindestens 10 Jahren ist es auch bekannt, zur Gasreinigung
Hohlfasermembranen (Polymermembranfilter) einzusetzen. Damit lassen sich zwar
Bestandteile des Rohgases wie etwa CO2 und N2 herausfiltern, nicht jedoch der für
viele Brennstoffzellen schädliche Anteil an CO, zumindest nicht in ausreichendem
Maße. Das ebenfalls durchgelassene Wasser schadet nicht, wenigstens solange die
Menge in Grenzen bleibt. Der Gasstrom muß in der Brennstoffzelle ohnehin mit
Feuchtigkeit konditioniert werden.
Schließlich ist es bekannt, durch selektive katalytische Oxidation schädliche
Bestandteile eines Medienstromes zu oxidieren. Im vorliegenden Fall könnte also das
schädliche CO durch eine Oxidation in das unschädliche-CO2 umgewandelt werden.
Eine solche Art der "Gasreinigung" hätte jedoch den Nachteil, daß der dem
Anodenraum der Brennstoffzelle zuzuführende Gasstrom mit erheblichen Mengen
Ballaststoffen belastet wäre, die den Wirkungsgrad der Gesamtanlage
beeinträchtigen würden. Weiterhin kommt es infolge eines hohen CO2-Partialdrucks
am Katalysator der Brennstoffzelle zu einer Rückreaktion nach der Formel:
CO2 + H2 = CO + H2O.
Es bildet sich also CO, wodurch sich die Zelle quasi selbst "vergiftet".
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art
dahingehend weiterzubilden, daß eine Reinigung des Rohgases für die Verwendung
als Anodengas mit möglichst geringem Aufwand und hinreichendem Reinigungsgrad
erfolgt. Ferner soll eine Anlage zur Durchführung dieses Verfahrens vorgeschlagen
werden.
Gelöst wird diese Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens mit den im Patentanspruch 1
angegebenen Merkmalen. Eine erfindungsgemäße Anlage zur Durchführung dieses
Verfahrens weist die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 11 auf. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.
Je nach Art des bei der Erzeugung eines H2-reichen Rohgases angewendeten
Verfahrens weist dieses Rohgas unterschiedliche Gehalte an H2 und CO sowie
sonstige Schad- und Ballastanteile auf. Bei der Dampfreformierung von Methan in
einem indirekt beheizten Reformer besteht das Rohgas im wesentlichen aus H2, CO,
CO2, restlichem Wasserdampf und gegebenenfalls einem Restanteil an nicht
umgewandeltem Methan. Wird die Reformierung dagegen in einem Reformer
durchgeführt, der auf direktem Wege durch Teilverbrennung des eingesetzten
Prozeßgases beheizt wird, so kommen insbesondere Stickstoff und Stickoxide hinzu.
Bei Verwendung von Prozeßgasen mit Schwefelanteilen fallen auch entsprechende
Mengen an Schwefelverbindungen an. Um einerseits die für die Funktion der
Brennstoffzelle schädlichen Komponenten wie CO abzusondern und andererseits den
Anteil an Ballaststoffen zu vermindern, die zwar die grundsätzliche Funktion der
Brennstoffzelle nicht schädigen, wohl aber deren Leistungsfähigkeit, sieht die
Erfindung vor, den mit den störenden Verunreinigungen belasteten H2-reichen Strom
des Rohgases zunächst ein Membranfilter, vorzugsweise ein Polymermembranfilter,
passieren zu lassen, um einen vorgereinigten H2-Gasstrom zu erzeugen, der neben
H2 praktisch nur noch Wasserdampf und einen Teil des ursprünglichen CO-Gehaltes
enthält, da das Membranfilter das vergleichsweise kleine Molekül CO weitgehend
nicht zurückhält. Lediglich die größeren Gasmoleküle wie etwa CO2 und N2 bleiben
praktisch vollständig als Retentat zurück. Diese Art der Gasreinigung mittels eines
Membranfilters erfordert vergleichsweise wenig Anlagenaufwand, führt jedoch noch
nicht zu einem H2-Gas, das für den unmittelbaren Einsatz in der Brennstoffzelle
geeignet wäre, da es noch zuviel an schädlichem CO enthält. Die Erfindung sieht
daher vor, in einem zweiten Schritt der Gasreinigung eine selektive katalytische
Oxidation dieses CO-Anteils vorzunehmen, das CO also zu CO2 zu oxidieren. Auch
dieser Schritt erfordert vergleichsweise wenig Anlagen- und Betriebsaufwand. Eine
nochmalige Abscheidung des durch die selektive katalytische Oxidation gebildeten
CO2-Anteils ist nicht erforderlich, da dieser Anteil nach Abscheidung der ursprünglich
vorhandenen Schad- und Ballastanteile vergleichsweise gering ist und die
Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle entsprechend weniger beeinträchtigt.
