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DE10041712A1 - Autotherme Brenngaserzeugungseinheit für Brennstoffzellen - Google Patents

Autotherme Brenngaserzeugungseinheit für Brennstoffzellen

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Publication number
DE10041712A1
DE10041712A1 DE10041712A DE10041712A DE10041712A1 DE 10041712 A1 DE10041712 A1 DE 10041712A1 DE 10041712 A DE10041712 A DE 10041712A DE 10041712 A DE10041712 A DE 10041712A DE 10041712 A1 DE10041712 A1 DE 10041712A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
reforming
shift reaction
temperature shift
gas
unit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE10041712A
Other languages
English (en)
Inventor
Frank Seyfried
Ingo Drescher
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Volkswagen AG filed Critical Volkswagen AG
Priority to DE10041712A priority Critical patent/DE10041712A1/de
Publication of DE10041712A1 publication Critical patent/DE10041712A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Reformierungsanlage (1), insbesondere zur Erzeugung eines wasserstoffreichen Gases aus einem kohlenwasserstoffhaltigen Gemisch, die eine Reformierungseinheit (2) zur Durchführung einer Reformierungsreaktion, durch die ein CO-haltiges Reformatgas erhalten wird, eine Hochtemperatur-Shiftreaktionseinheit (41), zur ersten Umsetzung von dem im zugeführten Reformatgas enthaltenen Kohlenmonoxid, einen Wärmeaustauscher (43) und eine Niedertemperatur-Shiftreaktionseinheit (42) zur weiteren Umsetzung des Kohlenmonoxids und Erzeugung von Wasserstoff umfasst, wobei die Hochtemperatur-, die Niedertemperatur-Shiftreaktionseinheit (41, 42) und der Wärmeaustauscher (43), die der Reformierungseinheit (2) nachgeschaltet sind, in einem Konvertierungsreaktor (4) zusammengefasst sind. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Reformierung eines kohlenwasserstoffhaltigen Gases.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Reformierungsanlage, insbesondere zur Erzeugung eines wasserstoffreichen Gasgemisches aus einem kohlenwasserstoffhaltigen Gemisch sowie ein Reformierungsverfahren.
Insbesondere in der Automobilindustrie ist die Verwendung von Wasserstoff zur Erzeugung elektrischer Energie mittels Brennstoffzellen bekannt. Der Wasserstoff, der für diese Verwendung benötigt wird kann aus einem flüssigen Kraftstoff gewonnen werden. Insbesondere finden Kohlenwasserstoffe, wie beispielsweise Benzin oder Diesel Anwendung. Der Wasserstoff wird aus diesen Kraftstoffen in sogenannten Reformem erhalten. In diesem Reformer wird der Kraftstoff in Kohlendioxid bzw. Kohlenmonoxid und Wasserstoff umgewandelt. Das Produkt des Reformers ist somit ein wasserstoffreiches Gas, welches in der Brennstoffzelle schadlos in Strom umgesetzt werden kann.
Aufgrund der Zusammensetzung der Kraftstoffe sind mehrere Verfahrensschritte notwendig, um ein wasserstoffreiches Gas zu erhalten, das für den Einsatz in Brennstoffzellen geeignet ist. Der erste Schritt ist in der Regel die Reaktion von Kohlenwasserstoff mit Luft und Wasserdampf, z. B. in einer sogenannten ATR (Autothermal Reforming). Diese wird vorzugsweise unter katalytischer Einwirkung durchgeführt und ermöglicht die Umwandlung des Kraftstoffes in ein Gasgemisch, das reich an Wasserstoff und Kohlenmonoxid ist. Da die Rohstoffe in der Regel alle einen gewissen Prozentsatz an Schwefel enthalten, der in einigen Prozess-Stufen als Katalysatorgift wirken würde, wird der Schwefel entweder vor dem Einleiten in den ATR- Reaktor oder spätestens im Anschluss daran durch Schwefeladsorption von dem Gasgemisch getrennt.
