NL1013478C2

NL1013478C2 - Brandstofprocessor voor het produceren van waterstof en inrichting geschikt voor gebruik in een dergelijke processor voor het uit een eerste en tweede gasstroom genereren van een derde en vierde gasstroom.

Info

Publication number: NL1013478C2
Application number: NL1013478A
Authority: NL
Inventors: Anton Scholten; Petrus Franciscus Nisselrooij; Walter Ricor De Jongh; Jan Stokman
Original assignee: Plug Power Inc
Priority date: 1999-05-27
Filing date: 1999-11-03
Publication date: 2000-11-28
Also published as: AU5254900A; WO2000078669A1

Description

Titel: Brandstofprocessor voor het produceren van waterstof en inrichting geschikt voor gebruik in een dergelijke processor voor het uit een eerste en tweede gasstroom genereren van een derde en vierde gasstroom.

De uitvinding heeft betrekking op een brandstofprocessor voor het produceren van een gasstroom die waterstof omvat door katalytische verbranding van een mengsel dat tenminste een gasvormige koolwaterstof-5 verbinding, waterdamp en zuurstof omvat, waarbij de brandstofprocessor een gasstroomtraject omvat, waarlangs het mengsel wordt gevoerd en een in het gasstroomtraject opgenomen CPO-catalyst, waaraan het mengsel wordt toegevoerd voor de katalytische verbranding. (Hierin staat 10 CPO voor Catalytic Partional Oxidation).

De uitvinding heeft eveneens betrekking op een inrichting voor het uit een eerste en tweede gasstroom genereren van een derde en vierde gasstroom.

Een brandstofprocessor van de in de aanhef 15 omschreven soort is op zich bekend. De waterstof die wordt gegenereerd wordt veelal gebruikt om te worden toegevoerd aan een brandstofcel die de waterstof verbrandt voor het genereren van elektrische energie en/of warmte. Hierbij is het belangrijk dat de door de brandstofprocessor gegeneerde 20 waterstof zo min mogelijk koolmonoxide omvat, omdat dit schadelijk is voor de goede werking van de brandstofcel. De uitvinding heeft onder meer als doel een brandstofprocessor te verschaffen die een gasstroom met waterstof genereert welke minder koolmonoxide omvat dan de bekende brandstof-25 processor. De brandstofprocessor volgens de uitvinding wordt dienovereenkomstig gekenmerkt in dat in het gasstroomtraject stroomafwaarts van de CPO-catalyst een veelvoud van in serie geschakelde HT-shifts zijn opgenomen die, in gebruik, door het mengsel dat de CPO-catalyst 30 verlaat, respectievelijk worden doorstroomd. Doordat een veelvoud van in serie geschakelde HT-shifts zijn opgenomen wordt de mogelijkheid geopend de temperatuur van het 101 3478 2 mengsel dat door de HT-shifts stroomt per HT-shift te regelen. Hiermee kan de genoemde hoeveelheid CO worden geminimaliseerd. Hierin staat HT-shift voor High-temperature-shift-katalysator. In het bijzonder geldt dat 5 in het gasstroomtraject respectievelijk tussen de CPO-catalyst en de meest nabij stroomafwaarts van de CPO-catalyst gelegen HT-shift en tussen de HT-shifts warmtewisselaars zijn opgenomen die warmte uitwisselen tussen enerzijds het mengsel dat aan de CPO-catalyst wordt 10 toegevoerd en anderzijds het mengsel dat stroomafwaarts van de CPO-catalyst de in serie geschakelde HT-Shifts doorstroomt. Hiermee wordt bewerkstelligd dat de temperatuur van het mengsel dat een HT-shift verlaat hoger is dan de temperatuur van het mengsel dat een 15 stroomafwaarts van de laatstgenoemde HT-shifts gelegen HT-shift instroomt. Doordat de temperatuur in stroomafwaartse richting gezien per HT-shift afneemt, heeft dit tot gevolg dat het reactie-evenwicht dusdanig wordt verschoven dat de hoeveelheid koolmonoxide in het mengsel 20 dienovereenkomstig afneemt.

Volgens een praktische nadere uitwerking geldt dat elke HT-shift is voorzien van twee tegenover elkaar gelegen zijden die respectievelijk een ingang en een uitgang van de HT-shift vormen, waarbij de HT-shifts in een richting die 25 samenvalt met de normaal van de genoemde zijden van de HT-shifts ten opzichte van elkaar zijn gerangschikt, waarbij een uitgang van een eerste HT-shift tegenover een ingang van een tweede HT-shift ligt en waarbij de tweede HT-shift in een doosvormige kamer is opgenomen met een 30 bodem en opstaande zijwanden, waarbij de bodem tussen de ingang van de tweede HT-shift en de uitgang van de eerste HT-shift in-ligt en waarbij het gasstroomtraject van de eerste HT-shift naar de tweede HT-shift zich respectievelijk uitstrekt langs een buitenzijde van de 35 bodem van de doosvormige kamer, tussen de warmtewisselaar en een buitenzijde van de opstaande zijwand van de 101 3478 3 doosvormige kamer, tussen de tweede HT-shift en een binnenzijde van de opstaande zijwand van de doosvormige kamer naar een tussen de binnenzijde van de bodem van de doosvormige kamer en de zijde van de tweede HT-shift die de 5 ingang omvat gelegen ruimte. Op deze wijze kan de brandstofprocessor zeer compact worden uitgevoerd. In het bijzonder geldt dat elke HT-shift in een doosvormige kamer is opgenomen. Ook deze maatregel bewerkstelligt dat de brandstofprocessor zeer compact kan worden uitgevoerd. Dit 10 geldt in het bijzonder wanneer elke HT-shift kokervormig is uitgevoerd met twee tegenover elkaar gelegen open einden die respectievelijk de ingang en de uitgang vormen van de HT-shift waarbij axiale assen van de HT-shifts althans in hoofdzaak samenvallen met een axiale as van de kokervormige 15 binnenwand van de warmtewisselaar.

Bij voorkeur geldt in dat geval dat de warmtewisselaar voorts is voorzien van een kokervormige isolatie-buitenwand, die een warmte-isolerende functie heeft.

Voor het verder verbeteren van het rendement en 20 verminderen van de hoeveelheid koolmonoxide geldt dan in het bijzonder dat in het gasstroomtraject voorts een stroomafwaarts van de HT-shifts gelegen LT-shift is opgenomen waarbij de brandstofprocessor verder is voorzien van een inlaat voor het, in gebruik, toevoegen van water 25 aan het mengsel dat aan de LT-shift wordt toegevoerd voor het koelen van het mengsel. Hierbij staat LT-shift voor Low-temperature-shift-katalysator. De processor kan hierbij verder zijn voorzien van middelen om het water in de vorm van stoom toe te voegen. Het is echter eveneens mogelijk 30 dat de inlaat vernevelingsmiddelen omvat voor het toevoegen van het water in vernevelde toestand. Dit heeft een zeer gunstig effect op het rendement.

Volgens een zeer geavanceerde uitvoeringsvorm van de brandstofprocessor geldt dat de LT-shift een kokervomige 35 isolatie-buitenwand en een kokervormige isolatie-binnenwand omvat die concentrisch ten opzichte van elkaar zijn 1013478 4 gerangschikt waarbij, in gebruik, het mengsel de tussen de kokervormige isolatie-binnenwand en de kokervormige isolatie-buitenwand gevormde ruimte doorstroomt en waarbij de HT-shifts en de CPO-catalyst in een door de kokervormige 5 isolatie-binnenwand omsloten ruimte zijn opgenomen.

Hierdoor is de brandstofprocessor zeer compact uitgevoerd. De warmtestromen zijn in dat geval in het bijzonder in een radiale richting van binnen naar buiten gericht, terwijl de stroom van het mengsel althans in hoofdzaak in axiale 10 richting is gericht. In het bijzonder geldt dat de kokervormige isolatie-buitenwand van de warmtewisselaar samenvalt met de kokervormige isolatie-binnenwand van de LT-shift. Voor het verder reduceren van de hoeveelheid CO geldt bij voorkeur dat de processor voorts nog is voorzien 15 van een stroomafwaarts van de LT-shift in het gasstroom- traject gelegen PrOx alsmede een inlaat voor het toevoegen van zuurstof aan het mengsel dat de LT-shift heeft verlaten en naar de PrOx stroomt. Hierin staat PrOx voor 'preferential oxidation' = selectieve CO-oxidatie-20 katalysator.

