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DE102006019406A1 - Selektiver Oxidations-Reaktor zur Kohlenmonoxidfeinreinigung - Google Patents

Selektiver Oxidations-Reaktor zur Kohlenmonoxidfeinreinigung Download PDF

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DE102006019406A1
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tubes
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Jens Dr. Mathiak
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Zentrum fur Brennstoffzellen-Technik GmbH
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ZENTRUM fur BRENNSTOFFZELLEN
Zentrum fur Brennstoffzellen-Technik GmbH
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Abstract

Bei einem selektiven Oxidations-Reaktor zur Kohlenmonoxidfeinreinigung eines den Reaktor durchströmenden Gasgemisches soll eine kompakte Kohlenmonoxidfeinreinigungsstufe bereitgestellt werden. Dies wird dadurch erreicht, dass der selektive Oxidations-Reaktor zumindest drei im Wesentlichen koaxial angeordnete Rohre mit unterschiedlichen Radien und eine die mindestens drei Rohre arretierende Haltevorrichtung, wobei ein ein Kühlmittel führendes erstes der mindestens drei Rohre mit mindestens einem das Kühlmittel führenden zweiten der mindestens drei Rohre in fluidführender Leitungsverbindung stehen und ein einen Katalysator aufweisendes und von dem Gasgemisch durchströmbares drittes der mindestens drei Rohre angeordnet ist, umfasst.

