NO176339B - Fremgangsmåte for å konvertere brennstoff til elektrisitet - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for konvertering av brennstoff på grunnlag av hydrokarboner, til elektrisitet.

For å generere elektrisitet fra fossile brennstoffer, er det blitt benyttet tradisjonelle kraftstasjoner, hvor fossile brennstoffer, slik som kull, olje eller naturgass, generelt blir forbrent for å drive enten gassturbiner eller, etter omforming av varmen til damp, dampturbiner, som igjen driver elektriske generatorer.

En viktig ulempe ved disse tradisjonelle systemene, beror på systemenes forholdsvis lave elektriske effektivitet.

Det er allerede blitt foreslått å bruke brenselcelle-systemer til å generere elektrisitet fra fossile brennstoffer. Bruken av brenselceller i kombinasjon med en H2-produserende enhet har en rekke klare fordeler.

For det første er brenselcelle-systemenes virkningsgrad høy, spesielt når de forskjellige deler er riktig integrert.

I et slikt tilfelle kan virkningsgraden til det totale anlegget være enda høyere enn virkningsgraden til brenselcelle-stabelen. For det andre oppnås det et elektrisitetsproduserende system med lav utsendelse av mulig skadelig stoffer. For det tredje har slike systemer gode "dellast-karakteristikker", noe som betyr at selv ved lave belastninger oppnås en høy virkningsgrad. For det fjerde er en modul-oppbygging av slike systemer mulig.

Kraftanlegg eller energiverk basert på brenselceller omfatter vanligvis, avhengig av brennstofftypen, en forbehandling av brennstoffet, (avsvovling, forvarming), en omforming av dette til en gass som inneholder H2, (for eksempel ved damp-reformering og/eller vannskift-reaksjon), kjøling av gassen for å fjerne kondenserbare urenheter, og bringe gassens temperatur til brenselcelle-enhetens arbeidstemperatur. Den resulterende H2-holdige gass og en 02-holdig gass blir så levert til brenselcelle-enheten hvor den elektrokjemiske reaksjon 2 H2 + 02 -> 2 H20 + AE + AH finner sted. Den elektriske energi blir fjernet og vanligvis omformet fra likestrøm til vekselstrøm, mens den produserte varme også fjernes og muligens benyttes til å supplere anleggets energibehov. De H2-holdige gassene fra anodekamrene til brenselcellene blir brukt som en brenngass i H2-produksjons-seksjonen.

Den type brenselcelle som kan brukes i et slikt system, er vanligvis basert på bruken av fosforsyre som elektrolytt.

Andre kjente brenselcelle-typer er for eksempel basert på bruk av smeltet karbonat, faststoffoksyder og faststoff-polymerer som elektrolytter.

En av de faktorer som har begrenset anvendelsen av brensel-celler til fremstilling av elektrisitet i stor skala, er det faktum at brenselcellenes levetid er begrenset. I tidens løp vil faktisk brenselcellene gi en enda lavere virkningsgrad, noe som for eksempel uttrykkes ved en lavere spenning. Når denne spenningen har avtatt til omkring 90 til 95 % av den opprinnelige verdi, bør brenselcelle-stabelen skiftes ut.

I elektrisitetsproduserende anlegg på grunnlag av brenselceller inntreffer den situasjon at for å frembringe optimal virkningsgrad, er integrasjonen uhyre høy. Dette betyr imidlertid at hvis det oppstår vanskeligheter i en eller flere deler, eller når elektrisitetsbehovet blir forstyrret, må ofte hele anlegget stoppes.

Fra allment tilgjengelig japansk patentsøknad nr. 61-120218 er kjent en fremgangsmåte for omforming av hydrokarbon-brennstoff til elektrisitet, der brennstoffet blir omformet til en H2-holdig gass, og hvor den H2-holdige gassen blir ført gjennom minst en "trykksving"-adsorpsjonsenhet for å frembringe en strøm med H2-gass med høy renhet. Gasstrømmen blir levert til positive elektrodekammere i brenselceller hvor det genereres elektrisitet. Også fra japansk allment tilgjengelig patentsøknad nr. 61-111141 er beslektet teknikk kjent.