Volgens een zeer geavanceerde uitvoeringsvorm geldt dat de processor verder is voorzien van een vat dat gevuld is met water en/of wordt doorstroomd met water, waarbij voorts aan het vat de gasvormige koolwaterstofverbinding en 25 zuurstof worden toegevoerd om door en/of langs het water te worden gevoerd voor het genereren van het genoemde mengsel dat aan de CPO-catalyst wordt toegevoerd en middelen voor het regelen van de temperatuur van het water voor het instellen van de concentratie van de waterdamp in het 30 mengsel dat aan de CPO-catalyst wordt toegevoerd. Doordat water is toegevoegd aan het mengsel, wordt per mol van de gasvormige koolwaterstofverbinding in het mengsel meer waterstof gevormd dan wanneer het mengsel slechts gasvormige koolwaterstof en zuurstof (lucht) zou omvatten. 35 Voor het verder minimaliseren van de hoeveelheid CO

geldt voorts nog dat de processor verder kan zijn voorzien 101 34 78 5 van een warmtewisselaar voor het uitwisselen van warmte tussen het mengsel dat de PrOx heeft doorstroomd en het water dat zich in het vat bevindt zodat de temperatuur van het mengsel dat de waterstof omvattende gasstroom vormt, 5 daalt.

Volgens de voorkeursuitvoeringsvorm geldt dat in het gasstroomtraject tussen de LT-shifts en de PrOx nog een warmtewisselaar is opgenomen voor het verder afkoelen van het mengsel.

10 De uitvinding heeft eveneens betrekking op een brandstofprocessor van de in de aanhef omschreven soort, die is gekenmerkt in dat de processor verder is voorzien van een vat dat is gevuld met water, waarbij voorts aan het vat de gasvormige koolwaterstofverbinding en zuurstof 15 worden toegevoerd om door en/of langs het water te worden gevoerd voor het genereren van het genoemde mengsel en middelen voor het regelen van de temperatuur van het water voor het instellen van de concentratie van de waterdamp in het mengsel.

20 Voor de inrichting voor het uit een eerste en tweede gasstroom genereren van de derde en vierde gasstroom geldt volgens de uitvinding dat de derde gasstroom een mengsel omvat van de eerste en tweede gasstroom waarbij de inrichting is voorzien van een kamer die een ruimte omsluit 25 waarin een ventilator is opgenomen waarbij de kamer is voorzien van een eerste en tweede instroomopening voor het, in gebruik, toevoeren van de eerste en tweede gasstroom aan respectievelijk de eerste en tweede instroomopening en een eerste en tweede uitstroomopening waarbij, in gebruik, de 30 eerste en tweede gasstroom door de ventilator wordt aangezogen en in de kamer van elkaar gescheiden respectievelijk aan de een eerste en tweede uitstroomopening worden toegevoerd waarbij de eerste uitstroomopening rechtstreeks uitmondt in een eerste 35 uitlaat en waarbij de tweede uitstroomopening via een splitsing uitmondt in de eerste uitlaat en een tweede 101 3478 6 uitlaat waarbij in de eerste en/of tweede uitlaat een regelbare klep is opgenomen voor het instellen van de verhouding van de hoeveelheid gas afkomstig van de eerste en tweede gasstroom in de derde gasstroom uit de eerste 5 uitlaat waarbij door de tweede uitlaat de vierde gasstroom stroomt die een gedeelte van de tweede gasstroom omvat.

Een dergelijke inrichting heeft als voordeel dat met behulp van één ventilator twee gasstromen op druk kunnen worden gebracht. Bovendien wordt de grootte van de twee 10 gasstromen in eenzelfde verhouding geregeld (gemoduleerd) door een dienovereenkomstige regeling (modulatie) van het toerental van de ventilator. In het bijzonder geldt dat de kamer een cilindervormige buitenwand omvat die een cilindervormige ruimte omsluit waarbij de ventilator is 15 uitgevoerd als een wiel waarvan een rotatie-as samenvalt met een axiale as van de kamer waarbij het wiel nabij zijn omtreksrand aan weerszijden is voorzien van schoepen en waarbij de eerste gasstroom zich uitstrekt aan een eerste zijde van het wiel waar zich de schoepen bevinden en 20 waarbij de tweede gasstroom zich uitstrekt aan een tweede zijde van het wiel waar zich de schoepen bevinden.

Volgens een nadere uitwerking geldt dat de eerste en tweede instroomopening in axiale richting van de kamer ten opzichte van elkaar verschoven zijn aangebracht in de 25 cilindervormige buitenwand van de kamer, de eerste instroomopening en de eerste uitstroomopening althans nagenoeg in een zelfde vlak zijn gerangschikt dat loodrecht is gericht op de axiale as van de kamer en waarbij de tweede instroomopening en de tweede uitstroomopening 30 althans nagenoeg in een zelfde vlak zijn gerangschikt dat loodrecht is gericht op de axiale as van de kamer.

Volgens een verdere nadere uitwerking geldt dat kamer is voorzien van twee tegenover elkaar gelegen zijwanden die loodrecht op de axiale as van de kamer zijn 35 gericht, waarbij de eerste zijwand een zich rond de axiale as uitstrekkende eerste cirkelvormige groef omvat, waarin 101 3478 7 de eerste in- en uitstroomopening is opgenomen en waarbij de tweede zijwand een zich rond de axiale as uitstrekkende tweede cirkelvormige groef omvat waarin de tweede in- en uitstroomopening is opgenomen en waarbij de schoepen van 5 het wiel zich respectievelijk langs de eerste en tweede groef uitstrekken.

Een dergelijke inrichting kan met voordeel worden toegepast in de hierboven omschreven brandstofprocessor. Hierbij geldt dat de eerste gasstroom bestaat uit een 10 mengsel van lucht en een gasvormige koolwaterstof verbinding en de tweede gasstroom bestaat uit lucht, de derde gasstroom bestaat uit een mengsel van de eerste en tweede gasstroom en de vierde gasstroom bestaat uit een fractie van de tweede gasstroom en waarbij de derde 15 gasstroom aan het gasstroomtrajeet wordt toegevoerd en de vierde gasstroom aan het mengsel wordt toegevoegd dat aan de PrOx wordt toegevoerd.

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van de tekening. Hierin toont: 20 Fig. 1 een mogelijke uitvoeringsvorm van een . brandstofprocessor volgens de uitvinding; fig. 2 het temperatuurverloop langs het gasstroomtrajeet door de CPO-catalyst, de HT-shifts, de LT-shift en de PrOx van de brandstofprocessor volgens 25 fig. 1; fig. 3 het temperatuurverloop langs de lijn Q van fig. 1; fig. 4 een deel van de inrichting volgens fig. 1; fig. 5A een eerste dwarsdoorsnede van een inrichting 30 volgens de uitvinding die met voordeel deel kan uitmaken van de brandstofprocessor volgens fig. 1; fig,. 5B een tweede dwarsdoorsnede van de inrichting volgens fig. 5A; en fig. 6 een alternatieve uitvoeringsvorm van het 35 vat 6 van fig. 1; 101 347 8 8

In fig. 1 is met verwijzingscijfer 1 een brandstofprocessor voor het produceren van een gasstroom die waterstof omvat, aangeduid. De brandstofprocessor is van een type die waterstof genereert door katalytische 5 behandeling van een mengsel dat tenminste een gasvormige koolwaterstofverbinding, waterdamp en zuurstof omvat. Hierbij wordt het mengsel langs een gasstroomtrajeet gevoerd voor de verbranding van het betreffende mengsel. Voor het verkrijgen van het mengsel is de inrichting 10 voorzien van een met water (H20) gevuld vat 2. Het vat 2 is voorzien van een inlaat 4 waaraan de gasvormige koolwaterstof, in dit voorbeeld CH4, en zuurstof, in dit voorbeeld lucht, wordt toegevoerd. De gasvormige koolwaterstof en zuurstof worden aldus onder in het vat 2 15 geïnjecteerd en zullen door het water 6 dat zich in het vat bevindt omhoog borrelen. Het gasvormige koolwaterstof en zuurstof die omhoog borrelen in het water 6 vormen boven het wateroppervlak in het vat 2 een mengsel 8 dat tevens waterdamp omvat. De brandstofprocessor is voorzien van 20 middelen 10 voor het regelen van de temperatuur van het water 6. De temperatuur van het water 6 bepaalt tevens de temperatuur van het mengsel 8. De temperatuur van het mengsel 8 bepaalt rechtstreeks de hoeveelheid waterdamp die in het mengsel 8 wordt opgenomen. Des te hoger de 25 temperatuur, des te hoger de verzadigingsgraad van het mengsel met water. Het aldus gevormde mengsel 8 wordt vanuit een uitlaat 9 van het vat 2 langs een gasstroomtrajeet gevoerd voor de katalytische verbranding. Dit gasstroomtrajeet bevat voor de katalytische verbranding 30 onder meer een op zich bekende CPO-catalyst 11. Deze CPO-catalyst bestaat uit een katalysator zoals ook wel voor auto's wordt gebruikt.