Description

  • Gegenstand der Erfindung ist ein selektiver Oxidations-Reaktor zur Kohlenmonoxidfeinreinigung, ein Reformer-Brennstoffzellen-System mit einem solchen selektiven Oxidations-Reaktor sowie ein Verfahren zur Kohlenmonoxidfeinreinigung mittels eines solchen selektiven Oxidations-Reaktors.
  • Es ist bekannt, dass durch Dampf-Reformieren von Kohlenwasserstoffen, insbesondere von Methan als Hauptbestandteil von Erdgas, ein wasserstoffhaltiges Produktgas hergestellt werden kann. Die Wasserdampf-Reformierung läuft im Wesentlichen nach den zwei unabhängigen Reaktionsgleichungen CH4 + H2O ⇔ CO + 3H2 Δh0 = 206kJ/mol und CH4 + 2H2O ⇔ CO2 + 4H2 Δh0 = 165kJ/mol unter Wärmezufuhr an einem Katalysator ab. Ein solches bei der Wasserdampfreformierung hergestelltes Wasserstoffgemisch stellt sich im Wesentlichen beispielsweise wie folgt zusammen:
    7% CO2, 9% CO, 1% CH4, 27% H2O sowie 56% H2. Ein solches Gasgemisch ist für die Verwendung bei PEM-Brennstoffzellen ungeeignet, da das vorhandene Kohlenmonoxid die Katalysatoren der Brennstoffzellen angreift und die Geschwindigkeit der zur Stromgewinnung notwendigen Oxidation deutlich herabsetzt. Aus diesem Grunde ist es erforderlich, das Gasgemisch vor der Verwendung derart zu reinigen, dass der Kohlenmonoxid-Anteil bei nachgeschalteten Hochtemperatur-Brennstoffzellen auf wenige Prozent, und bei nachgeschalteten Niedertemperatur-Brennstoffzellen bis auf 10–100 ppm reduziert wird. Dies geschieht in der Regel in zwei hintereinander geschalteten Reaktionsstufen, wobei die erste einen sogenannten Shift- Konverter und die zweite Stufe eine Gasfeinreinigung mittels selektiver Oxidation oder selektiver Methanisierung aufweist. In der Shift-Konverterstufe läuft die Konvertierung entsprechend der exothermen homogenen Wasser-Gas-Reaktion ab CO + H2O ⇔ CO2 + H2 Δh0 = –41kJ/mol
  • Dabei weist die Shift-Konverterstufe in der Regel zwei unterschiedliche Temperaturstufen auf, nämlich den Hochtemperatur-Shift (HT-Shift) beispielsweise an einem Fe-Cr-Katalysator bei Temperaturen zwischen 300–500°C und dem Niedertemperatur-Shift (NT-Shift) beispielsweise an einem Cu-Zn-Katalysator bei Temperaturen von 200–300 °C. Nach einer derartigen Shift-Konvertierung enthält das Gasgemisch einen Kohlenmonoxidgehalt von etwa 0,5 bis 1%. Um diesen insbesondere für Niedertemperatur-Brennstoffzellen weiterhin zu hohen Kohlenmonoxidgehalt zu reduzieren, wird die erwähnte Gasfeinreinigungsstufe nachgeschaltet. Bei dieser reagiert das in dem Gasgemisch vorhandene Kohlenmonoxid unter Zugabe von Sauerstoff und in Anwesenheit eines geeigneten Katalysators zu Kohlendioxid, gemäß der Reaktion CO + ½O2 ⇔ CO2 Δh0 = –283,6 kJ/mol
  • Diese Reaktion sollte weitestgehend selektiv, d.h. mit möglichst unterdrückter Wasserstoff-Oxidation ablaufen H2 + ½O2 ⇔ H2O Δh0 = –243,5 kJ/mol
  • Beide Reaktionen sind exotherm, d.h. Wärme abgebend, wobei – um eine annähernd isotherme und stationäre Reaktionsführung zu gewährleisten – ein stetiger Wärmeaustrag stattfinden muss. Dieser wird mittels einer Kühleinrichtung bewirkt.
  • Aufgrund der von den eingesetzten Katalysatoren bereitgestellten Selektivität, die das Verhältnis zwischen dem angestrebten Kohlenmonoxid-Oxidations-Umsatz und dem zu unterdrückenden Wasserstoff-Oxidations-Umsatz festlegt, kann – sofern der Kohlenmonoxidanteil im Gasgemisch bekannt ist – die Menge des dem Gasgemisch zuzuführenden Sauerstoffs aufgrund der stöchiometrischen Verhältnisse berechnet werden. Dabei muss eine gute Vermischung des Gasgemisches und des zuzuführenden Sauerstoffes erfolgen, da sich ansonsten aufgrund der geringen Partialdrücke von Kohlenmonoxid und Sauerstoff durch Inhomogenitäten lokal unterschiedliche Konzentrationsverhältnisse ausbilden.
  • Die US 5,843,195 offenbart einen Brennstoffreformer, bestehend aus einer Reformereinheit und einer Oxidationseinheit. Der Katalysator ist aus einer speziellen Pl-Ru-Legierung, mit der das in der Reformereinheit erzeugte Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid oxidiert wird.
  • Die US 5,712,052 offenbart einen Brennstoffzellengenerator, der einen Reformer und eine Shift-Reaktionseinheit aufweist. In einer nachgeschalteten Oxidationseinheit reagiert Kohlenmonoxid mit Sauerstoff zu Kohlendioxid, wobei ein Kohlenmonoxidsensor in der Brennstoffzelle angeordnet ist, um je nach Kohlenmonoxidkonzentration die Sauerstoffzufuhr zu regeln.