Fra US patent nr. 4,200,682 er kjent en fremgangsmåte for fremstilling av hydrogen for et brenselcelle-system som kan utformes som et brencelcelle-system basert på fosforsyre. Hydrogen-rik gass produseres ved å bruke et par regenerative reformeringsanordninger som brukes vekselvis, dvs. når en reaktor produserer hydrogen, regenereres den andre ved å brenne en brennbar gass. Valget av brennbar gass er fritt. Det kan f.eks. være rent hydrogen, eller det kan være gass levert fra en anode i brenselcellen som fremdeles inneholder brennbare komponenter. I tillegg kan også spylegassen fra en trykksving-adsorpsjonsenhet brukes' til hydrogen-rensing. Det foreligger imidlertid ingen indikasjon vedrørende mating av en fosforsyre-brenselcelle med den rensede hydrogengass fra en trykksving-adsorpsjonsenhet, og det er således mulig å forbedre virkningsgraden for et slikt brenselcelle-system.

Det er et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en fremgangsmåte for konvertering av brennstoff til elektrisitet hvor virkningsgraden avtar mindre sterkt i løpet av tiden, slik at levetiden til den totale stabel blir lenger.

Det er et annet formål med oppfinnelsen å minske følsomheten for vanskeligheter eller avbrudd i energi-avtaket til hele anlegget. Det har vist seg at de kjente elektrisitetsproduserende anlegg basert på brenselceller har dårlig pålitelighet. Både på grunn av forurensninger i forsyningsgassene til brenselcellene og på grunn av den utstrakte integrasjon som er nødvendig for å nå en høy virkningsgrad, tillater disse anleggene bare korte driftstider uten sammenbrudd.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen som omfatter konvertering av et brennstoff på grunnlag av hydrokarboner til elektrisitet, er karakterisert ved følgende trinn: a) katalytisk omforming av brennstoffet til en H2-holdig gass, b) føring av den H2-holdige gassen gjennom minst en "trykksving"-adsorpsjonsenhet for å frembringe en H2-gass-strøm med høy renhet, samt en desorpsjonsgass, og c) levering av H2-gass-strømmen med høy renhet til anodekamrene i minst en brenselcelle-stabel som arbeider ved en

temperatur på minst 14 0°C, og som består av brenselceller som er basert på fosforsyre, i hvilken stabel elektrisitet blir generert.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen baseres gjerne på brennstoffer slik som naturgass, LPG, nafta, brenselsolje, bensin, dieselolje, biogass, gass fra husholdningsavfall, lavere alkoholer slik som metanol, og/eller gass fra gassifisering av kull, tre og avfall. Bruk av naturgass blir foretrukket. Avhengig av brennstoffets beskaffenhet kan det være ønskelig at brennstoffet underkastes en. forbehandling for på den ene side å forhindre at katalysatoren blir forgiftet eller ødelagt i det annet trinn, og på den annen side for å tilveiebringe optimale prosess-betingelser.

Eksempler på slike forbehandlinger er avsvovling, varme-veksling med andre prosess-strømmer, filtrering (for å fjerne støvpartikler), o.s.v.

Det har overraskende vist seg at bruken av trykksving-adsorpsjonsteknikken for den H2-holdige gass-strømmen resulterer i betydelige fordeler med hensyn til den totale virkemåte av prosessen, ifølge oppfinnelsen.

En viktig fordel med oppfinnelsen beror på det faktum at påliteligheten til det totale system er blitt betydelig for-sterket. På grunn av både den høye renheten av matingen til anoden og den reduserte integrasjon av de forskjellige deler i anlegget viser påliteligheten seg å bli betydelig forbedret. Inntil nå har det faktisk vært praktisk talt umulig å holde slike systemer i drift over en rimelig tidsperiode uten vanskeligheter.

Når det benyttes brenselceller ville fagfolk på området vente, på grunn av data vedrørende bruken av trykksving-adsorpsjon, at fremgangsmåtens effektivitet ville bli redusert markant, men det viser seg at på grunn av integrasjonen av adsorpsjonsprosessen i oppfinnelsen, opptrer det uventede fordeler. Mer spesielt viser brenselcellenes brukstid seg å bli forlenget betydelig, slik at der hvor det vanligvis var nødvendig å skifte dem ut etter omkring 40.000 timers drift, er dette nå unødvendig.

