RO128289A2 - Hydrogen processor for fuel cell supply - Google Patents
Hydrogen processor for fuel cell supply Download PDFInfo
- Publication number
- RO128289A2 RO128289A2 ROA201100845A RO201100845A RO128289A2 RO 128289 A2 RO128289 A2 RO 128289A2 RO A201100845 A ROA201100845 A RO A201100845A RO 201100845 A RO201100845 A RO 201100845A RO 128289 A2 RO128289 A2 RO 128289A2
- Authority
- RO
- Romania
- Prior art keywords
- hydrogen
- methane
- gas
- processor
- steam
- Prior art date
Links
Abstract
Description
PROCESOR DE HIDROGEN PENTRU ALIMENTAREA PILELOR DE COMBUSTIBILHYDROGEN PROCESSOR FOR FUEL POWER SUPPLY
Descriere:Description:
Prezenta invenție se referă la un procedeu de obținere a hidrogenului ultrapur necesar alimentării pilelor de combustibil, prin reformare autotermă a unui amestec gazos, constând din metan, abur și după caz oxidant, care mai departe este purificat prin utilizarea membranelor selective pe bază de aliaj de paladiu-argint pentru permeația hidrogenului ultrapur.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a process for obtaining the ultrapure hydrogen needed to fuel fuel cells, by autothermal reforming of a gas mixture, consisting of methane, steam and, as the case of oxidant, which is further purified by the use of selective alloy based membranes. palladium-silver for ultrapure hydrogen permeation.
Sunt cunoscute fazele tehnologiei de proces privind reformarea catalitică primară și secundară pentru obținerea unui amestec de gaz reformat ce are în componență în principal H2 ,CO2, CO.The phases of the process technology regarding the primary and secondary catalytic reforming are known to obtain a mixture of reformed gas which mainly comprises H2, CO2, CO.
Este cunoscut un procesor de hidrogen, prezentat în brevetul US 6254839 care descrie un aparat pentru transformarea unui gaz combustibil în hidrogen gaz și dioxid de carbon.A hydrogen processor is disclosed, disclosed in US Pat. No. 6254839, which discloses an apparatus for converting a combustible gas into hydrogen gas and carbon dioxide.
în general brevetele ce descriu diferite concepții de reformere cuprind un tub ce include un catalizator, un al doilea tub dispus circular în legătură cu primul, un combustibil de fracționare configurat pentru a convertii o cantitate de materie primă de hidrocarburi într-un prim amestec de gaze și un al doilea amestec de gaze care este în greutate moleculară medie mai mare decât primul, o linie de alimentare cu abur ce comunică cu primul tub și un conținut de oxigen alimentat cu amestecul de gaze rezultat din primul tub în tubul al doilea.Generally, patents describing different reformer designs comprise a tube including a catalyst, a second tube arranged circularly in connection with the first, a fractionation fuel configured to convert an amount of hydrocarbon feedstock into a first gas mixture. and a second gas mixture which is of average molecular weight greater than the first, a steam supply line communicating with the first tube and an oxygen content fed with the gas mixture resulting from the first tube into the second tube.
în cazul US 6254389 producția de hidrogen a fost de numai 40% raportat la masa molară. Este un obiectiv al prezentei invenții de a crește mult mai mult acest procent. Pe de altă parte obiectivul tehnic de altfel problematic care trebuie soluționat rezidă în aceea că gazul rezultat purificat, respectiv hidrogenul (vector de energie), să poată fi utilizat în totalitate și să nu permită emisii de substanțe fluide în mediul înconjurător.In the case of US 6254389 hydrogen production was only 40% relative to the molar mass. It is an object of the present invention to increase this percentage further. On the other hand, the otherwise problematic technical objective that must be solved lies in the fact that the resulting purified gas, namely hydrogen (energy vector), can be fully utilized and not allow emissions of fluid substances into the environment.
Problema rezolvată de prezenta invenție este de a realiza un procesor compact ușor de implementat, fiabil care să asigure o conversie a metanului în hidrogen pur cât mai completă rezolvată printr-un procedeu care, într-o primă fază, se realizează un gaz de sinteză într-o unitate de reformare unde reacția endotermă se realizează la temperaturi înalte de exemplu 850°C când se utilizează de exemplu catalizator pe bază de aluminiu. Amestecul metan abur se realizează printr-o pompare difuzivă, rezultând un reformat care conține în principal hidrogen și monoxid de carbon.The problem solved by the present invention is to make a compact processor easy to implement, reliable to ensure a conversion of methane into pure hydrogen as completely solved by a process that, in a first phase, a synthesis gas is produced in - a reforming unit where the endothermic reaction is carried out at high temperatures for example 850 ° C when using, for example, aluminum-based catalyst. The methane vapor mixture is made by diffusive pumping, resulting in a reformate containing mainly hydrogen and carbon monoxide.