In het gasstroomtrajeet zijn voorts stroomafwaarts van de CPO-catalyst een veelvoud van in serie geschakelde 35 HT-shifts 16.1-16.3 opgenomen. In dit voorbeeld gaat het om drie in serie geschakelde HT-shifts. Deze HT-shifts worden 1013478 9 in gebruik door het mengsel dat de CPO-catalyst verlaat doorstroomd.

Het mengsel 8 dat aan de CPO-catalyst wordt toegevoerd, veroorzaakt in de CPO-catalyst de volgende 5 reacties:

Vk CH4 + % 02 -» C02 + % H20 + Q (400 -> 900°C) (1) % CH4 + ^ H20 O ^ CO + 3/2 H2 - Q (900 -> 700°C) (2) K CH4 + M C02 o % CO + % H2 - Q (3) 10 CH4 + % 02 -» CO + 2 Ha (4)

Hieruit blijkt dat behalve waterstof (H2) ook koolmonoxide wordt gevormd (CO). Q geeft aan dat warmte vrijkomt. De gasstroom die behalve waterstof eveneens een 15 grote hoeveelheid koolmonoxide omvat is niet geschikt om aan een brandstofcel te worden toegevoerd voor het opwekken van elektrische energie en/of warmte. De koolmonoxide heeft tot gevolg dat de brandstofcel minder goed gaat werken. Een voordeel van de extra watertoevoeging is dat reactie (2): 20 CH4 + H20 ** CO + 3H2 (900 -» 700°C) in plaats van (900 —» 800°C) relatief toeneemt en dat de hoeveelheid koolmonoxide (CO) ten opzichte van de hoeveelheid gegenereerd waterstof (H2) wordt verminderd. Er treedt derhalve reeds een equivalent van gedeeltelijke CO-shift 25 op. De hoeveelheid waterstof die derhalve wordt gegenereerd kan worden geregeld door regeling van de hoeveelheid water die zich in het mengsel 8 bevindt. Hiermee zal de reactie volgens formule 4 in meer of mindere mate optreden.

In dit voorbeeld is het vat voorzien van een in 30 fig. 1 schematisch getoonde wateruitlaat 12 om het water 6 van het vat aan een elektrisch verwarmingselement 10 toe te voeren. Het aldus verkregen verwarmde water wordt via een leiding 14 weer toegevoerd aan het vat. Met behulp van het verwarmingselement 10 kan derhalve de temperatuur van het 35 water 6 in het vat 2 worden geregeld.

1013478 10

In het gasstroomtraject zijn stroomafwaarts van de CPO-catalyst 11 een veelvoud van in serie geschakelde HT-shifts 16.1-16.3 opgenomen. In dit voorbeeld gaat het om drie in serie geschakelde op zich bekende HT-shifts. Ook 5 deze HT-shifts bestaan uit een op zich bekende katalysator zoals van het type dat ook wel voor auto's wordt gebruikt. Het mengsel dat de CPO-catalyst verlaat, omvat zoals besproken een hoeveelheid koolmonoxide (zie formule 2 en formule 3). Wanneer dit mengsel aan de eerste HT-shift 16.1 10 wordt toegevoerd, treedt in de HT-shift 16.1 de volgende reactie op: CO + H20 O C02 + H2 (5) 15 Het voordeel van de HT-shift is derhalve dat de hoeveelheid CO in het mengsel wordt verminderd, terwijl als nevenproduct het voor een brandstofcel ongevaarlijke C02 wordt gegenereerd. Teneinde ervoor te zorgen dat het reactie-evenwicht van de reactie volgens formule 4 dusdanig 20 komt te liggen dat de hoeveelheid CO zeer laag is, zijn respectievelijk in het gasstroomtraject tussen de CPO-catalyst 11 en een meest nabij de stroomafwaarts van de CPO-catalyst gelegen HT-shift 16.1 en tussen de HT-shift onderling (16.1-16.2; 16.2-16.3) warmtewisselaars opgenomen 25 die warmte uitwisselen tussen enerzijds het mengsel dat aan de CPO-catalyst 11 wordt toegevoerd en anderszijds het mengsel dat stroomafwaarts van de CPO-catalyst de in serie geschakelde HT-shift doorstroomt. De warmtewisselaars omvatten in dit voorbeeld een kokervormige binnenwand 18 30 die een ruimte 20 omsluit waarin de HT-shifts zijn opgenomen. Elke HT-shift 16.1-16.3 is voorzien van twee tegenover elkaar gelegen zijden die respectievelijk hun ingang 22 en een uitgang 24 van de HT-shift vormen. De HT-shifts zijn in een richting 26 die samenvalt met de normaal 35 van de genoemde zijden van de in- en uitgang 22, 24, ten opzichte van elkaar gerangschikt. Hierbij ligt een uitgang 101 3478 11 24 van een eerste HT-shift 16.1 tegenover een ingang 22 van een tweede HT-shift 16.2. Voorts geldt dat de tweede HT-shift 16.2 in een doosvormige kamer 28 is opgenomen met een bodem 30 en opstaande zijwanden 32. De bodem 30 is tussen 5 de ingang 22 van de tweede HT-shift 16.2 en de uitgang 24 van de eerste HT-shift 16.1 opgenomen. Dit brengt met zich dat het gasstroomtraject van de eerste HT-shift 16.1 naar de tweede HT-shift 16.2 zich respectievelijk uitstrekt langs een buitenzijde van de bodem 30 van de doosvormige 10 kamer 28, tussen de warmtewisselaar, d.w.z. de kokervormige binnenwand 18 en een buitenzijde van de opstaande zijwand 32 van de doosvormige kamer 28, tussen de HT-shift 16.2 en een binnenzijde van de opstaande zijwand 30 van de doosvormige kamer 28, naar een tussen de binnenzijde van de 15 bodem 30 van de doosvormige kamer 28 en de zijde van de tweede HT-shift 16.2 die de ingang 22 omvat, gelegen ruimte 34. De eerste HT-shift 16.1 en de derde HT-shift 16.3 zijn eveneens voorzien van een doosvormige kamer 28. Het gasstroomtraject van de CPO-catalyst naar de ingang van de 20 eerste HT-shift 16.1 en het gasstroomtraject van de uitgang van de tweede HT-shift 16.2 naar de ingang van de derde HT-shift 16.3 is derhalve geheel analoog als in relatie met het gasstroomtraject van de uitgang van de eerste HT-shift 16.1 naar de ingang van de tweede HT-shift 16.2 is 25 besproken. In dit voorbeeld is elke HT-shift kokervormig uitgevoerd met twee tegenover elkaar gelegen open einden 22, 24, die respectievelijk de ingang en de uitgang vormen van de betreffende HT-shift. Axiale assen van de HT-shifts (pijl 26 in de tekening) vallen althans in hoofdzaak samen 30 met een axiale as van de kokervormige binnenwand 18 van de genoemde warmtewisselaar. De betreffende warmtewisselaar is voorts voorzien van een kokervormige isolatie-buitenwand 36 die de kokervormige binnenwand 28 geheel maar met een tussenruimte omsluit.

35 De werking.van de tot op dit punt omschreven inrichting is als volgt.

101 347 8 12

Het mengsel 8 dat het vat 2 instroomt, zal een temperatuur hebben van ongeveer 70 a 80°. Het mengsel 8 wordt via een ruimte die is gelegen tussen de binnenwand 18 van de warmtewisselaar en de buitenwand 36 van de 5 warmtewisselaar naar de CPO-catalyst geleid. Fig. 2 toont het temperatuurverloop van het mengsel dat respectievelijk de CPO-catalyst en HT-shift 16.1, 16.2 en 16.3 doorstroomt. Langs de horizontale as is het verloop van het gasstroomtraject 2 door CPO-catalyst en de HT-shifts 10 uitgezet. Alvorens het mengsel de CPO-catalyst instroomt, zal het mengsel een temperatuur hebben van ongeveer 350-500°C (fig. 2: 400°C) . In de CPO-catalyst treden de reacties volgens formule 1, 2, 3 en 4 op. Zie curve A van fig. 2. Het mengsel dat de CPO-catalyst verlaat, zal dan 15 een temperatuur hebben van ongeveer 685°C. Het mengsel stroomt vervolgens vanuit de CPO-catalyst langs de binnenzijde van de binnenwand 18 van de warmtewisselaar en heeft tot gevolg dat deze het aan de buitenzijde van de binnenwand 18 stromende mengsel vanuit het vat opwarmt. Het 20 mengsel dat van de CPO-catalyst naar de ingang van de eerste HT-shift 16.1 stroomt, zal dienovereenkomstig worden af gekoeld tot bijvoorbeeld 575°C (zie curve B) . Aan de ingang van de eerste HT-shift zal het mengsel derhalve een temperatuur hebben die kleiner is dan de temperatuur van 25 het mengsel aan de uitgang van de CPO-catalyst. Wanneer het mengsel de eerste HT-shift doorstroomt zal de temperatuur hiervan toenemen, zoals met curve C is aangeduid in fig. 2. De temperatuur loopt hierbij bijvoorbeeld weer op tot 580°C. In het traject van de HT-shift 16.1 naar de HT-shift 30 16.2 zal het mengsel langs de warmtewisselaar stromen en weer afkoelen tot bijvoorbeeld 450°C. (Curve D). Wanneer de brandstofprocessor slechts van één HT-shift zou zijn voorzien met de gezamenlijke lengte van 16.1, 16.2 en 16.3, zou de temperatuur van het mengsel in de HT-shift verder 35 oplopen zoals met de stippellijn in fig. 2 is aangeduid.