Um den Kohlenmonoxid-Gehalt des Reformatgases zu reduzieren und den Wasserstoffgehalt zu erhöhen wird das entschwefelte Gas dann einer sogenannten Wasser-Shift-Reaktion unterworfen, die sich durch folgenden formelmäßigen Zusammenhang ausdrücken lässt:
CO + H2O ⇔ CO2 + H2; Δ H0 = -42 kJ/mol.
Diese Shift-Reaktion ist exotherm. Durch die thermodynamischen Bedingungen wird bei niedrigeren Temperaturen verstärkt Wasserstoff erzeugt. Das Shift-Gleichgewicht ist also von der Temperatur abhängig und ergibt bei geringen Temperaturen einen größeren Gleichgewichtsumsatz. Dieser thermodynamischen Tatsache steht die Kinematik, d. h. die Geschwindigkeit mit der die Shift-Reaktion abläuft, entgegen. Mit zunehmender Temperatur wird die Reaktionsgeschwindigkeit beschleunigt, so dass in einem kleinen Reaktor viel Wasserstoff erzeugt werden kann. Dieser Problematik wird normalerweise durch den Einsatz eines geeigneten Katalysators und die Aufteilung der Shift-Reaktion in zwei Reaktoren entgegengewirkt:
  • 1. Ein Hochtemperatur-Shift wird durchgeführt. Hierbei wird bei thermodynamisch ungünstigen Bedingungen eine hohe Kinetik, d. h. ein sehr schneller Ablauf der Shift-Reaktion eingestellt. In einem relativ kleinen Reaktor wird der Großteil des Kohlenmonoxids (CO) in Wasserstoff umgesetzt.
  • 2. Ein Niedertemperatur-Shift wird durchgeführt. Hierbei werden bei möglichst tiefen Temperaturen günstige thermodynamische Bedingungen eingestellt. Ein wesentlich kleinerer Anteil des CO als im Hochtemperatur-Shift-Reaktor kann jetzt bei kinetisch ungünstigen Bedingungen umgesetzt werden, um das wesentlich günstigere Shift-Gleichgewicht einzustellen.
Um das Gasgemisch von einer Shift-Stufe in die andere überleiten zu können, ist es erforderlich, dass dieses einer Abkühlung unterworfen wird. Dies wird in der Regel durch einen Wärmeaustausch nach dem Hochtemperatur-Shift erzielt, bei dem das Gasgemisch auf die Temperatur des Niedertemperatur-Shifts abgekühlt wird. Die katalytischen Prozesse in der Hoch- und der Niedertemperatur-Shiftstufe sowie der Wärmetausch laufen bei herkömmlichen Verfahren nacheinander in separaten Apparaten ab. Nach Verlassen des Niedertemperatur-Shiftreaktors kann das Gasgemisch einer selektiven Oxidation unterzogen werden, wo es mit Luft gemischt wird um das verbleibende Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid zu oxidieren.
Obwohl die Prozessgrößen, wie die Temperatur, je nach Einsatzkraftstoff und verwendeten Katalysatoren unterschiedlich sind, sind die Abfolge und die Verfahrensschritte von den Prozessgrößen und von der Art des verwendeten Kohlenwasserstoffes unabhängig.
Dies bedeutet, das unabhängig vom verwendeten Kraftstoff eine erhebliche Anzahl an Reaktoren zur Verfügung gestellt werden muss, was insbesondere bei den limitierten Platzverhältnissen eines Fahrzeuges nachteilig ist. Weiterhin müssen die entsprechenden Gase durch Leitungen von und zu den einzelnen Reaktoren geführt werden. Da Leitungen aber störanfällig seien können ist die Notwendigkeit der Durchführung der verschiedenen Shift-Reaktionen von Nachteil.