în continuare fluxul de gaz pătrunde într-o zonă catalitică exotermă care împreună cu un oxidant și vapori de apă se formează un gaz mixt care mai departe este dirijat într-o zonă de purificare avansată. Ca oxidant se folosește aerul preâncălzit la o temperatură aproximativ de 450°C, când se utilizează un catalizator pe bază de fier. Astfel procesul tehnologic este de tip reformare autotermă ce are loc în condițiile unei precise dozări a alimentării cu aer și abur. Astfel trebuie bine determinați catalizatorii utilizați, deoarece trebuie să corespundă atât cerințelor reacției dintre oxidul de carbon și apă de la reformarea catalitică cu vapori cât și procesului de oxidare parțială. Acest proces se realizează cu o altă cameră de amestec prin pompare difuzivă, rezultând în final după trecerea printr-un catalizator adecvat conversia monoxidului de carbon în dioxid de carbon.Further the gas flow enters an exothermic catalytic zone which together with an oxidant and water vapor forms a mixed gas which is further directed into an advanced purification zone. As an oxidant, preheated air is used at a temperature of approximately 450 ° C, when using an iron-based catalyst. Thus, the technological process is of autothermal reforming type that takes place under the conditions of a precise dosage of the air and steam supply. Thus, the catalysts used must be well determined, as they must meet both the requirements of the reaction between carbon oxide and water from the catalytic reforming with vapors and the partial oxidation process. This process is carried out with another mixing chamber by diffusive pumping, finally resulting in the conversion of carbon monoxide into carbon dioxide by a suitable catalyst.
Ο 1 1 - 0 0 8 4 5 -Ο 1 1 - 0 0 8 4 5 -
9 -08- 20119-08-2011
Noul procesor de hidrogen adecvat unui ansamblu de celule de combustibil combină într-un singur dispozitiv o unitate de producere a hidrogenului prin reformarea catalitică a metanului cu abur integrată cu o unitate de purificare a hidrogenului până la un nivel de impurități CO<1 ppm, mai mult decât suficient pentru alimentarea unei pile de combustibil cu membrană schimbătoare de protoni tip PEM.The new hydrogen processor suitable for a fuel cell assembly combines in one device a hydrogen production unit by the catalytic reforming of the methane vapor integrated with a hydrogen purification unit up to a level of CO impurities <1 ppm, more more than enough to power a PEM proton changer membrane fuel cell.
Reformarea compactă cu abur, în conformitate cu prezenta invenție se realizează într-un reactor care este încălzit cu ajutorul unui arzător. Reactorul are un dispozitiv de preâncălzire, cu o rată mare de recuperare a căldurii ce este atribuită arzătorului. Acest lucru crește eficiența procesului de reformare. Controlul temperaturii este posibil prin controlul presiunii de operare la evaporator, respectiv amestecul metan abur din camera de amestec prin pompare difuzivă dar și prin reglarea arderii în camera de ardere.Compact steam reforming according to the present invention is carried out in a reactor which is heated by means of a burner. The reactor has a preheating device, with a high rate of heat recovery attributed to the burner. This increases the efficiency of the reform process. Temperature control is possible by controlling the operating pressure at the evaporator, respectively the methane steam mixture from the mixing chamber by diffusive pumping but also by regulating the combustion in the combustion chamber.
După obținerea unei concentrații suficiente de impurități în procesarea gazului de sinteză se realizează o purificare avansată a hidrogenului folosind membrane pe bază de paladiu, tehnologie dovedită a fi cea mai eficientă în domeniu.After obtaining a sufficient concentration of impurities in the synthesis gas processing, an advanced purification of hydrogen is performed using palladium based membranes, a technology proven to be the most effective in the field.
Membrana de paladiu este de obicei un tub metalic ce cuprinde un strat de aliaj de paladiu-argint depus pe un suport ceramic poros (având micro sau nano-pori), ce are proprietatea unică de a permite trecerea doar a hidrogenului monoatomic prin rețeaua sa cristalină, atunci când este încălzit peste 300° C. Molecula de hidrogen gaz, care vine în contact cu suprafața membranei de paladiu, se disociază în hidrogen monoatomic și trece prin membrană. Pe suprafața cealaltă a membranei, hidrogenul monoatomic se recombină în hidrogen molecular.The palladium membrane is usually a metal tube comprising a palladium-silver alloy layer deposited on a porous ceramic support (having micro or nano-pores), which has the unique property of allowing only monoatomic hydrogen to pass through its crystalline network. , when heated above 300 ° C. The hydrogen gas molecule, which comes in contact with the surface of the palladium membrane, dissociates into monoatomic hydrogen and passes through the membrane. On the other surface of the membrane, monoatomic hydrogen is recombined into molecular hydrogen.