Aan het einde van het traject van de HT-shifts dat in 101 3478 13 fig. 2 met punt Px is aangeduid, zou dit betekenen dat de hoeveelheid CO in het mengsel bijvoorbeeld nog veel meer dan 3% zou bedragen. In de processor volgens de uitvinding wordt echter gebruik gemaakt van een veelvoud van HT-shifts 5 waarbij bijvoorbeeld het mengsel dat de eerste HT-shift 16.1 verlaat, wordt afgekoeld door te stromen langs de binnenzijde van de kokervormige binnenwand 18 van de warmtewisselaar met als gevolg dat het mengsel dat aan de ingang 22 van de tweede HT-shift 16.2 wordt toegevoerd een 10 verlaagde temperatuur heeft van bijvoorbeeld 450°C. Wanneer het mengsel vervolgens door de tweede HT-shift stroomt, zal de temperatuur van het mengsel weer langzaam gaan stijgen, zoals met de curve 16.2 in fig. 3 is aangeduid. Geheel analoog zal het mengsel dat de tweede HT-shifts 16.2 15 verlaat weer worden gekoeld door stromen langs de binnenwand 18 van de warmtewisselaar met als gevolg dat het mengsel dat aan de derde HT-shift 16.3 wordt toegevoerd, een temperatuur heeft van bijvoorbeeld 370°C. Het mengsel dat de derde HT-shift 16.3 verlaat heeft dan een lagere 20 temperatuur (bijvoorbeeld 355°C) , zoals in fig. 2 met het punt P2 is aangeduid. Het gevolg is dat van het mengsel dat de derde HT-shift 16.3 verlaat het reactie-evenwicht van de reactie volgens formule 4 dusdanig is verplaatst, dat de hoeveelheid CO veel minder is dan het geval zou zijn 25 geweest in het punt Px van fig. 2.

De processor omvat echter nog verder hierna te bespreken maatregelen om het reactie-evenwicht nog verder te verplaatsen, dusdanig dat nog minder CO in het mengsel aanwezig is. Hiertoe is de brandstofprocessor verder 30 voorzien van een stroomafwaarts van de HT-shifts 16.1-16.3 gelegen LT-shift 38. Voorts is de brandstofprocessor verder voorzien van een inlaat 40 voor het, in gebruik, toevoegen van water aan het mengsel dat aan de LT-shift wordt toegevoerd voor het koelen van het mengsel. Het mengsel dat 35 de HT-shift 16.3 verlaat, heeft bijvoorbeeld een temperatuur van 355°C. Door via de inlaat 40 waterdamp aan 10134 78 14 het mengsel toe te voegen, zal dit worden gekoeld. Daarbij treedt de volgende gunstige verschuiving van de thermodynamische evenwichtsligging op: ^— 5 CO + H20 -* C02 + H2 (6)

De processor kan verder zijn voorzien van middelen om het water via de inlaat 40 in de vorm van stoom toe te voegen. 10 Deze middelen kunnen bijvoorbeeld bestaan uit een stoomgenerator 42 die een elektrische verwarmingseenheid, een waterstofbrander, of een aardgasbrander en een warmtewisselaar omvatten. Ook is het mogelijk dat de inlaat 40 vernevelingsmiddelen omvat voor het toevoegen van het 15 water in vernevelde toestand. Het water in vernevelde toestand kan dan een temperatuur hebben die overeenkomt met kamertemperatuur. Het is dan niet noodzakelijk water te verwarmen tot stoom. In plaats hiervan kan het water na verneveling zonder verwarming dus zonder toevoeren van 20 extra energie aan het mengsel worden toegevoerd voor het af koelen van het mengsel. Het aldus af koelen van het mengsel tot bijvoorbeeld 180°C is in fig. 2 met curve E aangeduid. Het afgekoelde mengsel wordt aldus aan de LT-shift 38 toegevoerd. De LT-shift omvat een op zich bekende 25 katalysator materiaal. In dit voorbeeld omvat de LT-shift een kokervormige (warmte) isolatie-buitenwand 44, en een kokervormige binnenwand 36 die in dit voorbeeld samenvalt met de kokervormige (warmte) isolatie-buitenwand van de warmtewisselaar. De kokervormige buitenwand en de 30 kokervormige binnenwand van de LT-shift zijn concentrisch ten opzichte van elkaar gerangschikt, waarbij in gebruik het mengsel dat tussen de kokervormige binnenwand 36 en de kokervormige buitenwand 44 gevormde ruimte doorstroomt. Buiten de buitenwand 44 bevindt zich koelwater 45 met een 35 temperatuur van bijvoorbeeld 20-100°C. Door opwarming zal dit koelwater gedeeltelijk worden omgezet in stoom 47 dat via een leiding 49 aan het mengsel 8 dat de uitlaat 9 1013478 15 doorstroomt wordt toegevoerd. Ook in LT-shifts zal het reactie-evenwicht volgens formule 6 dusdanig worden verschoven dat de hoeveelheid koolmonoxide verder afneemt. Omdat de temperatuur van het mengsel dat de LT-shift 5 doorstroomt inmiddels al sterk is afgenomen, is ervoor gezorgd dat de LT-shift een groter volume heeft dan de HT-shifts. Dit betekent dat de verblijftijd van het mengsel in de LT-shift toeneemt. De verblijftijd is dusdanig lang dat de relatief traag verlopende reactie volgens fig. 3 toch 10 tot gevolg heeft dat de hoeveelheid koolmonoxide verder afneemt. De temperatuurstijging van het mengsel langs het gasstroomtraject dat de LT-shift doorstroomt is in fig. 2 met curve F aangeduid. Wanneer het mengsel de LT-shift verlaat, zal de hoeveelheid CO bijvoorbeeld kleiner zijn 15 dan 1000 ppm.

In fig. 1 is het punt waarop het mengsel de LT-shift instroomt met P2 aangeduid en het punt waarop het mengsel de LT-shift verlaat met P3 aangeduid.

De processor omvat voorts een stroomafwaarts van de 20 LT-shift in het gasstroomtraject gelegen op zich bekende PrOx 46 alsmede een inlaat 48 voor het toevoegen van zuurstof aan het mengsel dat de LT-shift heeft verlaten en naar de PrOx stroomt.

In de PrOx treden de volgende reacties op: 25 H2 + 2CO + 02 -» 2C02 + H2 (7)

De hoeveelheid CO zal derhalve verder afnemen in de PrOx. In de PrOx stijgt de temperatuur van ongeveer 100 tot 30 110°C zoals in fig. 2 met de curve H is getoond. Vervolgens verlaat het mengsel de PrOx via de leiding 50. In leiding 50 stroomt derhalve het eindproduct van de brandstofprocessor welk eindproduct bestaat uit een gasstroom die waterstof, stikstofkooldioxide en waterdamp omvat.

35 Uitgaand van de CPO-catalyst zal in radiale richting R van binnen naar buiten een in hoofdzaak 101 3478 16 aflopende temperatuursgradiënt aanwezig zijn zoals getoond in fig. 3.

De inrichting kan voorts nog zijn voorzien van een brandstofcel waaraan de waterstof via de leiding 50 kan 5 worden toegevoerd. In de brandstofcel 52 wordt de waterstof verbrand voor het opwekken van elektrische energie en/of warmte. Het is eveneens mogelijk dat een gedeelte van de waterstof in leiding 50 via leiding 50' aan de inrichting 42 wordt toegevoerd wanneer deze is uitgevoerd als een 10 waterstofbrander voor het verkrijgen van stoom dat aan de inlaat 40 wordt toegevoerd. Ook is het mogelijk om vanuit de brandstofcel 52 elektrische energie E aan de middelen 42 toe te voeren, wanneer deze een elektrische verwarmeenheid omvatten voor het genereren van stoom. Ook is het mogelijk 15 dat de elektrische verwarmingselementen 10 voor het verwarmen van het water 6 van het vat 2 wordt gevoed door elektrische energie vanuit de brandstofcel 52. Uiteraard kunnen de elektrische verwarmingselementen 10 ook worden vervangen door een waterstofbrander 10 voor het verwarmen 20 van het water 6 welke waterstofbrander 10 wordt gevoed met een gedeelte van de waterstof die door de leiding 50 stroomt. Een en ander is eveneens schematisch in fig. 1 getoond. De processor kan verder nog zijn voorzien van een warmtewisselaar 54 voor het uitwisselen van warmte tussen 25 het mengsel dat de PrOx 46 heeft doorstroomd en het water 6 dat zich in het vat bevindt, zodat de temperatuur van het mengsel daalt.