Når brenselceller er basert på fosforsyre, og derved i seg selv er ganske ufølsomme for forurensninger, ville en fagmann ha den oppfatning at bruken av H2 med høy renhet bare ville gi ulemper. Spesielt ble det ventet at den ytterligere rensing av H2 i sterk grad ville minske anleggets totale virkningsgrad. Det har overraskende vist seg at når en trykksving-adsorpsjonsenhet blir brukt til rensing av H2, kan den samme, eller praktisk talt den samme, virkningsgrad oppnås, mens noen ytterligere fordeler samtidig blir oppnådd, slik som en lenger brukstid av brenselcellene, en klart redusert følsomhet overfor vanskeligheter, og en meget enklere regulering av prosessen på grunn av den lave integrasjons-graden.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen har den ytterligere fordel at brenselcellen i virkeligheten er isolert fra H2-fremstillingsenheten. Dette betyr bl.a. at forstyrrelser i og forurensninger fra H2-fremstillingsenheten ikke blir overført direkte til brenselcelle-enheten. Dessuten kan trykksving-adsorps jonsenheten funksjonere som en slags buffer mellom H2-fremstillingsenheten og brenselcelle-stabelen, slik at svingninger i elektrisitetsbehovet kan tas opp. I en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen kan ytterligere bufferkapasitet tilveiebringes ved å anbringe et H2-bufferkar mellom trykksving-adsorpsjonsenheten og brenselcellen. På denne måten er det bl.a. mulig å ta seg av sterke svingninger i energibehovet uten problemer, og uten at det er nødvendig å justere den H2-fremstillende enhet. Det er da mulig å drive den H2-fremstillende enhet under optimale betingelser og ta seg av variasjoner i behovet ved hjelp av bufferkapasiteten.

I tillegg kompenserer bufferkapasiteten for forskjellene i "reaksjonshastigheten" mellom de nevnte enheter.

Bruken av ytterligere bufferkapasitet er gunstig under oppstartingen av hele enheten. På grunn av bruken av brensel-celler som arbeider ved høy temperatur, er det mulig først å starte brenselcellene som deretter produserer prosessdamp som brukes til oppstarting av den H2-produserende enhet.

En annen fordel ved prosessen ifølge oppfinnelsen er at det ikke lenger er nødvendig å bruke de H2-holdige eksosgassene fra anodekamrene i brenselcellene som brennstoff for å tilveiebringe varme for H2-fremstillingsenheten. På bakgrunn av disse gassenes sammensetning er det faktisk mulig å bruke størstedelen av H2 i brenselcellene slik at bare en meget begrenset gassmengde behøver å bli fjernet. Denne størrelsen blir bestemt av forurensningsgraden for H2-gassen. Fullstendig resirkulering til innløpet av anodekamrene ville føre til en akkumulering av urenheter, noe som selvsagt er uønsket og kan være skadelig. Den brukte gassen kan nå for eksempel tilbakeføres til en annen del av anlegget.

Det er imidlertid en gass-strøm tilgjengelig som inneholder H2, nemlig desorpsjonsgassen fra trykksving-adsorps jonsenheten, slik at det i samsvar med en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen er mulig å bruke denne gass-strømmen som en brennstoff gass i damp-omf ormingsanordningen. Dette har den uhyre store fordel at oppstrøms-seksjonen i det totale anlegg, H2-fremstillingsenheten og trykksving-adsorps jonsenheten, kan drives uavhengig av brenselcelle-stabelen. Hvis brenselcelle-stabelen av en eller annen grunn må tas ut, for eksempel på grunn av vanskeligheter som opptrer i denne, eller på grunn av redusert elektrisitetsbehov, er det ikke nødvendig å stoppe hele oppstrøms-seksjonen. For eksempel kan H2-fremstillingsenheten reguleres til lav belastning, og enheten kan holdes i drift ved enhver hastighet over en viss tid ved resirkulasjon av desorpsjonsgassen. I slike anlegg og spesielt når disse er av stor størrelse, er det i virkeligheten uhyre tidkrevende og energikrevende å stanse og starte disse anleggene på nytt. Muligheten for å tillate anlegget å arbeide en viss tid uten å fjerne strøm, er derfor uhyre gunstig.