Darüber hinaus wird bei den meisten Verfahren des Standes der Technik eine Wärmequelle für die Wärmezufuhr zu der Brenngaserzeugungseinheit benötigt. So werden beispielsweise Teile der Rohstoffe verwendet, um durch Verbrennung Wärme zu erzeugen, oder der durch das Verfahren hergestellte Wasserstoff wird für die Wärmeerzeugung teilweise verwendet.
Aufgabe der Erfindung ist es daher eine Reformierungsanlage zu schaffen, die zum einen einen geringeren Platzbedarf gegenüber den Anlagen des Standes der Technik aufweist und zum anderen eine ideale Wärmeausnutzung der Prozessreaktionen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Reformierungsanlage, wie in Anspruch 1 definiert gelöst. Demnach umfasst die Reformierungsanlage, die insbesondere zur Erzeugung eines wasserstoffreichen Gases aus einem kohlenwasserstoffhaltigen Gemisch dient, eine Reformierungseinheit zur Durchführung einer Reformierungsreaktion, durch die ein CO-haltiges Reformatgas erhalten wird, eine Hochtemperatur-Shiftreaktionseinheit, zur ersten Umsetzung von dem im zugeführten Reformatgas enthaltenen Kohlenmonoxid, einen Wärmeaustauscher, und eine Niedertemperatur-Shiftreaktionseinheit zur weiteren Umsetzung des Kohlenmonoxids und Erzeugung von Wasserstoff, und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Hochtemperatur-, die Niedertemperatur-Shiftreaktionseinheit und der Wärmeaustauscher, die der Reformierungseinheit nachgeschaltet sind, in einem Konvertierungsreaktor zusammengefasst sind.
Die Hochtemperatur- und Niedertemperatur-Shifteinheiten können in der erfindungsgemäßen Anlage hintereinander in dem Reaktor angeordnet sein. Es liegt aber auch im Sinne der Erfindung die Einheiten nebeneinander durch geeignete Mittel thermisch getrennt anzuordnen. Hierdurch kann die Gesamtlänge des Reaktors verkürzt werden.
Bei der erfindungsgemäßen Anlage laufen somit die drei verfahrenstechnischen Prozesse des Hochtemperatur-Shifts, des Wärmeaustausches und des Niedertemperatur-Shifts in einem einzigen Apparat gleichzeitig ab. Der Platzbedarf für die erfindungsgemäße Anlage ist daher wesentlich verringert. Darüber hinaus können durch das gleichzeitige Ablaufen der verschiedenen chemischen Reaktionen und des Wärmeaustausches in einem einzigen Apparat die thermischen Bedingungen der einzelnen Reaktionen ideal genutzt werden. Die Anlage weist darüber hinaus eine erhebliche Flexibilität auf. Durch die Zusammenfassung der Shiftreaktionen in einem Apparat kann die räumliche Länge der einzelnen Shift-Stufen leicht angepasst werden, ohne, dass es einer apparativen Änderung bedarf. Die Anpassung kann in der erfindungsgemäßen Anlage durch Temperatureinstellungen erfolgen.
Die Hochtemperatur-Shiftreaktion wird in der Regel, abhängig von dem eingesetzten Kraftstoff bei Temperaturen von T < 250°C, in der Regel bei Temperaturen zwischen 300°C bis 500°C durchgeführt, um eine schnelle Reaktion in dieser Verfahrensstufe erzielen zu können. Darüber hinaus verläuft die Wasser-Shift-Reaktion exotherm. Das Gas das diesen Verfahrensschritt verlässt muss somit vor dem Einbringen in die nächste Verfahrensstufe, dem Niedertemperatur-Shift, der bei Temperaturen von 200°C durchgeführt wird, abgekühlt werden. Diese Kühlung erfolgt in der erfindungsgemäßen Anlage in dem Konvertierungsreaktor, d. h. durch eine integrierte Wärmeübertragung, in dem gleichen Reaktor, in dem die Shiftreaktionen ausgeführt werden.