în continuare, se prezintă descrierea detaliată a unui exemplu preferat de realizare a invenției.The following is a detailed description of a preferred embodiment of the invention.
Procesorul de hidrogen potrivit invenției, se compune din mai multe module de manta cu strat izolator pentru menținerea unui gradient de temperatură constant pe fiecare modul în parte ca în figura 1. Pornind de la baza procesorului modulul 41 este destinat pentru reformarea metanului cu abur utilizându-se pentru reacția de conversie endotermă necesară căldura provenită de la un arzător cu flacără caracterizat de existența unei camere de ardere din inox refractar căptușită cu nichel 33, metanul se introduce prin conducta de procesare 1, iar aerul necesar arderii prin conducta 48. Datorită producerii unei scântei la electrodul 47, amestecul metan aer se aprinde generându-se o energie termică necesară mai departe în proces.The hydrogen processor according to the invention is composed of several insulating layer mantle modules for maintaining a constant temperature gradient on each module as in Figure 1. Starting from the processor base module 41 is intended for steam methane reforming using if for the required endothermic conversion reaction the heat from a flame burner characterized by the existence of a refractory stainless steel combustion chamber lined with nickel 33, methane is introduced through the processing pipe 1, and the air required to burn through the pipe 48. Due to the production of a spark at electrode 47, the methane air mixture ignites, generating the required thermal energy further in the process.
Amestecul metan abur pentru reformare se realizează în ejectorul 7, după care este convertit la trecerea prin catalizatorul 37 în gaz de sinteză. Gazul de sinteză este condus datorită presiunii prin zona de flux 30 mai departe printr-un alt ejector 8 care împreună cu oxigenul sau aerul îmbogățit în oxigen este amestecat și pompat printr-un nou catalizator 13. Gazul de sinteză astfel oxidat și trecut prin catalizator adecvat temperaturii de 400uC pătrunde într-o zonă de purificare avansată cu membrane de paladiu 17 (prezentul exemplu este cu trei membrane de paladiu tip tuburi), unde hidrogenul purificat este colectat prin conducta 16.The methane vapor mixture for reforming is made in the ejector 7, after which it is converted to the catalyst 37 through synthesis gas. The synthesis gas is driven by pressure through the flow area 30 further through another ejector 8 which together with the oxygen or oxygen enriched air is mixed and pumped through a new catalyst 13. The synthesis gas thus oxidized and passed through a suitable catalyst at 400 u C temperature it enters an advanced purification zone with palladium membranes 17 (the present example is with three palladium membranes type tubes), where purified hydrogen is collected through the pipe 16.
Parte din fluxul de gaz nepermeat înbogățit în bioxid de carbon se extrage prin 11 și printr-un condensator special se răcește mantaua exterioară a procesorului de hidrogen, iar cu hidrogenul acumulat și dozat corespunzător se alimetează zona de ardere 33 prin conducta 2, reducându-se conținutul de metan pentru ardere. Totodată prin conducta de acces în zona de ardere 3 se facilitează și arderea surplusului de hidrogen de la pila de combustibil tip cu membrană schimbătoare de protoni (PEMFC) pentru care prezenta invenție reprezintă de fapt un generator de hidrogen.Part of the unpermeate gas stream enriched in carbon dioxide is extracted by 11 and through a special condenser the outer shell of the hydrogen processor is cooled, and with the accumulated hydrogen and appropriately dosed, the combustion zone 33 is fed through the pipe 2, reducing methane content for combustion. At the same time, through the access pipe in the combustion zone 3, the combustion of hydrogen surplus from the type fuel cell with proton exchanger membrane (PEMFC) for which the present invention represents is in fact a hydrogen generator.
Schimbătoarele de căldură pentru procesare fluid de lucru 34, 29 sunt de tip tubular în spirală și sunt situate pe traseul gazelor de ardere de temperatuThe heat exchangers for working fluid processing 34, 29 are of a spiral tubular type and are located on the path of the flue gases.