Wanneer de brandstofprocessor voorzien is van de brandstofcel 52, is het ook nog mogelijk dat het verwarmde 30 water, dat in de brandstofcel 52 ontstaat bij het verbranden van waterstof, wordt toegevoerd aan de inlaat 40 in de vorm van stoom. In dat geval maakt de brandstofcel 52 eveneens deel uit van de middelen voor het vormen van stoom.

35 Zoals getoond in fig. 4 kan de inrichting voorts nog zijn voorzien van een tussen de LTS en de PrOx in het 101 34 7 8 17 gassstroomtraject opgenomen warmtewisselaar 53 met een ingang 53A voor water van bijvoorbeeld 20-70°C en een uitgang 53B voor water van bijvoorbeeld 100°C. Het mengsel koelt dan in de warmtewisselaar bijvoorbeeld af van 200°C 5 tot 110°C. (Zie curve G van fig. 2) . De uitgang 53B kan bijvoorbeeld in verbinding staan met de inlaat 40. De warmtewisselaar 53 kan dan de stoomgenerator 42 vervangen. In de PrOx 46 stijgt de temperatuur van het mengsel zoals getoond in curve H van fig. 2. Stroomafwaarts van de PrOx 10 46 daalt dan de temperatuur ten gevolge van de waterlaag 51 zoals getoond in curve I van fig. 2.

In fig. 5A en 5B is een inrichting getoond voor het uit een eerste en tweede gasstroom genereren van tenminste een derde en vierde gasstroom welke derde gasstroom een 15 mengsel omvat van de eerste en tweede gasstroom. Meer in het bijzonder is de inrichting voorzien van een kamer 60 die een ruimte 62 omsluit waarin een ventilator 64 is opgenomen. De kamer is voorzien van een eerste en tweede instroomopening 66, 68, voor het in gebruik toevoeren van 20 de eerste en tweede gasstroom aan, respectievelijk de eerste en tweede instroomopening 66, 68. De eerste en tweede gasstroom worden door de ventilator aangezogen. De kamer omvat voorts een eerste en tweede uitstroomopening 70, 72, waarbij, in gebruik, de eerste en tweede gasstroom 25 door de ventilator wordt aangezogen en in de kamer van elkaar gescheiden respectievelijk aan de een eerste en tweede uitstroomopening worden toegevoerd.

De eerste uitstroomopening mondt uit in een eerste uitlaat 76 met een relatief grote doorsnede. De tweede 30 uitstroomopening 72 mondt via een splitsing uit in de eerste uitlaat 76 en de tweede uitlaat 78 met een relatief kleine doorsnede ten opzichte van de dwarsdoorsnede van de eerste uitlaat 76. Dit brengt met zich dat de stromings-weerstand van de eerste uitlaat 76 kleiner is dan de 35 stromingsweeerstand van de tweede uitlaat 78. In de eerste en/of tweede uitlaat is voorts een regelbare klep 79 7 0 7 34 78 18 opgenomen voor het instellen van de verhouding van de hoeveelheid gas afkomstig van de eerste en tweede gasstroom in de derde gasstroom die uit de eerste uitlaat 76 stroomt. Uit de tweede uitlaat 78 stroomt de vierde gasstroom die 5 een gedeelte van de tweede gasstroom omvat.

De derde gasstroom in de uitlaat 76 omvat derhalve een combinatie van de eerste gasstroom en de tweede gasstroom die respectievelijk aan de eerste en tweede instroomopeningen 66, 68 worden toegevoerd. De vierde 10 gasstroom van de uitlaat 78 omvat slechts een gedeelte van de tweede gasstroom die aan de tweede instroomopening 68 wordt toegevoerd. Dit wordt veroorzaakt door het bovengenoemde verschil in stromingsweerstanden. Wanneer het toerental van de ventilator 64 wordt gevarieerd, zal de 15 grootte van de derde en vierde gasstroom dienovereenkomstig variëren waarbij de verhouding tussen de grootte van de vierde gasstroom en de derde gasstroom constant blijft.

In dit voorbeeld geldt dat de kamer een cilindervormige buitenwand omvat, die een cilindervormige ruimte 20 omsluit. De ventilator 64 is uitgevoerd als een wiel waarvan een rotatie-as 74 samenvalt met de axiale as van de kamer. Het wiel is nabij zijn omtreksrand 73 aan weerszijden 75A, 75B voorzien van schoepen 77. De eerste gasstroom strekt zich uit aan een eerste zijde 75A van het 25 wiel en de tweede gasstroom strekt zich uit aan een tweede zijde 75B van het wiel. De eerste en tweede instroomopening 66, 68 zijn in axiale richting van de kamer ten opzichte van elkaar verschoven aangebracht in de cilindervormige buitenwand. De eerste instroomopening en de eerste 30 uitstroomopening zijn althans nagenoeg in eenzelfde vlak gerangschikt dat loodrecht is gericht op de axiale as van de kamer. Tevens geldt dat de tweede instroomopening en de tweede uitstroomopening althans nagenoeg in eenzelfde vlak zijn gericht dat loodrecht is gericht op de axiale as 74 35 van de kamer.

101 3478 19

In het bijzonder geldt dat de eerste uitlaat 76 van de inrichting volgens fig. 5A en 5B wordt verbonden met de inlaat 4 van het vat 2 volgens fig. 1. De tweede uitlaat 78 kan worden verbonden met de inlaat 48 zoals getoond in 5 fig. 1. De inrichting volgens fig. 5A en 5B is in dat geval voorts voorzien van een op zich bekend gasblok 82 met een luchtinlaat 84 en een gasinlaat 86 voor het via een leiding 87 toevoeren van een mengsel van CH4 en lucht aan de instroomopening 66. Voorts wordt via een luchtinlaat 88 10 lucht aan de tweede instroomopening 68 toegevoerd. Met behulp van de klep 79 kan dan een gewenste verhouding tussen de hoeveelheid lucht en CH4 dat aan de inlaat 4 wordt toegevoerd, worden ingesteld. Verder kan door variatie van het toerental van de ventilator 64 het mengsel 15 dat aan de inlaat 4 en de lucht welke aan de inlaat 48 worden toegevoerd in gelijke mate worden gevarieerd en gemoduleerd. Door variatie van het toerental kan aldus een constante energiestroom in de processor worden geregeld.

Met andere woorden, in gebruik, wordt voor het in gelijke 20 mate moduleren van de derde en vierde gasstroom, dit zijn de gasstromen die respectievelijk aan de inlaat 4 en de inlaat 48 worden toegevoerd, de draaisnelheid van de ventilator gemoduleerd.

Voorts geldt dat de kamer is voorzien van twee 25 tegenover elkaar gelegen zijwanden die loodrecht op de axiale as van de kamer zijn gericht, waarbij de eerste zijwand 90A een zich rond de axiale as uitstrekkende eerste cirkelvormige groef 92A omvat, waarin de eerste in- en uitstroomopening zijn opgenomen, en waarbij de tweede 30 zijwand 90B een zich rond de axiale as uitstrekkende tweede cirkelvormige groef 92B omvat, waarin de tweede in- en uitstroomopening zijn opgenomen. De schoepen 77 van het wiel strekken zich respectievelijk langs de eerste en tweede groef uit.