Diese Zusammenfassung der verfahrenstechnischen Prozesse in einem Reaktor bringt den Vorteil, dass die Reformierungseinheit und der Konvertierungsreaktor wärmetechnisch gekoppelt werden können. Diese Kopplung unterscheidet sich erheblich von der bei herkömmlichen Anlagen gegebenen Weiterleitung von Wärme durch die Produktgase der Reformierungseinheit in den Konvertierungsreaktor.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage ist vielmehr der Konvertierungsreaktor mit der Eduktgaszuführung der Reformierungseinheit wärmetechnisch gekoppelt. Es kann zum einen die, bei der Abkühlung des Reaktionsgases der Hochtemperatur-Shiftreaktion freiwerdende Energie, in dem Konvertierungsreaktor zum Aufheizen des Eduktgases für die vorgeschaltete Reformierungsstufe verwendet werden. Zum anderen kann die bei den Shift-Reaktionen erzeugte Wärmetönung für die Behandlung des Eduktgases für die Reformierungsstufe verwendet werden.
Besonders bevorzugt stellt der Wärmetauscher des Konvertierungsreaktors einen Verdampfer oder einen Überhitzungsteil dar. Dieses kann sowohl die Wärme, die beim Abkühlen des Gases der Hochtemperatur-Shiftreaktion freigesetzt wird, als auch die Reaktionswärme der Shiftreaktionen verwenden. Somit weist der Konvertierungsreaktor eine integrierte Wärmeübertragung in Form eines Verdampfers und Überhitzerteiles auf. Die Eduktgase, die in diesem Wärmetauscher überhitzt und verdampft werden sollen sind vorzugsweise Wasser und Luft. Durch die mögliche Wasserverdampfung kann ein Temperaturverlauf im Konvertierungsreaktor erzielt werden, der einem Siedewasserreaktor entspricht. Die Produkt-Gase der Reformierungseinheit durchlaufen nach einer kurzen Verweilzeit bei höheren Temperaturen (T < 250°C) einen sehr großen Bereich mit niedriger Temperatur.
Dieses Verweilzeitverhalten entspricht genau den Erfordernissen für die Shiftreaktionen. Bei hohen Temperaturen läuft die Reaktion sehr schnell ab. Es bedarf nur einer kleinen Verweilzeit, um Umsätze zu realisieren. Bei hohen Temperaturen ist jedoch das chemische Gleichgewicht der Shift-Reaktion für den Betrieb der Brennstoffzelle ungünstig. Dies liegt an der noch zu hohen Konzentration an Kohlenmonoxid. Bei niedrigen Temperaturen liegt das thermodynamische Gleichgewicht bei wesentlich kleineren CO-Konzentrationen und ist daher erstrebenswert. Bei niedrigeren Temperaturen läuft aber die Reaktion wesentlich langsamer ab, so dass die Gase eine längere Verweilzeit benötigen. Genau dieses Verhalten wird in dem Konvertierungsreaktor mit Wärmetausch erreicht.
Die Wärmebilanz der Reformierungsanlage kann erfindungsgemäß weiterhin unter Verwendung der in dem Reformatgas, das als Produktgas die Reformierungseinheit verlässt, gespeicherten Wärmeenergie verbessert werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Reformierungseinheit eine Eduktgas-Zuführung und eine Produktgas-Abführung auf, die wärmetechnisch so gekoppelt sind, dass die Eduktgase durch die Produktgase erwärmt werden. Die Reformierungsstufe wird normalerweise mit Temperaturen von 750°C betrieben. Das Produktgas dieser autothermen Reformierung weist also eine wesentlich höhere Temperatur auf, als die für die Schwefeladsorptionsreaktion einzustellende Temperatur, die abhängig von dem verwendeten Kraftstoff 500°C betragen kann.