Mandatar autorizatAuthorized representative
Dr. ing. AnghelVasi Prof. univ. dr. Ștefanescu Ioa:Dr. ing. AnghelVasi Prof. univ. Dr. Ștefanescu Ioa:
Dr. fiz. V ari am Mih Dr. ing. Culcer MihDr. Phys. V ari am Mih Dr. ing. Culcer Mih
cr2 π - < - O O 8 4 5 - 2 9 08- ΖΟΠcr2 π - <- O O 8 4 5 - 2 9 08- ΖΟΠ
motiv pentru care traseul 39 va fi căptușit cu un strat de nichel. Schimbătoarele de căldură potrivit zonei de flux 24, 5, respectiv schimbătorul 20, ce procesează apă preâncălzită constituie fiecare în parte câte un economizor de energie termică provenită din gazele de ardere și permit stabilirea temperaturilor determinate de senzorii de temperatură 6, 9, respectiv 15, potrivit tehnologiei de proces, în zona ejectoarelor dispuse decalat pe axa verticală 32.which is why Route 39 will be lined with a nickel coating. The heat exchangers according to the flow zone 24, 5, respectively the exchanger 20, which processes preheated water, each one of them is a thermal energy saver from the flue gases and allows the temperatures determined by the temperature sensors 6, 9 and 15 respectively, according to the process technology, in the area of the ejectors disposed offset on the vertical axis 32.
Un sistem de achiziție adecvat permite controlul debitelor, presiunilor p1ț p2, p3, p4, respectiv temperaturilor t-ι, t2, t3, t4, potrivit regimurilor dinamice determinate în primul rând de alegerea catalizatorilor respectiv membanei de paladiu, adecvat configurației în prealabil a pilei de combustibil tip PEM.An adequate acquisition system allows the control of the flow rates, the pressures p 1 t p 2 , p 3 , p 4 , respectively the temperatures t-ι, t 2 , t 3 , t 4 , according to the dynamic regimes determined first and foremost by the choice of the catalysts and the palladium membrane. , suitable for the prior configuration of the PEM fuel cell.
De exemplu procesorul potrivit prezentei invenții dimensionat la un debit de hidrogen de 1Nm3/h va realiza o conversie a metanului de 78% până la 91%. Unitățile de purificare respectiv cu catalizator pe bază de platină, catalizator pe bază de ruteniu reduc sub 10 ppm CO prin oxidare preferențială iar membrana de paladiu mai departe reduce chiar sub 1% CO, menținându-se o puritate de hidrogen de 99,99% sau mai mult. Prin folosirea unei membrane dense de aliaj pe bază de paladiu se poate produce hidrogen de înaltă puritate de cel puțin 99,999999%.For example, the processor according to the present invention dimensioned at a hydrogen flow rate of 1Nm 3 / h will achieve a methane conversion of 78% to 91%. The purification units respectively with platinum catalyst, ruthenium catalyst reduce below 10 ppm CO by preferential oxidation and palladium membrane further reduces even below 1% CO, maintaining a hydrogen purity of 99.99% or more. By using a dense palladium alloy membrane, high purity hydrogen of at least 99.999999% can be produced.
Deosebit de important pentru procesorul de hidrogen este și soluția adoptată pentru etanșare în mod special pentru zona de permeație, a sistemului de purificare avansată, avându-se în vedere caracterul puternic difuziv al hidrogenului prin materiale, în figura 2 este prezentată o soluție de etanșare a sistemului de membrane cu asigurarea distribuției de flux pe o singură ieșire la partea superioară, respectiv intrare pentru un fluid purtător ca azotul la partea inferioară. Se disting astfel elementele tip garnituri de etanșsare 56 și 54, ce sunt presate prin intermediul piesei tubulare 57, care la rândul ei este presată de reperul 58 care face corp comun cu flanșa 52 prin sudură. De asemenea pentru zona de distribuție sunt prevăzute elementele de etanșare 60, 61 presate prin flanșa de capăt 62.Particularly important for the hydrogen processor is the solution adopted for sealing, especially for the permeation zone, of the advanced purification system, given the strong diffusive character of hydrogen through materials, in Figure 2 a solution of sealing of the hydrogen is presented. membrane system ensuring flow distribution on a single outlet at the top, respectively inlet for a carrier fluid such as nitrogen at the bottom. Thus, the sealing elements 56 and 54 are distinguished, which are pressed through the tubular part 57, which in turn is pressed by the reference 58 which makes common body with the flange 52 through welding. Also for the distribution area are provided the sealing elements 60, 61 pressed through the end flange 62.
Procedeul conform invenției prezintă următoarele avantaje:The process according to the invention has the following advantages:
Procesul de obținere a gazului reformat în procesorul de hidrogen este autotermic, putându-se realiza astfel economii însemnate de energie și reduce costurile de fabricație.The process of obtaining the reformed gas in the hydrogen processor is autothermal, thus being able to achieve significant energy savings and reduce the manufacturing costs.