Som nevnt ovenfor omfatter fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen hovedsakelig tre forskjellige trinn. Det første trinn omfatter omdannelse av det brennstoff som skal brukes, for eksempel et fossilt brennstoff, til en hydrogenholdig gass. Denne omformingen finner i prinsippet sted ved å bruke en katalysator, og består for eksempel av en totrinns prosess med katalytisk omforming ved nærvær av damp som finner sted i det første trinn.

Avhengig av brennstofftypen kan temperaturen ligge i området fra 150°C til 1200°C. Lettere brennstoffer slik som metanol, krever lavere temperaturer enn meget tunge brennstoffer, slik som brenselsolje. Et brennstoff slik som nafta, befinner seg mellom disse to. Typiske temperaturer for dåmpomformingen av nafta ligger i området mellom 600 og 1000°C. Trykket kan ligge i området mellom omkring atmosfæretrykk og omkring 50 bar.

Brennstoffet blir så konvertert til en gass som inneholder H2 og CO, muligens sammen med et stort antall andre komponenter. Avhengig av beskaffenheten til brennstoffet som brukes og katalysatorens følsomhet, kan brennstoffet om ønsket, ha blitt underkastet en forbehandling. I litteraturen er det godt dokumentert hvordan en slik prosess kan utføres.

Gassen som inneholder H2 og CO blir deretter, i det annet trinn, levert til et såkalt vannskift-reaksjonstrinn, hvor det tilstedeværende CO blir konvertert, i det minste delvis, og mens vann tilføres, til H2 og C02. Også denne reaksjonen er godt dokumentert i litteraturen.

Den nøyaktige ytelsen og reaksjonsforholdene avhenger av brennstoffets beskaffenhet. Når det for eksempel benyttes metanol, er det mulig å klare seg uten vannskift-reaksjonen, mens det i forbindelse med kullgass som kan inneholde meget stor H2 og CO som den er, ikke er nødvendig med dampre f ormer i ng.

De betingelser som skal brukes i de to reaksjonstrinnene som er beskrevet ovenfor, svarer hovedsakelig til de betingelser som er kjent fra litteraturen for fremstilling av en H2-holdig gass, for eksempel for metanol- eller ammoniakk-syntesen.

Ettersom den H2-holdige gassen fra H2-fremstillingsenheten har en høy temperatur, er det nødvendig å avkjøle gassen til den temperatur som man ønsker for neste trinn. Dette kan i det minste delvis utføres i varmeveksler-forhold med andre strømmer i prosessen, slik at den tilstedeværende varme kan brukes optimalt. Under avkjøling blir det kondensert en vannmengde samt andre kondenserbare sammensetninger som kan være til stede. Etter separasjonen av de kondenserte produkter, kan den H2-holdige gassen leveres til trinn b) i

prosessen.

Avhengig av de trykknivåer som velges i de forskjellige prosesstrinn, kan det være nødvendig å øke trykket i den gassen som leveres til det annet trinn.

Dette annet trinn i prosessen ifølge oppfinnelsen, trinn

b) , omfatter rensingen av den H2-holdige gassen ved hjelp av såkalt trykksving-adsorps jon. I og for seg er denne teknikken

velkjent, men den har aldri blitt brukt i en fremgangsmåte av denne typen. Ved trykksving-adsorpsjonsmetoden blir den H2-holdige gass-strøm levert til minst en adsorpsjonsenhet som inneholder en adsorbent, for eksempel basert på aluminiumoksyd, silisiumoksyd, zeolitt, aktivert karbon og/eller bestanddeler med lignende aktivitet, ved et høyt trykknivå, for eksempel 5-50 bar. Ved dette trykknivået inntreffer en foretrukket adsorpsjon av alle komponenter i gass-strømmen, bortsett fra H2. Resultatet er at det oppnås en gass-strøm som består hovedsakelig av H2 og er uhyre ren. Avhengig av antallet adsorpsjonsenheter, forholdet mellom adsorbentmengde i forhold til gassvolum pr tidsenhet, trykk, temperatur og lignende, er det mulig å produsere en gass-strøm-som inneholder minst 90 volumprosent H2, eller en som. inneholder mindre enn 1 ppm med urenheter. Det tas fortrinnsvis sikte på et H2-innhold på minst 98 volumprosent, mer spesielt minst 99,9 volumprosent, mens et H2-innhold på minst 99,99 volumprosent et mest å foretrekke. Den temperatur adsorpsjonen utføres ved, ligger i området fra 0 til 100°C avhengig av trykket og adsorbentens egenskaper.