Die Kühlung des Produktgases der Reformierungseinheit auf die Betriebstemperaturen des Schwefeladsorptionsreaktors und des Shiftreaktors wird, wie die oben beschriebene Wärmetönung durch die exothermen Shiftreaktionen, für die Verdampfung und Überhitzung der Eduktgase der Reformierungseinheit genutzt. Mit dieser Wärmeverschaltung kann die gesamte Reformierungsanlage autotherm arbeiten. Die gesamte Reformierungsanlage kommt ohne äußere Wärmezufuhr oder Abfuhr aus. Dies hat den Vorteil, dass der in den Abgasen einer der Reformierungsanlage nachgeschalteten Brennstoffzelle, anfallende Wasserstoff für anderen Aggregate verwendet werden kann.
Zweckmäßigerweise weist der Konvertierungsreaktor mindestens eine Zuführungsvorrichtung für Wasser und/oder Luft auf. Durch diese können die Eduktgase für die Reformierungseinheit der Anlage in den Konvertierungsreaktor eingebracht werden, wo sie in dem Verdampfer und Überhitzungsteil verdampft werden. Diese Zuführungsvorrichtung ist daher mit dem Verdampfer und Überhitzungsteil des Konvertierungsreaktors verbunden. Dieser Bestandteil des Konvertierungsreaktors kann als Rohr durch den Konvertierungsreaktor führen. Es liegt aber auch im Sinne der Erfindung den Verdampfer und Überhitzungsteil als Ummantelung des Konvertierungsreaktors auszugestalten.
Weiterhin wird dem Konvertierungsreaktor an mindestens einer Stelle unmittelbar Wasser zugeführt, das in der Wasser-Shift-Reaktion mit dem Kohlenmonoxid des Reformatgases der Reformierungseinheit reagiert und dadurch Kohlendioxid und Wasserstoff erzeugt wird. Durch diese Wassereinbringung kann das Temperaturprofil durch geeignete Wahl der Wassertemperatur und des Einbringungsortes entlang des Reformatgasstroms in dem Konvertierungsreaktor zusätzlich beeinflusst werden.
Die erfindungsgemäße Anlage kann weiterhin eine Selox-(selektive Oxidations-)Stufe aufweisen. Diese ist entweder dem Konvertierungsreaktor nachgeschaltet, oder bildet einen Teil davon.
Der Konvertierungsreaktor kann verschiedene Formen aufweisen, insbesondere kann der darin verwendete Katalysator unterschiedlich vorgesehen sein. Vorzugsweise wird aber ein Reaktor verwendet, in dem der Katalysator als Beschichtung vorliegt. Diese Beschichtung kann auf Blechen, Netzen oder Schäumen sowie keramischen Trägem vorgesehen sein, die von dem Reaktionsgemisch durchströmt werden. Die in die einzelnen Shiftreaktionsbereiche (Hochtemperatur und Niedrigtemperatur) eingebrachten Katalysatoren können sich hinsichtlich des Katalysatormaterials und der Einbringungsform unterscheiden.
Vorzugsweise ist dem erfindungsgemäßen Reformierungsanlage eine Brennstoffzelle unmittelbar nachgeschaltet.
Das Reformierungsverfahren für Kohlenwasserstoffgemische gemäß der Erfindung, das in der erfindungsgemäßen Reformierungsanlage durchgeführt werden kann umfasst zumindest die Schritte der Reformierung des kohlenwasserstoffhaltigen Gemisches, der CO-Umwandlung durch Hochtemperatur-Shiftreaktion, eines Wärmeaustausches des Reaktionsproduktes der Hochtemperatur-Shiftreaktion und Wasser oder einem Luft-/Wasser­ gemisch, einer CO-Umwandlung durch Niedertemperatur-Shiftreaktion und ist dadurch gekennzeichnet, dass die CO-Umwandlung in der Hoch und der Niedertemperatur-Shiftreaktion, und der Wärmeaustausch gleichzeitig in einem Reaktor ablaufen.