35 De uitvinding is geenszins beperkt tot de hiervoor geschetste uitvoeringsvormen. Het vat 6 zoals getoond in 101 3478 20 fig. 1 kan bijvoorbeeld worden vervangen door een inrichting zoals getoond in fig. 6. Hierbij correspondeert de getoonde inlaat 4 een uitlaat 9 met de inlaat 4 en uitlaat 9 van fig. 1. De alternatieve inrichting is 5 voorzien van een vat 6' waarin een laag 96 is aangebracht van materiaal in de vorm van bijvoorbeeld knikkers, salzur etc. De inlaat 4 mondt uit onder de laag 96. De uitlaat 9 bevindt zich boven de laag 96. Boven de laag 96 bevindt zich tevens een sproeikop 98 via welke met behulp van een 10 pomp 100 water vanuit een vat 102 op de bovenzijde van de laag 96 wordt gedeponeerd. Dit water stroomt door de laag in het materiaal 96 naar de bodem 104 van het vat 6'. Het vat 6' staat op een vlak boven de bodem 104 gelegen positie met behulp van een leiding 108 in fluïdumverbinding met het 15 vat 102. Het vat 102 is nog voorzien van middelen om het water dat zich in het vat bevindt te verwarmen. Deze middelen kunnen bestaan uit elektrische verwarmingsmiddelen, een brander, water afkomstig van de eerdergenoemde brandstofcel en/of afkomstig van een van de 20 eerdergenoemde warmtewisselaars. Met behulp van de pomp 100 wordt het water rondgepompt van de bodem 104 via de leiding 108 naar het vat 102 en van het vat 102 naar de sproeikop 98 waarna het water via het inert materiaal 96 toestroomt naar de bodem 104. Aan de inlaat 4 wordt wederom het 25 gasvormige koolwaterstof, in dit voorbeeld CH4 en zuurstof toegevoerd. Dit gas stroom via het inert materiaal 96 naar de uitlaat 9. Wanneer het gas door het inert materiaal 96 stroomt, zal dit langs het genoemde water stromen en aldus worden verzadigd met waterdamp. De temperatuur van het 30 water dat via de sproeikop 98 aan het inert materiaal 96 kan worden toegevoerd, is in dit voorbeeld variabel uitgevoerd en kan bijvoorbeeld rond de 70°C bedragen. Afhankelijk van de watertemperatuur van het water dat aan de sproeikop wordt toegevoerd, wordt het mengsel in meer of 35 mindere mate verzadigd met waterdamp. De watertemperatuur is derhalve een variabele met behulp waarvan de hoeveelheid 1013478 21 waterdamp in het mengsel 8 kan worden geregeld. Voorts zijn andere varianten van de brandstofprocessor volgens fig. 1 denkbaar. Zo is het mogelijk meer dan drie HT-shifts te gebruiken. Ook kunnen andere temperaturen aan de in- en 5 uitgangen van de HT-shifts worden gebruikt dan die in de hiervoor genoemde voorbeelden zijn genoemd. Met behulp van de brandstofprocessor 52 gegenereerde stoom kan bijvoorbeeld via een leiding 106 aan de inlaat 40 worden toegevoerd. Ook kan met behulp van de brandstofprocessor 52 10 gegenereerde elektrische energie via de leidingen 108 en/of 110 aan de stoomgenerator 42 en/of het verwarmingselement 10 worden toegevoerd. Voor de CPO-catalyst, HT-shift, PrOx en LT-shift kunnen alle bekende katalysatoren worden toegepast. De inrichting 6 kan worden vervangen door elk op 15 zich bekend systeem om waterdamp in te brengen.

De brandstofprocessor volgens de uitvinding is bij uitstek geschikt voor toepassing in microwarmtekracht-eenheden in de huishoudelijke omgeving. Dit stelt bijzondere voorwaarden. De processor moet als geheel 20 transportabel zijn, vanaf de fabriek naar de gebruikslocatie, en mag tijdens transport geen brand- of explosiegevaarlijke stoffen bevatten. Na plaatsing op de gebruikslocatie moet de warmtekrachtinstallatie, en dus ook de processor, in ca. één uur operationeel kunnen zijn. Bij 25 onderhoud of storingen, waarbij lucht in de processor toetreedt, mogen geen explosie of brandgevaarlijke situaties ontstaan. Daarnaast moet de processor zo compact mogelijk zijn uitgevoerd.

Genoemde voorwaarden stellen strenge eisen aan de 30 katalysatoren in de processor. De katalysatoren mogen niet pyrofoor zijn, dat wil zeggen bij toetreding van lucht mag, als gevolg van oxidatie van de katalysator, geen zodanige temperatuurstijging optreden dat de katalysator of de eventuele brandbare inhoud van de processor vlam vat. Ook 35 moeten de katalysatoren van zodanige chemische 1013478 22 samenstelling zijn, dat eventueel benodigde activering in ca. 1 uur en met procesgas kan plaatsvinden.

De katalytische activiteit moet zó hoog zijn, dat bij hoge ruimte doorvoersnelheid 5 (Nm3 procesgas/m3 katalysator/uur), en dus met geringe hoeveelheden katalysator, een vrijwel volledige conversie van, achtereenvolgens, methaan en koolmonoxide wordt bereikt.

De CPO en PrOx katalysatoren kunnen bijvoorbeeld 10 bestaan uit edelmetalen, op een dragermateriaal dat als coating op een keramisch monoliet is aangebracht. Deze typen katalysatoren zijn in de open literatuur beschreven. Geschikt actief metaal is onder meer platina. Genoemde katalysatoren zetten methaan, respectievelijk koolmonoxide 15 vrijwel volledig om bij doorvoersnelheden tot ten minste 2 0.000 Nm3/m3/h.

De shift katalysatoren worden gekenmerkt door een laag volume, snelle activering in productgas en niet pyrofoor karakter.

20 HTS-katalysatoren die bijvoorbeeld kunnen worden toegepast 1. Katalysatoren op basis van platina 25 Platina aangebracht op een y-Al203 drager. Pt-gehalte op basis van het platina plus dragergewicht: 0,1-20 gew.%, bij voorkeur 1-10 gew.%.

Andere metalen, zoals Ru en Rh zijn ook bruikbaar (Ru als shift- en methaniseringskatalysator is beschreven 30 in de open literatuur) .

Alternatieve dragers zijn onder meer silica-alumina, zirconia. De gedragen katalysator is door middel van coating aangebracht op een keramisch monoliet. Belading van de coating: 50-400 g per liter monoliet, bij voorkeur 35 50-300 g/1. De kanaaldichtheid van de monoliet: 1013478 23 30-1200 cpsi (= cells per inch2) , bij voorkeur 100-800 cpsi, met de meeste voorkeur 100-600 cpsi.

Platina heeft geen activeringstijd en is niet pyrofoor. De CO-shift activiteit is hoog, dus weinig 5 katalysator materiaal nodig. Nadeel is dat Pt een deel van de CO in het procesgas met H2 omzet naar CH4 (efficiency-verlies, vermogensreductie van de brandstofcel). De mate van methanisering is een kwestie van de kinetiek van de methanisering ten opzichte van die van de CO-shift.

10 Naarmate de temperatuur toeneemt neemt de methanisering relatief toe ten opzichte van de CO-shift. Het probleem kan bijvoorbeeld worden opgelost door 2 in plaats van 3 HTS-monolieten toe te passen. De monoliet direct achter de CPO-katalysator heeft de hoogste temperatuur en produceert 15 de grootste hoeveelheid. Deze wordt vervangen door een dummy monoliet (= ongecoate monoliet) , of verdwijnt geheel uit de processor (compacte uitvoering). De resterende monolieten bevinden zich in de koelere zone van de warmtewisselaar/shift-constructie. Op deze manier houden we 20 de temperaturen beneden 450°C, bij voorkeur beneden 400°C. Pt-monolieten zijn bij de verlaagde temperaturen, ondanks de verkorte verblijftijd van het gas, nog voldoende actief voor de gewenste CO-conversie (50-60%). Voorbeeld in de tabel.

1013478 24

Configuratie Maximum CO-verlies Verlies aan temperatuur in de door H2-productie

Pt-monolieten methanisering (efficiency) (°C) (%) door methanisering ____(%)_ 3 Pt-monolieten 550 (3,5 kW 32 12 __vermogen)___ (1 dummy), 425 (7 kW) 11 4 2 Pt-monolieten____ (1 dummy), 350 (3,5 kW) 7 3 2 Pt-monolieten____

Samenvattend: de voordelen van platina (snelle opstart, geen activeringsprocedure, niet pyrofoor, veilig, 5 hoge activiteit) kunnen derhalve worden benut zonder onacceptable efficiencyverliezen.

2. HTS-katalysatoren op basis van Fe203/Cr203 10 Hiervoor kunnen bijvoorbeeld standaard commerciële

Fe203/Cr203 hoge temperatuur shift-katalysatoren worden gebruikt. De typische samenstelling is 57-59 gew.% Fe, op metaalbasis, 5-7 gew.% Cr, op metaalbasis, en ca. 1 gew.% Cu, op metaalbasis, als promotor. De katalysatoren worden 15 met bekende technieken op keramische monolieten gecoat. De beladings- en monoliet kenmerken zijn dezelfde als voor de Pt-monolieten.