Den nøyaktige verdi for den mengde urenheter som kan tolereres i H2, avhenger av fremgangsmåtens økomomi og av brenselcelle-typen.

Så snart adsorpsjonsenheten eller enhetene har adsorbert så meget stoff at renheten i H2 blir ødeleggende, blir i det minste en del av adsorps jonsenheten tatt ut av strømmen og desorbert ved et redusert trykknivå. Et egnet trykknivå ligger i området mellom 0,1 og 5 bar. Om ønsket kan temperaturen økes under desorpsjonen, ettersom adsorpsjon fortrinnsvis finner sted ved lave temperaturer, mens desorpsjon fortrinnsvis finner sted ved høye temperaturer.

Desorpsjonen resulterer i en desorpsjonsgass som i seg selv fremdeles er ganske rik på H2. Det totale utbyttet av H2-gass med høy renhet er i en konvensjonell trykksving-adsorps jonsenhet 60 - 95 %, slik at en ganske stor mengde H2 og andre brennbare komponenter fremdeles er til stede i desorpsjonsgassen. I en foretrukket utførelsesform av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen blir denne desorpsjonsgassen tilbakeført til H2-produksjonsheten, hvor den blir brukt som en forbrenningsgass. Selv om det for fremgangsmåten blir foretrukket at mengden med desorpsjonsgass er akkurat tilstrekkelig eller for meget til å tilveiebringe den nødvendige varme for H2-fremstillingen, kan det være ønskelig for fremgangsmåtens fleksibilitet at en del av den nødvendige varme for damp-reformering blir tilført av supplerende brennstoff .

Om ønsket, kan den rene H2-gassen fra trykksving-adsorps jonsenheten som nevnt ovenfor leveres til et bufferkar for midlertidig lagring.

Det tredje trinn i prosessen ifølge oppfinnelsen utgjøres av brenselcelle-stabelen som består av en sammenstilling av brenselceller.

For denne brenselcelle-enheten kan det benyttes brensel-celler som arbeider ved en temperatur på minst 14 0°C, fortrinnsvis ved minst 175°C. Den øvre grense for temperatur-området kan være ved 1100°C. Fortrinnsvis benyttes det en brenselcelle som er operativ ved en temperatur på 175 - 220°C. Egnede celletyper er de såkalte fosforsyre-cellene.

Det skal bemerkes at de antydede temperaturer vedrører arbeidstemperaturen under normale betingelser, d.v.s. at disse temperaturene ikke vedrører start- og nedkjørings-betingelsene hvor temperaturen kan være lavere enn de antydede verdier.

Ved utførelsen av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, blir den meget rene H2-strømmen levert til anodekamrene i brenselcellene. Samtidig blir en mengde med 02 levert til katodekamrene i disse brenselcellene. Avhengig av brenselcelle-typen kan det gjøres bruk av luft, oksygenanriket

luft eller også rent 02.

Det er spesielt når luft brukes som 02-kilde at det er ønskelig at denne blir filtrert før den leveres til katodekamrene i brenselcellene for å fjerne eventuelle støvpartikler.

I brensel-cellen finner den elektrokjemiske omforming av H2 og 02 til H20 sted med dannelsen av varme og elektrisk energi. Ettersom brenselcellen i prinsippet arbeider isotermisk, er det nødvendig å fjerne varmeoverskuddet. Avhengig av det temperaturnivå brenselcellen drives ved, kan denne varmen fjernes direkte til luften gjennom kjølere, eller ved hjelp av kjølevann. Når temperaturnivået til brenselcellen er høyere enn 125°C, blir det imidlertid foretrukket at varmen fjernes på en slik måte at det kan dannes damp. Denne dampen blir så, kanskje etter overheting, fortrinnsvis brukt i H2-fremstillingsenheten i fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. I tilfellet med et lavt varmenivå kan varmen muligens brukes til "for"-oppvarming av strømmer.