Bei diesem Verfahren kann das Eduktgas für den Reformierungsschritt zumindest teilweise durch die Reaktionsenergie der Shift-Reaktion erwärmt werden und so eine wärmetechnische Kopplung der Reformierungseinheit und dem Konvertierungsreaktor erzielt werden.
Weiterhin kann das Eduktgas für den Reformierungsschritt zumindest teilweise durch das Produktgas des Reformierungsschrittes erwärmt werden.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann aufgrund der Zusammenfassung der chemischen Reaktionen der Shift-Stufen und des Wärmetauschers in einem Reaktor der Temperaturverlauf der Shiftreaktionen durch die Verdampfung von Wasser oder wasserhaltigen Gemischen eingestellt werden. Die Verdampfung und Überhitzung des Wassers oder wasserhaltigen Gemisches, das als Edukigas für den Reformierungsschritt dient, kann in dem Konvertierungsreaktor im Gegenstromverfahren erfolgen. Der Eduktgasstrom kann in diesem Reaktor dem Produktgasstrom der Reformierungseinheit entgegengesetzt verlaufen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 eine schematische Darstellung der ertindungsgemäßen Reformierungsanlage mit nachgeschalteter Brennstoffzelle,
Fig. 2 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Reformierungsanlage.
In der in Fig. 1 dargestellten Form umfasst die Reformierungsanlage 1 eine Reformierungseinheit 2, die einen ATR-Reaktor darstellen kann und vorzugsweise einen Monolithkatalysator aufweist. Die Anlage 1 kann weiterhin eine Entschwefelungseinheit 3, z. B. in Form einer Schwefeladsorptionseinheit aufweisen. Diese Einheit 3 kann gegebenenfalls entfallen, wenn das der Reformierungseinheit 2 zugeführte Gas bereits entschwefelt wurde. In Strömungsrichtung des Produktgases schließt sich an die gegebenenfalls vorgesehene Entschwefelungseinheit 3 der Konvertierungsreaktor 4 an. In diesem wird aufgrund des Temperaturverlaufes und gegebenenfalls vorgesehenen unterschiedlichen Katalysatoren eine Hochtemperatur-Shifteinheit 41 und eine Niedertemperatur-Shifteinheit 42 gebildet. Weiterhin weist der Konvertierungsreaktor einen in diesen integrierten Wärmeaustauscher 43 auf. An dem Konvertierungsreaktor 4 ist über die Produktgasströmungslänge mindestens eine Wasserzuführung 44 vorgesehen. Sofern eine Selektive Oxidationseinheit 5 nicht in dem Konvertierungsreaktor 4 integriert ist kann sich diese daran anschließen.
Der Reformierungsanlage 1 ist in der Regel eine Brennstoffzelle 6 nachgeschaltet, in der das wasserstoffreiche Gas in elektrische Energie umgesetzt wird. Der in dem Abgas der Brennstoffzelle enthaltene Wasserstoff kann anderen Verwendungen zugeführt werden. Er kann aber auch beispielsweise der Reformierungseinheit, die als katalytischer Brenner ausgestaltet sein kann, zugeführt werden.
Zwischen der Reformierungseinheit 2 und der gegebenenfalls nachgeschalteten Entschwefelungseinheit 3 oder dem Konvertierungsreaktor 4 kann ein Wärmeaustauscher 7 vorgesehen sein, der es ermöglicht einen Teil, der in dem Produktgas der Reformierungseinheit 2 enthaltene Wärmeenergie, auf das Eduktgas der Reformierungseinheit 2 zu übertragen.
Das Verfahren zur Herstellung eines wasserstoffreichen Gases aus einem Kohlenwasserstoff Gemisch kann mit der dargestellten Reformierungsanlage 1 wie folgt durchgeführt werden.