Besonders empfehlenswert ist es, nach der beispielsweise durch Dampfreformierung
in einem indirekt beheizten Reformer erfolgenden Erzeugung eines
wasserstoffreichen Gases, dieses Rohgas zunächst noch einer Shift-Reaktion zu
unterziehen, um den Gehalt an CO von vornherein deutlich zu vermindern. Dadurch
kann der Restgehalt an CO2 nach der selektiven katalytischen Oxidation auf sehr
kleine Werte beschränkt werden. Die im Verfahren einsetzbaren Brennstoffe können
insbesondere gasförmige oder flüssige Kohlenwasserstoffe, aber auch andere
organische Verbindungen wie etwa Alkohole sein.
Mit besonderem Vorteil wird das erfindungsgemäße Verfahren in der Weise
ausgeführt, daß bei der katalytischen Umwandlung der eingesetzten Brennstoffe der
Betriebsdruck von vornherein so hoch gewählt wird, daß unter Berücksichtigung des
Druckverlustes, der beim Durchleiten des Rohgases durch das Membranfilter
unvermeidbar eintritt, der verbleibende restliche Gasdruck nach der selektiven
katalytischen Oxidation, also unmittelbar vor der Einleitung in die Brennstoffzelle,
noch so hoch ist, daß das Gas ohne Einsatz einer zusätzlichen Kompressions- oder
Ventilationseinheit durch die Brennstoffzelle geleitet werden kann. Vorzugsweise
sollte der Druck des erzeugten Reingases mindestens noch 2 bar (absolut),
insbesondere mindestens noch 3 bar betragen, so daß der Einsatz entsprechender
Hochdruck-Brennstoffzellen ohne weiteres möglich ist und infolgedessen die
Stromerzeugung mit besonders hohem Wirkungsgrad erfolgen kann.
Da Polymermembranfilter gegen hohe Temperaturen naturgemäß empfindlich sind,
muß gewährleistet sein, daß das durch das Membranfilter geleitete Rohgas eine der
zulässigen Betriebstemperatur (in der Regel unter 100°C) der Polymermembran
entsprechend niedrigere Temperatur aufweist, z. B. 80 bis maximal 90 °C. Daher ist es
im allgemeinen erforderlich, nach der Erzeugung des Rohgases dieses zunächst
entsprechend zu kühlen. Hierzu wird zweckmäßigerweise ein indirekter
Wärmetauscher eingesetzt. Mit besonderem Vorteil wird die dabei abgeführte Wärme
im erfindungsgemäßen Verfahren wiederverwendet. Hierzu bietet es sich
insbesondere an, diese Wärme zumindest teilweise zur Erwärmung eines bei der
katalytischen Umsetzung der Kohlenwasserstoffe eingesetzten Medienstromes,
insbesondere des Stromes der eingesetzten flüssigen oder gasförmigen
Kohlenwasserstoffe (Prozeßmedium), zu nutzen. Selbstverständlich wäre es auch
möglich, die Verbrennungsluft oder den Brennstoff, also Medien, die für die indirekte
Beheizung eines Reformers eingesetzt werden, mit dieser abgeführten Wärme
vorzuheizen. Eine andere Verwertungsmöglichkeit wäre die Verwendung bei der
Erzeugung des erforderlichen Prozeßdampfes für die Dampfreformierung.