Ettersom den H2-gass-strømmen som føres til brenselcellen er uhyre ren, er det tilstrekkelig å levere bare et lite overskudd i forhold til den mengde som trengs i brenselcellene, (for eksempel H2-forbruk på 95 Den ikke-konverterte H2-holdige gass-strømmen kan så delvis resirkuleres over cellen og delvis fjernes. Det er også mulig, og det blir foretrukket, å fjerne den totale gass-strøm. Den H2-holdige gass-strømmen som ikke blir resirkulert over brenselcellen, blir fortrinnsvis tilbakeført til prosessen, for eksempel som en brenselsgass til H2-fremstillingsenheten, men det er også mulig at gass-strømmen kan tilbakeføres til innløpet til trinn a) eller trinn b). Endelig kan gass-strømmen fjernes eller forbrennes.

Gass-strømmen fra katodekammeret i brenselcellene kan fjernes, eller kan med fordel brukes som en 02-kilde for brenngass i H2-fremstillingsenheten forutsatt at oksygeninnholdet er høyt nok. På denne måte blir den totale energi som er til stede i de forskjellige prosess-strømmer brukt på optimal måte.

Ettersom de konvensjonelle brenselcelle-typene genererer elektrisitet i form av likestrøm, mens mange hovednett for elektrisitet er konstruert for vekselstrøm, kan det være ønskelig, å koble en eletrisitetstilpasser til brenselcellene. En slik tilpasser har ikke bare til oppgave å omforme likestrømmen til vekselstrøm, men kan i tillegg ha en funksjon når det gjelder å beskytte brenselcellen fra plutselige strømendringer og kortslutning. Tilpasningsanordningen kan for eksempel i tillegg omfatte et batteri-buffersystem, med det formål å sikre at brenselcelle-stabelen ikke har problemer med overspenning, noe som kan føre til for store korrosjonshastigheter og dermed forkorte brukstiden.

Oppfinnelsen vedrører også et apparat for utførelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, idet apparatet er kjenne-tegnet ved å omfatte a) en anordning for katalytisk omforming av brennstoff på basis av hydrokarboner til en H2-holdig gass, en anordning for

å kjøle gassen, og fjerne kondenserte produkter fra den,

b) en anordning for å levere den avkjølte gass til en "trykksving"-adsorpsjonsenhet, en anordning for å levere en

renset H2-gass som dannes i denne til en brenselcelle-stabel, og c) en brenselcelle-stabel som omfatter en rekke brensel-celler som er basert på fosforsyre og som hver omfatter et

anodekammer og et katodekammer, idet anodekamrene omfatter anordninger for å levere og fjerne H2-holdig gass, og katodekamrene er forsynt med anordninger for å levere og fjerne 02-holdig gass.

Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet under henvisning til de vedføyde tegninger hvor to flytskjemaer er gitt for å illustrere fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. Beskrivelsen av tegningene og det etterfølgende eksempel må ikke ansees å begrense oppfinnelsen på noen måte, men er gitt bare som en illustrasjon.

Figur 1 viser et generelt flytskjema som illustrerer en foretrukket utførelsesform av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, hvor hydrokarbon-brennstoff blir levert gjennom en ledning 1 til en H2-fremstillingsenhet 2. Gjennom en linje 3 blir brennstoff-gass fra et etterfølgende prosesstrinn levert til enheten 2. Om ønsket, kan ytterligere brennstoff for oppvarmingsformål leveres gjennom en ledning 4. Dette kan være det samme brennstoffet som leveres gjennom ledning 1. Gjennom en ledning 5 blir det levert en 02-holdig gass for forbrenningen av brennstoff-gassen og supplerende brennstoff hvis slikt benyttes.

Den H2-holdige gassen som fremstilles i enheten 2, blir etter avkjølig, separasjon av kondenserte sammensetninger og muligens kompresjon, ført gjennom en ledning 6 til trykksving-adsorps jonsenheten 7. I enheten 7 blir det frembrakt en gass-strøm som består av meget rent H2 og en desorpsjonsgass, som blir tilbakeført som en brennstoff-gass gjennom ledning 3 til enheten 2. Denne enheten kan omfatte et bufferkar for rent H2.