Der umzuwandelnde Kraftstoff wird in die Reformierungseinheit 2, vorzugsweise vorgeheizt, eingeführt. In oder vor der Reformierungseinheit 2 wird der Kraftstoff mit einem Wasserdampf/Luft-Gemisch vermischt. Dieses so erhaltene Gasgemisch durchläuft die Reformierungseinheit 2, wobei ein Reformatgas gebildet wird, das zum Grossteil aus Wasserstoff besteht, allerdings auch einen gewissen Gehalt an Kohlenmonoxid aufweist. Nach Verlassen der Reformiereinheit 2 wird dieses Produktgas mit einem später zu beschreibenden Wasser-Luft-Gemisch in einem Wärmeaustauscher 7 in Kontakt gebracht.
Das so abgekühlte Gas kann gegebenenfalls einer Entschwefelungsanlage 3 zugeführt werden und wird im Anschluss daran bei Temperaturen von 300 bis 500°C in den Konvertierungsreaktor 4 eingeführt. Hier durchläuft das Reformatgas zunächst die Hochtemperatur-Shiftreaktionseinheit 41, wo es die durch die exotherme Reaktion erhaltene Wärme an den Wärmeaustauscher 43 abgeben kann, in dem ein Luft/Wassergemisch, das als Eduktgas für die Reformierungseinheit 2 dienen soll, geführt wird. Durch den Wärmeaustausch wird das Reformatgas weiter gekühlt und tritt in die Niedertemperatur-Shiftreaktionseinheit 42 ein wo Kohlendioxid und Wasserstoff gebildet werden. Gleichzeitig erhitzt diese Shift-Reaktion das Wasser/Luftgemisch in dem Wärmeaustauscher 43, wodurch ein Temperaturverlauf, der dem eines Siedewasserreaktors gleicht, in dem Konvertierungsreaktor 4 erzeugt wird. Beim Durchlaufen des Konvertierungsreaktors wird dem Reformatgas an mindestens einer Stelle 44 Wasser für die Wasser-Shift-Reaktion zugesetzt. Anschließend verlässt das Gas den Konvertierungsreaktor 4 und tritt in eine separat vorgesehene, oder noch in dem Konvertierungsreaktor oder in der Brennstoffzelle integrierte selektiere Oxidationseinheit 5, ein.
Das dem Wärmeaustauscher 43 zugeführte Wasser oder Wasser/Luftgemisch wird durch die Temperaturtönung aufgrund der Shift-Reaktion und der Wärme durch das Abkühlen des Reformatgases in dem Konvertierungsreaktor verdampft und überhitzt. Anschließend kann das Dampfgemisch einem weiteren Wärmetauscher 7 zugeführt werden, wo weitere Wärmeenergie eingebracht wird. Von dort gelangt das Gemisch dann zu der Einlassseite der Reformierungseinheit 2, wo es entweder vor dem Eintritt in die Reformierungseinheit 2 mit dem Kohlenwasserstoff-Kraftstoff vermischt wird.
In Fig. 2 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Reformierungsanlage 1 gezeigt, wobei dieser eine Brennstoffzelle 6 nachgeschaltet ist.
Vor der Reformierungseinheit 2 ist eine Erwärmungsvorrichtung 8 vorgesehen, die beispielsweise eine Drallkammer, bzw. ein Drallrohr darstellen kann und dazu dient den Kraftstoff, der der Reformierungseinheit zugeführt werden soll zu erhitzen. An diese Vorrichtung schließt sich die Reformierungseinheit 2, die in Fig. 2 als katalytische Brennkammer dargestellt ist. Schließlich weist die dargestellte Ausführungsform einen Konvertierungsreaktor 4 auf, dem an dem stromabwärtigen Ende des Konvertierungsreaktors 4 ein Wasser-Luft-Gemisch zugeführt wird, das in dem integrierten Wärmeaustauscher 43 verdampft und überhitzt wird und dann der Reformierungseinheit 2 zugeführt wird. Das wasserstoffreiche Produktgas des Konvertierungsreaktors 4 wird der Brennstoffzelle 6 zugeführt und der in dem Abgas der Brennstoffzelle enthaltene Wasserstoff kann zumindest teilweise dem katalytischen Brenner 2 zugeführt werden.