Sowohl der am Membranfilter abgetrennte Filterabgasstrom als auch das den
Anodenraum der Brennstoffzelle wieder verlassende Anodenabgas enthalten noch
brennbare Bestandteile wie etwa CO, nicht umgewandelte Kohlenwasserstoffe oder
(insbesondere beim Anodenabgas) unverbrauchten Wasserstoff. Es empfiehlt sich
daher, diese beiden Gasströme im Rahmen der Wärmeerzeugung für die
Durchführung der katalytischen Umwandlung der Kohlenwasserstoffe zusammen mit
üblichem Brennstoff zu verbrennen.
Die Reinigung des Rohgases sollte zweckmäßigerweise soweit erfolgen, daß der
Restgehalt an CO in dem in die Brennstoffzelle eingeführten Gas 10 ppm nicht
überschreitet. Demgegenüber werden an die Art und Zusammensetzung der
anfänglich in das Verfahren eingesetzten Kohlenwasserstoffe keine allzu großen
Forderungen gestellt. Es sollte sich um leichte Kohlenwasserstoffe, vorzugsweise
gasförmige Kohlenwasserstoffe, insbesondere stark methanhaltige Gase (z. B.
Erdgas, Biogas oder Grubengas) oder um schwefelfreie bzw. zumindest -arme
flüssige Brennstoffe handeln. Bei der Verwendung von alternativen Stoffen wie
beispielsweise Grubengas ist zu beachten, daß dessen Zusammensetzung, d. h.
insbesondere dessen Methangehalt, im Zeitverlauf starken Schwankungen
unterliegen kann, beispielsweise im Bereich von 40 bis 80 Vol.-% CH4. Um solche
Schwankungen besser abfangen zu können, kann es zweckmäßig sein, eine
Pufferspeicherung des Rohgases oder des erzeugten Reingases vorzusehen. In
manchen Fällen kann es auch erforderlich werden, den Heizwert solcher
Alternativgase durch Zudosieren anderer Brenngase wie Erdgas anzuheben.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand des in der Zeichnung dargestellten
Anlagenschemas näher erläutert. Einer Einrichtung 1 zur katalytischen Umwandlung
von Kohlenwasserstoffen in ein H2-reiches Rohgas, beispielsweise einen
Dampfreformer, werden über eine Zuleitung 11 vorzugsweise gasförmige
Kohlenwasserstoffe als Prozeßmedium zugeleitet. Die Einrichtung 1 weist eine
indirekte Beheizung durch heiße Verbrennungsgase auf. Zur Erzeugung dieser
Verbrennungsgase ist ein nicht näher dargestellter Brenner vorgesehen, der durch
eine Brennstoffzuleitung 6 und eine Verbrennungsluftzuleitung 5 gespeist wird. Nach
katalytischer Umwandlung der Kohlenwasserstoffe in ein H2-reiches Rohgas wird
letzteres durch eine Rohgasableitung 12 aus der Einrichtung 1 abgezogen und in eine
mit einem Membranfilter 2, vorzugsweise einem Polymermembranfilter, ausgestattete
Reinigungseinrichtung eingeführt. Am Membranfilter 2 wird der eingeleitete
Rohgasstrom aufgeteilt in einen durch das Membranfilter 2 hindurchtretenden
vorgereinigten H2-reichen Gasstrom sowie in einen den Membranfilter 2 nicht
passierenden Filterabgasstrom. Der Filterabgasstrom wird durch eine Ableitung 7
abgezogen, die in zweckmäßiger Weise in die Brennstoffzuleitung 6 mündet, so daß
die brennbaren Bestandteile des Filterabgases bei der Erzeugung der erforderlichen
Prozeßwärme genutzt werden können. Der vorgereinigte Gasstrom wird durch eine
Rohrleitung 13 in eine Oxidationseinrichtung 3 eingeführt, in der eine selektive
katalytische Oxidation des enthaltenen CO-Anteils stattfindet. Hierzu wird ein
sauerstoffhaltiges Gas (z. B. reiner Sauerstoff oder Luft) durch eine