Den meget rene H2-gassen blir levert gjennom en ledning 8 til anodekamrene i en brenselcelle-stabel 9. Gjennom en ledning 10 blir en 02-gass levert til katodekamrene i brenselcelle-stabelen 9. Som et resultat av den elektrokjemiske omdannelse av H2 og 02 til vann, blir det generert elektrisitet som blir fjernet gjennom 11, og varme som blir fjernet gjennom 12 og kanskje brukt i anlegget.

Den H2-gassen som ikke blir brukt, blir fjernet fra stabelen 9 gjennom en ledning 13 og kan tilbakeføres til prosessen. Dette kan for eksempel bevirkes ved kombinasjon med prosess-strømmene 1 eller 6, eller som en brennstoff-gass i kombinasjon med strømmen 3.

Den 02-holdige gassen fra katodekammeret i stabelen 9, kan fjernes eller leveres til enheten 2 gjennom ledningen 5.

Figur 2 viser et flytskjema over en foretrukken utførelsesform av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. Denne foretrukne utførelsesformen vedrører spesielt en ytterligere utvikling av H2-fremstillingsenheten 2 på figur 1. I den følgende beskrivelse vil det bare blir gått inn på de aspekter og referanser som ikke allerede er diskutert i forbindelse med f igur 1.

Brennstoffet som er basert på hydrokarboner, blir levert gjennom ledning 1 til en avsvovlingsanordning 15, hvoretter det avsvovlede brennstoff blir levert gjennom en ledning 16 til en damp-reformeringsanordning 17. Gjennom ledningene 3 og 4 blir brennstoff levert for å frembringe den ønskede temperatur. Gjennom ledninger 5 og 18 blir 02 og damp henholdsvis levert. Gjennom en ledning 19 blir den resulterende CO og H2-gass levert til en vannvekslings-reaktor 20 hvor størsteparten av CO-innholdet blir omdannet til C02 og H2. Om ønsket, kan ytterligere damp leveres gjennom en ledning 21. Den resulterende gass blir deretter levert gjennom en ledning 22, en varmeveksler 23, en utslags-trommel 24 og ledning 6 til trykksving-adsorpsjonsenheten 7. Det kondensat som separeres i utslags-trommelen 24 blir fjernet gjennom en ledning 25.

Eksempel.

Til et anlegg basert på fremgangsmåten ifølge figur 2 og som er forsynt med en brenselcelle på grunnlag av fosforsyre, ble det levert 100 kmol/h med naturgass, med et energiinnhold på 48,972 kJ/kg (minste varmeverdi) . Et damp/karbon-forhold på 3,5 ble brukt i matingen til reformeringsanordningen, mens temperaturen i reformeringsanordningen var 78 0°C og trykket 2,85 bar (absolutt trykk). Metan-slippet var 0,53 % (tørt).

Etter vekslings-reaksjonen, avkjølingen, fjerningen av kondenserte komponenter og kompresjonen, ble 388 kmol/h med hydrogen levert til trykksving-enheten. 310,4 kmol/h med hydrogen ble oppnådd med en renhet på 99,9 % og ført til anodekamrene i brenselcellene, som hadde en arbeidstemperatur på 190°C. Den direkte elektrisitets-produksjon er 11,5 MW, mens 7,8 MW lavtrykksdamp blir generert, som brukes andre steder i anlegget.

Den gass som forlater anodekamrene inneholder omkring 5 % av den leverte H2, slik at omkring 95 % er blitt reagert med 02. Denne gassen blir levert sammen med naturgassen til damp-ref ormeringsanordningen .

Reformerings-anordningen forbrukte 7,8 MW med energi, som stort sett ble levert av desorpsjonsgassen i trykksving-adsorpsjonsenheten. Så lite som 470 kw med energi ble levert av supplerende brennstoff/naturgass. Energiopptaket i reformerings-anordningen var 6,1 MW, dvs. en virkningsgrad på 78 %.

Den totale energiforsyning til anlegget var 22,83 MW. Tatt i betraktning energibehovet for anlegget, slik som gass-kompresjon og pumper, på omkring 2 MW, var anleggets virkningsgrad 41,1 % beregnet som forholdet mellom mengden av AC-elektrisitet som ble fremstilt, og den "laveste varmeverdi" for det tilførte brennstoff (x 100 %). Apparatets virkningsgrad for omforming av likestrøm til vekselstrøm var 99 %.