De activering van de monolieten gebeurt in procesgas en is binnen 1 uur voltooid. Bij activering wordt Fe203 20 gereduceerd naar Fe304. Fe304 is licht pyrofoor. De katalysator in pelletvorm kan bij contact met de lucht zoveel warmte ontwikkelen, dat brandgevaarlijke situaties ontstaan. Door het aanbrengen van de katalysator op een monoliet wordt een dunne laag katalysator in open kanaal- 101 3478 25

structuur verkregen. Overtollig Fe304, zoals in de kern van pellets, dat door diffusieremming toch niet katalytisch actief is, is in de monoliet niet meer aanwezig en kan bij oxidatie aan de lucht geen warmteproblemen geven. Door de 5 open structuur van de monoliet wordt oxidatiewarmte snel. afgevoerd. Het resultaat is dat bij blootstelling van een gereduceerde monoliet aan de lucht de gastemperatuur in de kanalen slechts 35°C stijgt. Monolieten op basis van Fe/Cr zijn minder actief dan die op basis van Pt. Er zijn 10 3 monolieten nodig en maximumtemperaturen van 550 tot 600°C

voor voldoende omzetting. Dit is geen probleem omdat Fe/Cr-katalysatoren geen enkele methaniseringsactiviteit hebben. Met andere woorden met Fe/Cr is het efficiency-verlies 0%.

15 De standaard commerciële LTS katalysator is CuO met

ZnO (coprecipitatie). Die bevindt zich bijvoorbeeld in de processor als een gepakt bed van katalysatorpellets met een totaalvolume van maar liefst 20 liter.

De actieve vorm in de shift is Cu-metaal. CuO kan 20 men heel gemakkelijk in procesgas door reductie activeren. Echter de warmteontwikkeling is daarbij groot zodat de katalysator bij een eerste opstart te heet zou kunnen worden en sinteren.

In de eerste plaats kan worden gestreefd naar het 25 verminderen van de hoeveelheid koper. Dit geeft minder gevaarlijke warmteontwikkeling bij reductie en oxidatie. De activiteit, dat wil zeggen de CO-omzetting per volume-eenheid katalysator, mag daar echter niet onder lijden.

Minder koper met behoud van activiteit kan door het 30 fijn verdeeld aanbrengen van het metaal op een drager, zoals alumina of silica. Typische beladingen zijn 5-30 gew.% Cu, bij voorkeur 10-20 gew.%. Het koper wordt aangebracht met in de techniek bekende methoden, zoals impregnatie van een Cu-precursor, drogen en calcineren.

35 Het nadeel is dat CuO, dat fijn verdeeld en sinterbestendig op een drager zit, in tegenstelling tot 101 3478 26 bulk CuO moeilijk bij procestemperaturen van ca. 200°C te reduceren/activeren is. Dit kan bijvoorbeeld worden opgelost door toevoeging van 0,1 tot 1 gew.% van een metaal, bijvoorbeeld Pt, dat H2 in het procesgas absorbeert 5 en omzet in voor reductie zeer actieve waterstofatomen, die CuO bij verlaagde temperaturen reduceren. De hoeveelheid platina en de procestemperatuur zijn zodanig dat geen efficiencyverliezen door methanisering optreden.

Een aanvullende verhoging van de activiteit per 10 volume-eenheid katalysator wordt bereikt door verhoging van de stoom/koolstof-verhouding in de katalysatordeeltjes ten opzichte van die in het procesgas. Dit kan door toevoeging van waterabsorberende materialen. Geschikt zijn zeolieten (molzeven) zoals A4,A5,13X, die bij de procestemperatuur 15 van 200°C ca. 10 gew.% H20 kunnen opnemen.

Er zijn verschillende vormen denkbaar.

- Menging van een gemalen commerciële CuO/ZnO-katalysator, of liever een Pt gepromoteerde Cu-katalysator op drager, met gemalen zeoliet, welk mengsel wordt geperst 20 of geëxtrudeerd tot deeltjes van de gewenste grootte. De gewichtsverhouding katalysator:zeoliet kan variëren van 10:1 tot 1:10, bij voorkeur 1:1 tot 1:10.

- Cu op de zeoliet zelf aanbrengen. Dit kan door (incipient wetness) impregnatie van voorgevormde 25 zeolietdeeltjes, zoals pellets of extrusies met een

Cu-precursor, bijvoorbeeld Cu-citraat, drogen, calcineren. Daarna impregneren met de reductiepromotor, bijvoorbeeld Pt-nitraat, drogen en calcineren.

- Bovengenoemde vormen gecoat op een monoliet.

30 Het pyrofore karakter van de zeolietsystemen is sterk gereduceerd omdat bij contact met de lucht de oxidatiewarmte zorgt voor verdamping van het water in de zeoliet. Per liter zeoliet kan op deze manier 50 tot 100 liter vrijkomen die de lucht verdringt en voorkomt dat 35 de temperaturen in het katalysatorbed uit de hand lopen, wat leidt tot katalysator-deactivering en brandgevaarlijke 1013478 27 situaties. Gecoat op een monoliet wordt de lokaal sterke warmteontwikkeling verder geremd door de snelle warmteafvoer uit het monoliet.

5 Samenvattend: 1. Minder warmteproblemen door minder Cu in de reactor.

2. Minder Cu haalbaar door verhoging van de activiteit via verhoging van Cu-dispersie en toevoeging van 10 waterabsorberende materialen (hogere stoom/koolstof- verhouding).

3. Reduceerbaarheid van hoog dispers gedragen Cu in procesgas verhogen door toevoeging van reductiepromotors (Pt).

15 4. Pyrofoor karakter onderdrukken door "blussen" met stoom uit het waterbasorberend materiaal. Eventueel coaten op monoliet.

Dergelijke varianten worden elk geacht binnen het kader van de uitvinding te vallen.

10134 76

Claims

1. Brandstofprocessor voor het produceren van een gasstroom die waterstof omvat door katalytische verbranding van een mengsel dat tenminste een gasvormige koolwaterstof-verbinding, waterdamp en zuurstof omvat waarbij de 5 brandstofprocessor een gasstroomtrajeet omvat waarlangs het mengsel wordt gevoerd en een in het gasstroomtrajeet opgenomen CPO-catalyst waaraan het mengsel wordt toegevoerd voor de katalytische verbranding, met het kenmerk, dat in het gasstroomtrajeet stroomafwaarts van de CPO-catalyst een 10 veelvoud van in serie geschakelde HT-shifts zijn opgenomen die, in gebruik door het mengsel dat de CPO-catalyst verlaat respectievelijk worden doorstroomd.

2. Brandstofprocessor volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat in het gasstroomtrajeet respectievelijk tussen 15 de CPO-catalyst en de meest nabij stroomafwaarts van de CPO-catalyst gelegen HT-shift en tussen de HT-shifts warmtewisselaars zijn opgenomen die warmte uitwisselen tussen enerzijds het mengsel dat aan de CPO-catalyst wordt toegevoerd en anderzijds het mengsel dat stroomafwaarts van 20 de CPO-catalyst de in serie geschakelde HT-Shifts doorstroomt.

3. Brandstof processor volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat elke HT-shift is voorzien van twee tegenover elkaar gelegen zijden die respectievelijk een ingang en een 25 uitgang van de HT-shift vormen waarbij de HT-shifts in een richting die samenvalt met de normaal van de genoemde zijden van de HT-shifts ten opzichte van elkaar zijn gerangschikt waarbij een uitgang van een eerste HT-shift tegenover een ingang van een tweede HT-shift ligt en 30 waarbij de tweede HT-shift in een doosvormige kamer is opgenomen met een bodem en opstaande zijwanden waarbij de bodem tussen de ingang van de tweede HT-shift en de uitgang van de eerste HT-shift in ligt en waarbij het gasstroom- *013478 traject van de eerste HT-shift naar de tweede HT-shift zich respectievelijk uitstrekt langs een buitenzijde van de bodem van de doosvormige kamer, tussen de warmtewisselaar en een buitenzijde van de opstaande zijwand van de 5 doosvormige kamer, tussen de tweede HT-shift en een binnenzijde van de opstaande zijwand van de doosvormige kamer naar een tussen de binnenzijde van de bodem van de doosvormige kamer en de zijde van de tweede HT-shift die de ingang omvat gelegen ruimte.

4. Bransstofprocessor volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat elke HT-shift in een doosvormige kamer is opgenomen.

5. Brandstofprocessor volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de warmtewisselaars een kokervormige binnen- 15 wand omvatten die een ruimte omsluit waarin de HT-Shifts met de doosvormige kamers zijn opgenomen.

6. Brandstofprocessor volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat elke HT-shift kokervormig is uitgevoerd met twee tegen over elkaar gelegen open einden die 20 respectievelijk de ingang en de uitgang vormen van de HT-shift waarbij axiale assen van de HT-shifts althans in hoofdzaak samenvallen met een axiale as van de kokervormige binnenwand van de warmtewisselaar.

7. Brandstofprocessor volgens conclusie 6, met het 25 kenmerk, dat de warmtewisselaar voorts is voorzien van een kokervormige isolatie-buitenwand.

8. Brandstofprocessor volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat in het gasstroomtraject voorts een stroomafwaarts van de HT-shifts gelegen LT-shift 30 is opgenomen waarbij de brandstofprocessor verder is voorzien van een inlaat voor het, in gebruik, toevoegen van water aan het mengsel dat aan de LT-shift wordt toegevoerd voor het koelen van het mengsel.