Der Temperaturverlauf in der erfindungsgemäßen Anlage kann beispielsweise wie folgt sein. Die Reformierung ist vorzugsweise eine autotherme Reformierung mit monolithischen Katalysator und wird bei etwa 650°C durchgeführt. In dem Konvertierungsreaktor 4 wird das Produktgas der Reformierung auf 150°C abgekühlt und schließlich auf die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle (80°C) gebracht werden.

Claims (11)

1. Reformierungsanlage (1), insbesondere zur Erzeugung eines wasserstoffreichen Gases aus einem kohlenwasserstoffhaltigen Gemisch, die
eine Reformierungseinheit (2) zur Durchführung einer Reformierungsreaktion, durch die ein CO-haltiges Reformatgas erhalten wird,
eine Hochtemperatur-Shiftreaktionseinheit (41), zur ersten Umsetzung von dem im zugeführten Reformatgas enthaltenen Kohlenmonoxid,
einen Wärmeaustauscher (43), und
eine Niedertemperatur-Shiftreaktionseinheit (42) zur weiteren Umsetzung des Kohlenmonoxids und Erzeugung von Wasserstoff,
umfasst,
dadurch gekennzeichnet, dass die Hochtemperatur-, die Niedertemperatur- Shiftreaktionseinheit (41, 42) und der Wärmeaustauscher (43), die der Reformierungseinheit (2) nachgeschaltet sind, in einem Konvertierungsreaktor (4) zusammengefasst sind.
2. Reformierungsanlage gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Konvertierungsreaktor (4) mit der Eduktgaszuführung der Reformierungseinheit (2) wärmetechnisch gekoppelt ist.
3. Reformierungsanlage gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Konvertierungsreaktor (4) eine integrierte Wärmeübertragung in Form eines Verdampfers und/oder eines Überhitzerteils (43) aufweist.
4. Reformierungsanlage gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reformierungseinheit (2) eine Eduktgas-Zuführung und eine Produktgas-Abführung aufweist, die wärmetechnisch gekoppelt sind, so dass die Eduktgase durch die Produktgase erwärmt werden.
5. Reformierungsanlage gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Konvertierungsreaktor (4) mindestens eine Zuführungsvorrichtung (44) für Wasser und/oder Luft aufweist.
6. Reformierungsanlage gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Konvertierungsreaktor (4) weiter eine Selox-Stufe (5) umfassen kann.
7. Reformierungsanlage gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Konvertierungsreaktor (4) einen Reaktor mit katalytischer Beschichtung aufweist.
8. Reformierungsverfahren für Kohlenwasserstoffgemische, das zumindest die Schritte der
Reformierung des kohlenwasserstoffhaltigen Gemisches,
CO-Umwandlung durch Hochtemperatur-Shiftreaktion,
Wärmeaustausch des Reaktionsproduktes der Hochtemperatur-Shiftreaktion und Wasser oder einem Wasser/Luftgemisch, und
CO-Umwandlung durch Niedertemperatur-Shiftreaktion
umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die CO-Umwandlung in der Hoch- und der Niedertemperatur-Shiftreaktion, und der Wärmeaustausch gleichzeitig in einem Reaktor (4) ablaufen.
9. Reformierungsverfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Eduktgas für den Reformierungsschritt zumindest teilweise durch die Reaktionsenergie der Shiftreaktionen erwärmt wird.
10. Reformierungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Eduktgas für den Reformierungsschritt zumindest teilweise durch das Produktgas des Reformierungsschrittes erwärmt wird.
11. Reformierungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 8, 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturverlauf der Shiftreaktionen durch die Verdampfung von Wasser oder wasserhaltigen Gemischen eingestellt wird.
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