Claims (15)

1. Fremgangsmåte for konvertering av brennstoff på grunnlag av hydrokarboner til elektrisitet, karakterisert ved følgende trinn: a) katalytisk omforming av brennstoffet til en H2-holdig gass, b) føring av den H2-holdige gass gjennom minst en "trykksving"-adsorpsjonsenhet for å frembringe en ^-gass-strøm med høy renhet, samt en desorpsjonsgass, og c) levering av H2-gass-strømmen med høy renhet til anodekamrene i minst en brenselcelle-stabel som arbeider ved en temperatur på minst 14 0°C, og som består av brenselceller som er basert på fosforsyre, i hvilken stabel elektrisitet blir generert.

2. Fremgangsmåte ifølge krav l, karakterisert ved at brennstoffet er basert på naturgass, LPG, nafta, bensin, biogass, gass fra husholdningsavfall, dieselolje, fyringsolje, lavere alkoholer slik som metanol og/eller gass fra gassifisering av kull, ved og/eller avfall, og fortrinnsvis naturgass.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at en H2- og CO-holdig gass blir konvertert i en vekselreaktor til den H2-holdige gass.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1-3, karakterisert ved at brennstoffet blir konvertert i en damp-reformeringsanordning til en gass som inneholder H2 og CO.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1-4, karakterisert ved at den H2-holdige gass-strøm fra trinn a) blir avkjølt til en temperatur i området mellom 0 og 100°C og ved at den kondenserte væske blir separert fra gassen.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1-5, karakterisert ved at den H2-holdige gass blir levert til "trykksving"-adsorpsjonsenheten hvor hovedsakelig alle urenheter og en del av hydrogenet ved høyt trykknivå i minst en adsorpsjonsenhet blir adsorbert for å danne en H2-gasstrøm med høy renhet, mens de adsorberte komponenter blir desorbert ved et lavere trykknivå for å danne desorpsj onsgassen.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 1-6, karakterisert ved at desorpsjonsgassen blir brukt som en brennstof f gass i den katalytiske omforming av brennstoffet.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 6, karakterisert ved at adsorpsjonsbetingelsene blir valgt slik at H2-gass-strømmen med høy renhet har et H2-innhold på minst 99 volumprosent, fortrinnsvis minst 99,9 volumprosent, og helst minst 99,99 volumprosent.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 1-8, karakterisert ved at adsorpsjonen blir utført ved hjelp av en adsorpsjonsenhet basert på aluminiumoksyd, silisiumoksyd, aktivert karbon, zeolitt og/eller bestanddeler med tilsvarende aktivitet.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 1-9, karakterisert ved at H2-gass-strømmen med høy renhet blir i det minste delvis ført til brenselcelle-enheten gjennom et bufferkar.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 10, karakterisert ved at gassen fra anodekamrene i brenselcellene blir tilbakeført til innløpet for trinn a) eller trinn b).

12. Fremgangsmåte ifølge krav 1 - 11, karakterisert ved at gassen fra katodekamrene i brenselcellene blir brukt ved omformingen av brennstoff til en H2-holdig gass.

13. Fremgangsmåte ifølge krav 1 - 12, karakterisert ved at den varme som frembringes i brenselcelle-stabelene blir fjernet og brukt i trinn a).

14. Fremgangsmåte ifølge krav 1-13, karakterisert ved at den varme som produseres blir omdannet til damp, som om ønsket blir brukt etter overoppvarming, i H2-fremstillingsenheten.

15. Apparat for utførelse av fremgangsmåten ifølge noen av kravene 1 - 14, karakterisert veda) en anordning for katalytisk omforming av brennstoff på grunnlag av hydrokarboner til en H2-holdig gass, en anordning for å avkjøle gassen og fjerne kondenserte produkter fra denne, b) en anordning for å levere den avkjølte gass til en "trykksving"-adsorpsjonsenhet, en anordning for å levere en renset H2-gass som dannes i denne til en brenselcelle-stabel og c) en brenselcelle-stabel som omfatter en rekke brenselceller som er basert på fosforsyre og som hver omfatter et anodekammer og et katodekammer, idet anodekamrene omfatter anordninger for å levere og fjerne H2-holdig gass, og katodekamrene er forsynt med anordninger for å levere og fjerne 02-holdig gass.