Oxidationsmittelzuleitung 8 in der erforderlichen Menge eingespeist. Nach
Durchführung der selektiven katalytischen Oxidation des CO wird der keine
nennenswerten Mengen mehr an für eine Brennstoffzelle schädlichen Bestandteilen
enthaltende H2-Reingasstrom durch eine Leitung 14 in den Anodenraum einer
Brennstoffzelle 4 eingeleitet. Der Kathodenraum dieser Brennstoffzelle 4 wird mit
einem entsprechenden Strom eines sauerstoffhaltigen Gases (nicht näher dargestellt)
versorgt, so daß in der Brennstoffzelle elektrischer Strom erzeugt werden kann. Diese
Brennstoffzelle ist vorzugsweise als PEM-Brennstoffzelle ausgebildet. Das nach
Erzeugung des elektrischen Stroms verbleibende Anodenabgas, das noch
Restgehalte an brennbarem Wasserstoff enthält, wird durch eine Anodenabgasleitung
9 aus der Brennstoffzelle 4 abgezogen. Zweckmäßigerweise wird die
Anodenabgasleitung zur Brennstoffzuleitung 6 oder unmittelbar in den Brenner der
Einrichtung 1 eingeführt, so daß die brennbaren Anodenabgasbestandteile thermisch
verwertet werden können. Da die Temperatur des in der Einrichtung 1 z. B. durch
Dampfreformierung erzeugten Rohgases üblicherweise mehrere 100 °C hoch ist,
kann dieses Rohgas nicht ohne weiteres auf das Polymermembranfilter 2 gegeben
werden. Es würde diesen sonst zerstören. Es ist vielmehr eine ausreichende
Abkühlung des Rohgases vor der Einleitung in das Membranfilter 2 sicherzustellen.
Hierzu ist eine indirekte Kühleinrichtung 10 vorgesehen, die zwischen der Einrichtung
1 und das Membranfilter 2 in die Rohrleitung 12 eingeschaltet ist. Kühlmittelseitig wird
diese Kühleinrichtung 10 von dem durch die Zuleitung 11 in das Verfahren
eingesetzten Prozeßmediumstrom durchströmt. Auf diese Weise kann eine
Wärmeverschiebung von dem heißen Rohgas zu dem ohnehin vorzuwärmenden
Prozeßmediumstrom hin erfolgen. Im Bedarfsfall kann die abgezogene Wärme aus
der Kühleinrichtung 10 selbstverständlich auch für andere Heizzwecke benutzt
werden.
Reines Methan wurde als Einsatzgas in einen indirekt beheizten Dampfreformer
gegeben. Die katalytische Dampfreformierung lief bei etwa 800 °C und einem Druck
von 5 bar (absolut) ab. Das Rohgas hatte nach Durchlaufen eines dem
Dampfreformer nachgeschalteten Shift-Reaktors folgende Zusammensetzung:
CH4: 0,7 Vol.-%
CO: 9,7 Vol.-%
CO2: 5,9 Vol.-%
H2: 53,0 Vol.-%
H2O: 30,8 Vol.-%.
CH4: 0,7 Vol.-%
CO: 9,7 Vol.-%
CO2: 5,9 Vol.-%
H2: 53,0 Vol.-%
H2O: 30,8 Vol.-%.
Das den Shift-Reaktor verlassende Rohgas wurde in einem indirekten Kühler, der
kühlmittelseitig durch das dem Verfahren zugeführte Methangas durch strömt wurde,
auf eine Temperatur von etwa 90 °C abgekühlt. Danach wurde das Rohgas durch
einen Polymermembranfilter geschickt, so daß ein Gasstrom mit 60,4 Vol.-% H2 und
35 Vol.-% HO2 sowie etwa 4,5 Vol.-% CO entstand. Anschließend wurde dieser
vorgereinigte Gasstrom einer selektiven katalytischen Oxidation des CO-Anteils
unterzogen. Der Anteil an CO war danach auf unter 10 ppm abgesunken. Der auf
diese Weise erzeugte Gasstrom wurde dem Anodenraum eines
Brennstoffzellensystems zugeleitet, welches mit einem Betriebsdruck von etwa 1,5
bar betrieben wurde. Aufgrund des hohen Anfangsdruckes in der Dampfreformierung
brauchte trotz des deutlichen Druckabfalls am Membranfilter keine Druckererhöhung
des gereinigten Gasstroms mehr zu erfolgen.