9. Brandstofprocessor volgens conclusie 8, met het 35 kenmerk, dat de processor verder is voorzien van middelen 1013478 om het water via de inlaat in de vorm van stoom toe te voegen.

10. Brandstofprocessor volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat de middelen een elektrische verwarmeenheid of 5 een waterstofbrander, een aardgasbrander of een warmtewisselaar omvatten.

11. Brandstofprocessor volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de inlaat vernevelingsmiddelen omvat voor het toevoegen van het water in vernevelde toestand.

12. Brandstofprocessor volgens een der conclusies 8-11, met het kenmerk, dat de LT-shift een kokervomige isolatie-buitenwand en een een kokervormige isolatie-binnenwand omvat die concentrisch ten opzichte van elkaar zijn gerangschikt waarbij, in gebruik, het mengsel dat de tussen 15 de kokervormige isolatie-binnenwand en de kokervormige isolatie-buitenwand gevormde ruimte doorstroomt en waarbij de HT-shifts en de CPO-CATALYST in een door de kokervormige binnenwand omsloten ruimte zijn opgenomen.

13. Brandstofprocessor volgens conclusies 7 en 12, met 20 het kenmerk, dat de kokervormige isolatie-buitenwand van de warmtewisselaar samenvalt met de kokervormige isolatie-binnenwand van de LT-shift.

14. Brandstofprocessor volgens een der voorgaande conclusies 8-13, met het kenmerk, de processor voorts is 25 voorzien van een stroomafwaarts van de LT-shift in het gasstroomtraject gelegen PrOx alsmede een inlaat voor het toevoegen van zuurstof aan het mengsel dat de LT-shift heeft verlaten en naar de PrOx stroomt.

15. Brandstofprocessor volgens conclusie 14, met het 30 kenmerk, dat in het gasstroomtraject tussen de LT-shifts en de PrOx nog een warmtewisselaar is opgenomen voor het verder afkoelen van het mengsel.

16. Brandstofprocessor volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, de processor verder is 35 voorzien van een vat dat gevuld is met water en/of wordt doorstroomd met water, waarbij voorts aan het vat de 10 1 3478 gasvormige koolwaterstofverbinding en zuurstof worden toegevoerd om door en/of langs het water te worden gevoerd voor het genereren van het genoemde mengsel dat aan de CPO-catalyst wordt toegevoerd en middelen voor het regelen van 5 de temperatuur van het water voor het instellen van de concentratie van de waterdamp in het mengsel dat aan de CPO-catalyst wordt toegevoerd.

17. Brandstofprocessor volgens conclusie 14 en 16, met het kenmerk, dat de processor verder is voorzien van een 10 warmtewisselaar voor het uitwisselen van warmte tussen het mengsel dat de PrOx heeft doorstroomd en het water dat zich in het vat bevindt zodat de temperatuur van het mengsel dat de waterstof omvattende gasstroom vormt daalt.

18. Brandsstofprocessor volgens een der voorgaande 15 conclusies, met het kenmerk, dat de processor verder is voorzien van een brandstofcel voor het opwekken van elektrische energie uit het gevormde waterstof.

19. Brandstofprocessor volgens conclusies 9 of 11 en volgens conclusie 18, met het kenmerk, dat de genoemde 20 middelen voor het vormen van stoom of verneveld water de brandstofcel omvatten.

20. Brandstof processor voor het produceren van waterstof door katalytische verbranding van een mengsel dat tenminste een gasvormige koolwaterstofverbinding, waterdamp 25 en zuurstof omvat, voorzien van een CPO-catalyst waaraan het mengsel wordt toegevoerd voor de katalytische verbranding, met het kenmerk, dat de processor verder is voorzien van een vat dat is gevuld met water, waarbij voorts aan het vat de gasvormige koolwaterstofverbinding en 30 zuurstof worden toegevoerd om door en/of langs het water te worden gevoerd voor het genereren van het genoemde mengsel en middelen voor het regelen van de temperatuur van het water voor het instellen van de concentratie van de waterdamp in het mengsel.

21. Inrichting voor het uit een eerste en tweede gasstroom genereren van tenminste een derde en vierde 1013478 gasstroom waarbij de derde gasstroom een mengsel omvat van de eerste en tweede gasstroom, voorzien van een kamer die een ruimte omsluit waarin een ventilator is opgenomen waarbij de kamer is voorzien van een eerste en tweede 5 instroomopening voor het, in gebruik, toevoeren van de eerste en tweede gasstroom aan respectievelijk de eerste en tweede instroomopening en een eerste en tweede uitstroomopening waarbij, in gebruik, de eerste en tweede gasstroom door de ventilator wordt aangezogen en in de 10 kamer van elkaar gescheiden respectievelijk aan de een eerste en tweede uitstroomopening worden toegevoerd waarbij de eerste uitstroomopening uitmondt in een eerste uitlaat en waarbij de tweede uitstroomopening via een splitsing uitmondt in de eerste uitlaat en een tweede uitlaat waarbij 15 in de eerste en/of tweede uitlaat een regelbare klep is opgenomen voor het instellen van de verhouding van de hoeveelheid gas afkomstig van de eerste en tweede gasstroom in de derde gasstroom uit de eerste uitlaat waarbij door de tweede uitlaat de vierde gasstroom stroomt die een gedeelte 20 van de tweede gasstroom omvat.

22. Inrichting volgens conclusie 21, met het kenmerk, dat de kamer een cilindervormige buitenwand omvat die een cilindervormige ruimte omsluit waarbij de ventilator is uitgevoerd als een wiel waarvan een rotatie-as samenvalt 25 met een axiale as van de kamer waarbij het wiel nabij zijn omtreksrand aan weerszijden is voorzien van schoepen en waarbij de eerste gasstroom zich uitstrekt aan een eerste zijde van het wiel waar zich de schoepen bevinden en waarbij de tweede gasstroom zich uitstrekt aan een tweede 30 zijde van het wiel waar zich de schoepen bevinden.

23. Inrichting volgens conclusie 22, met het kenmerk, dat de eerste en tweede instroomopening in axiale richting van de kamer ten opzichte van elkaar verschoven zijn aangebracht in de cilindervormige buitenwand van de kamer, 35 de eerste instroomopening en de eerste uitstroomopening althans nagenoeg in een zelfde vlak zijn gerangschikt dat 101 347 8 loodrecht is gericht op de axiale as van de kamer en waarbij de tweede instroomopening en de tweede uitstroomopening althans nagenoeg in een zelfde vlak zijn gerangschikt dat loodrecht is gericht op de axiale as van 5 de kamer.

24. Inrichting volgens conclusie 23, met het kenmerk, dat kamer is voorzien van twee tegenover elkaar gelegen zijwanden die loodrecht op de axiale as van de kamer zijn gericht, waarbij de eerste zijwand een zich rond de axiale 10 as uitstrekkende eerste cirkelvormige groef omvat, waarin de eerste in- en uitstroomopening is opgenomen en waarbij de tweede zijwand een zich rond de axiale as uitstrekkende tweede cirkelvormige groef omvat waarin de tweede in- en uitstroomopening is opgenomen en waarbij de schoepen van 15 het wiel zich respectievelijk langs de eerste en tweede groef uitstrekken.

25. Brandstofprocessor volgens een der voorgaande conclusies 14 of 17, met het kenmerk, dat de processor verder is voorzien van een inrichting volgens conclusie 22, 20 23 of 24, waarbij de eerste gasstroom bestaat uit een mengsel van lucht en een gasvormige koolwaterstofverbinding en de tweede gasstroom bestaat uit lucht, de derde gasstroom bestaat uit een mengsel van de eerste en tweede gasstroom en de vierde gasstroom bestaat uit een fractie 25 van de tweede gasstroom en waarbij de derde gasstroom aan het gasstroomtrajeet wordt toegevoerd en de vierde gasstroom aan het mengsel wordt toegevoegd dat aan de PrOx wordt toegevoerd.

26. Brandstofprocessor volgens conclusie 25, met het 30 kenmerk, dat, in gebruik, voor het in gelijke mate moduleren van de derde en vierde gasstroom de draaisnelheid van de ventilator wordt gemoduleerd.

27. Brandstofprocesor volgens een der conclusies 1-20 of 25, 26, met het kenmerk, dat de processor voorts is 35 voorzien van een absorber, waardoor de gasvormige koolwaterstofverbinding wordt toegevoerd voor het reinigen van 1013478 de gasvormige koolwaterstofverbinding, waarbij de absorber bijvoorbeeld actieve kool omvat.

28. Brandstofprocessor volgens een der conclusies 16 of 17, met het kenmerk, dat de processor is voorzien van een 5 ionisatievat voor het reinigen van het water dat wordt gebruikt voor het verkrijgen van het mengsel. 101 3478