Procesorul de hidrogen potrivit invenției are avantajul că este compact, ușor de realizat și întreținut dar și calitatea de a realiza un flux stabil de hidrogen purificat prin aceea că se poate facilita reglarea parametrilor tehnologici funcție de consum în timp real.The hydrogen processor according to the invention has the advantage that it is compact, easy to make and maintain but also the quality of achieving a stable flow of purified hydrogen by means of which it can be facilitated to adjust the technological parameters according to the consumption in real time.
Prin folosirea de ejectoare speciale, cu cameră de amestec difuziv, fuidele mixate pot fi procesate mai departe la presiune înalta și viteză redusă facilitându-se astfel mai bine conversia necesară din unitatea de reformare și reducerea monoxidului de carbon.By using special ejectors, with diffuser mixing chamber, the mixed fuels can be further processed at high pressure and low speed thus facilitating the conversion needed from the reforming unit and reducing carbon monoxide.
Prezenta invenție poate fi utilizată pentru alimentarea cu hidrogen a pilelor de combustibil dar reconfigurată de la caz la caz poate fi adaptată și pentru testarea de diferiți catalizatori pentru obținerea hidrogenului cu costuri din ce în ce mai reduse.The present invention can be used for hydrogen fuel cell fuel but reconfigured on a case-by-case basis and can be adapted for testing different catalysts to obtain hydrogen at increasingly lower costs.
\~2 Ο 1 1 - Ο Ο 8 45 - 2 9 -08- 2011\ ~ 2 Ο 1 1 - Ο Ο 8 45 - 2 9 -08- 2011
PROCESOR DE HIDROGEN PENTRU ALIMENTAREA PILELOR DE COMBUSTIBILHYDROGEN PROCESSOR FOR FUEL POWER SUPPLY
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
ROA201100845A RO128289A2 (en) | 2011-08-29 | 2011-08-29 | Hydrogen processor for fuel cell supply |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
ROA201100845A RO128289A2 (en) | 2011-08-29 | 2011-08-29 | Hydrogen processor for fuel cell supply |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RO128289A2 true RO128289A2 (en) | 2013-04-30 |
Family
ID=48170252
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
ROA201100845A RO128289A2 (en) | 2011-08-29 | 2011-08-29 | Hydrogen processor for fuel cell supply |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RO (1) | RO128289A2 (en) |
-
2011
- 2011-08-29 RO ROA201100845A patent/RO128289A2/en unknown
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CA2109655A1 (en) | Combined reformer and shift reactor | |
US20210395085A1 (en) | Hydrogen Production with Membrane Reactor | |
JP5085358B2 (en) | Solid oxide fuel cell-hydrogen production system | |
US20030046867A1 (en) | Hydrogen generation | |
JP2012530352A5 (en) | ||
CN101540410B (en) | Natural gas hydrogen production and proton-exchange film fuel cell integrated generation method and device thereof | |
KR20210103677A (en) | Hydrogen Reforming System | |
US20060137246A1 (en) | System and method for hydrogen production | |
Giaconia et al. | Development of a solar-powered, fuel-flexible compact steam reformer: The CoMETHy project | |
WO2006080544A1 (en) | Apparatus and method for hydrogen generation | |
CN111344249A (en) | Hydrogen generating apparatus | |
US9725662B2 (en) | Method and membrane module for the energy-efficient oxygen generation during biomass gasification | |
Chen et al. | Methanol partial oxidation accompanied by heat recirculation in a Swiss-roll reactor | |
JP6974402B2 (en) | Plants that consume reformed gas and methods for reforming raw material gas | |
KR101472767B1 (en) | Carbon monoxide gas generation apparatus and method | |
WO2023089571A1 (en) | Method for hydrogen production | |
US10513435B2 (en) | Systems and methods for controlling on-board generation and use of hydrogen fuel mixtures | |
CN201402833Y (en) | Battery integration generating device based on natural-gas-prepared hydrogen and proton exchange membrane fuel | |
JP6719915B2 (en) | Fuel cell-hydrogen production system and operating method thereof | |
JP2007164989A (en) | Method of combination of solid oxide type fuel cell and hydrogen manufacturing process | |
RO128289A2 (en) | Hydrogen processor for fuel cell supply | |
JP2022076978A (en) | System and method for processing off-gas discharged from fuel cell | |
KR101015906B1 (en) | Natural gas reformer for fuelcell with high thermal efficiency | |
JP2016184550A (en) | Gas manufacturing apparatus | |
CN220745386U (en) | Natural gas hydrogen production equipment |