Mit der vorliegenden- Erfindung ist es auf überraschend einfache Weise möglich,
einen erzeugten H2-reichen Gasstrom, der mit Schadstoffen und Ballaststoffen
belastet ist, soweit zu reinigen, daß er in einer üblichen, gegen Verunreinigungen
vergleichsweise empfindlichen Brennstoffzelle wie einer PEM-Brennstoffzelle ohne
Probleme mit hohem Wirkungsgrad verarbeitet werden kann.
Claims (23)
1. Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie durch
- - Erzeugung eines H2-reichen sowie Anteile an CO2 und CO enthaltenden Rohgases durch katalytische Umwandlung von flüssigen und/oder gasförmigen Brennstoffen,
- - Entfernung von störenden Verunreinigungen aus dem Rohgas zur Bildung eines für eine Brennstoffzelle geeigneten H2-Gasstroms,
- - Zuführung des H2-Gasstroms in den Anodenraum einer Brennstoffzelle, deren Kathodenraum zur Erzeugung von elektrischem Strom ein O2-reicher Gasstrom zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet,
- - daß das erzeugte H2-reiche Rohgas einem Membranfilter zur Abtrennung des Gehalts an CO2, eines großen Teils des CO und gegebenenfalls weiterer verunreinigender Bestandteile zugeführt und in einen Filterabgasstrom und einen vorgereinigten H2-Gasstrom aufgeteilt wird und
- - daß der vorgereinigte H2-Gasstrom anschließend einer selektiven katalytischen Oxidation des darin noch enthaltenen CO-Anteils unterzogen und anschließend der Brennstoffzelle zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Druck bei der katalytischen Umwandlung der Kohlenwasserstoffe so
hoch eingestellt wird, daß der gereinigte H2-Gasstrom ohne zwischenzeitliche
Druckerhöhung noch mindestens den für den Betrieb der Brennstoffzelle
erforderlichen Druck aufweist.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die katalytische Umwandlung der Brennstoffe als Dampfreformierung
gasförmiger und/oder flüssiger Kohlenwasserstoffe mit anschließender Shift-
Reaktion erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Membranfilter ein Polymermembranfilter eingesetzt wird und die
Temperatur des erzeugten H2-reichen Rohgases vor der Zuführung zum
Membranfilter auf eine für die Polymermembran verträgliche Temperatur,
insbesondere auf unter 100°C, gekühlt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine PEM-Brennstoffzelle eingesetzt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die bei der Kühlung des H2-Rohgases abgeführte Wärme zumindest
teilweise zur Erwärmung eines bei der katalytischen Umsetzung der
Kohlenwasserstoffe eingesetzten Medienstromes, insbesondere des Stromes
der Kohlenwasserstoffe, gesetzt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet
daß der in dem Membranfilter von dem H2-reichen Rohgas abgetrennte
Filterabgasstrom bei der Erzeugung der Wärme für die katalytische
Umwandlung der Kohlenwasserstoffe verbrannt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß das aus dem Anodenraum der Brennstoffzelle abgeführte Anodenabgas bei
der Erzeugung der Wärme für die katalytische Umwandlung der
Kohlenwasserstoffe verbrannt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8
dadurch gekennzeichnet,
daß der CO-Anteil im gereinigten H2-Gasstrom durch die selektive katalytische
Oxidation auf unter 10 ppm reduziert wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß als umzuwandelnde Brennstoffe ein stark methanhaltiges Gas,
insbesondere Erdgas, Biogas oder Grubengas, eingesetzt wird.
11. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1,
mit
daß die Reinigungseinrichtung als Membranfilter (2) mit einer reingasseitig daran angeschlossenen selektiven katalytischen Oxidationseinrichtung (3) ausgebildet und die selektive katalytische Oxidationseinrichtung (3) leitungsmäßig mit dem Anodenraum der Brennstoffzelleneinrichtung (4) verbunden ist.
- - einer Einrichtung (1) zur katalytischen Umwandlung von Brennstoffen in ein H2-reiches Rohgas, welches Anteile an CO2 und CO enthält,
- - einer Reinigungseinrichtung zur Entfernung von störenden Verunreinigungen aus dem Rohgas und mit
- - einer Brennstoffzelleneinrichtung (4) zur Erzeugung von elektrischem Strom aus dem gereinigten H2-reichen Gas,
daß die Reinigungseinrichtung als Membranfilter (2) mit einer reingasseitig daran angeschlossenen selektiven katalytischen Oxidationseinrichtung (3) ausgebildet und die selektive katalytische Oxidationseinrichtung (3) leitungsmäßig mit dem Anodenraum der Brennstoffzelleneinrichtung (4) verbunden ist.
12. Anlage nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Einrichtung (1) zur katalytischen Umwandlung von Kohlenwasserstoffen
als Dampfreformieranlage ausgebildet ist.
13. Anlage nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Dampfreformieranlage ein Shift-Reaktor zur Umwandlung von CO2 und
Wasserdampf in H2 und CO nachgeschaltet ist.
14. Anlage nach einem der Ansprüche 11 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß vor dem Membranfilter (2) eine Kühleinrichtung (10) zur Abkühlung des H2-
reichen Rohgases auf die Betriebstemperatur des Membranfilters (2)
angeordnet ist.
15. Anlage nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Membranfilter (2) als Polymermembranfilter ausgebildet ist.
16. Anlage nach einem der Ansprüche 11 bis 15,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Brennstoffzelleneinrichtung (4) auf dem Typ PEM basiert.
17. Anlage nach einem der Ansprüche 11 bis 16,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kühleinrichtung (10) als indirekter Wärmetauscher kühlmittelseitig in die
Zuleitung (11) für die Kohlenwasserstoffe zu der Einrichtung (1) zur
katalytischen Umwandlung von Kohlenwasserstoffen eingeschaltet ist.
18. Anlage nach einem der Ansprüche 11 bis 17
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ableitung (7) für das aus dem Membranfilter (2) abzuleitende Abgas in
die Brennstoffzuleitung (6) für die Beheizung in der Einrichtung (1) zur
katalytischen Umwandlung von Kohlenwasserstoffen mindert.
19. Anlage nach einem der Ansprüche 11 bis 18,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Anodenabgasleitung (9) der Brennstoffzelleneinrichtung (4) in die
Brennstoffzuleitung (6) für die Beheizung der Einrichtung (1) zur katalytischen
Umwandlung von Kohlenwasserstoffen mündet.
20. Anlage nach einem der Ansprüche 11 bis 19,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen der selektiven katalytischen Oxidationseinrichtung (3) und der
Brennstoffzelleneinrichtung (4) ein Pufferspeicher für gereinigtes H2-Gas
eingeschaltet ist.
21. Anlage nach einem der Ansprüche 11 bis 20,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen der Einrichtung (1) zur Umwandlung von Kohlenwasserstoffen
und der Brennstoffzelleneinrichtung (4) keine Kompressionseinrichtung zur
Erhöhung des Drucks des H2-reichen Gases eingeschaltet ist.
22. Anlage nach einem der Ansprüche 11 bis 21,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Brennstoffzelleneinrichtung (4) als Hochdruckeinrichtung mit einem
Betriebsdruck (absolut) von mindestens 1,5 bar, insbesondere mindestens 3
bar, ausgelegt ist.
23. Anlage nach einem der Ansprüche 11 bis 22
dadurch gekennzeichnet,
daß die Einrichtung (1) zur katalytischen Umwandlung von Kohlenwasserstoffen
auf einen Druck ausgelegt ist, der mindestens um die Größe des Druckverlustes
in dem Membranfilter (2) höher ist als der Auslegungsdruck der
Brennstoffzelleneinrichtung (4).
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