  • Im Stand der Technik bekannte Anlagen zur Kohlenmonoxidfeinreinigung können aufgrund ihrer Abmessungen oder ihrer Komplexität nicht derartig kompakt gebaut werden, dass sie mit wenigen Bauteilen hergestellt werden können.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen, die es ermöglicht, eine kompakte Kohlenmonoxidfeinreinigungsstufe bereitzustellen.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird durch Bereitstellen eines selektiven Oxidations-Reaktors zur Kohlenmonoxidfeinreinigung, dessen Einsatz in Reformer-Brennstoffzellen-Systemen sowie durch ein Verfahren zur Kohlenmonoxidfeinreinigung mittels des erfindungsgemäßen selektiven Oxidations-Reaktors gelöst.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft daher einen selektiven O-xidations-Reaktor zur Kohlenmonoxidfeinreinigung eines Gasgemisches, umfassend zumindest drei im Wesentlichen koaxial angeordnete Rohre mit unterschiedlichen Radien und eine die mindestens drei Rohre arretierende Haltevorrichtung, wobei ein ein Kühlmittel führendes erstes der mindestens drei Rohre mit mindestens einem das Kühlmittel führende zweiten der mindestens drei Rohre in fluidführender Leitungsverbindung steht und ein einen Katalysator aufweisendes und von dem Gasgemisch durchströmbares drittes der mindestens drei Rohre angeordnet ist.
  • Der erfindungsgemäße selektive Oxidations-Reaktor zur Kohlenmonoxidfeinreinigung eines Gasgemisches weist dabei eine durch die besondere Anordnung von Kühlmittel führenden und den Katalysator aufweisenden Rohren, die aufgrund ihrer unterschiedlichen Radien und ihrer im Wesentlichen koaxialen Anordnung zwischen den Rohren Ringspaltvolumina definieren, eine kompakte Bauform auf. Um eine möglichst eindeutige und dabei knappe und lesbare Darstellung der Erfindung zu ermöglichen, wird folgende verkürzende Schreibweise eingeführt: „In" oder „aus" einem oder „durch" ein Rohr, welches nicht das innere Rohr ist, bedeutet „in" oder „aus" dem oder „durch" das von diesem Rohr und von dem zu diesem nächstgelegenen inneren Rohr gebildeten Ringspaltvolumen. Die aus dieser Bauform resultierende geringe Komplexität ermöglicht eine Herstellung mit geringen Kosten. Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich bevorzugt als kompakte Kohlenmonoxid feinreinigungsstufe zur Kohlenmonoxidfeinreinigung in mobilen Brennstoffzellen-Stromerzeugungsaggregaten, kann aber auch für alle anderen Wasserstofferzeuger verwendet werden. Dabei erfüllt die erfindungsgemäße Vorrichtung die hohen Anforderungen, die an mobile Stromerzeugungsaggregate bezüglich geringer Systemkomplexität, geringer Herstellungskosten und einfacher Herstellung gestellt werden.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Reformer-Brennstoffzellen-System, umfassend einen Reformer zur Umwandlung eines kohlenwasserstoffhaltigen Energieträgers, einen dem Reformer nachgeschalteten Gasgemischreiniger und eine dem Gasgemischreiniger nachgeschaltete Brennstoffzelle zur Energieerzeugung, wobei der Gasgemischreiniger mindestens einen erfindungsgemäßen selektiven Oxidations-Reaktor aufweist. Ein solches System kann aufgrund der Vorteile des erfindungsgemäßen selektiven Oxidations-Reaktors kompakt und effizient ausgestaltet werden.
  • Zudem betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Kohlenmonoxidfeinreinigung eines Gasgemisches, wobei das Gasgemisch mittels eines erfindungsgemäßen selektiven Oxidations-Reaktors von Kohlenmonoxid gereinigt wird. Ein solches Verfahren erlaubt eine effiziente und kostengünstige Kohlenmonoxidfeinreinigung.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der selektive Oxidations-Reaktor drei Rohre, wobei das erste Rohr ein äußeres Rohr, das zweite Rohr ein inneres Rohr und das dritte Rohr ein mittleres Rohr von drei koaxial angeordneten Rohren ist. Dadurch wird eine von außen und innen bewirkte Kühlung des den Katalysator aufweisenden Rohrs gewährleistet.
  • In einer anderen Ausführungsform umfasst der selektive Oxidations-Reaktor vier Rohre, wobei ein das Kühlmittel führendes erstes der vier Rohre mit einem das Kühlmittel führenden zweiten der vier Rohre in fluidführender Leitungsverbindung steht und zwischen dem ersten und dem zweiten der vier Rohre ein den Katalysator aufweisendes und von dem Strom des Gasgemisches durchsetzbares drittes der vier Rohre angeordnet ist und das dritte mit einem vierten der vier Rohre in fluidführender Leitungsverbindung steht. Eine Anordnung mit vier Rohren ermöglicht eine andere Strömung des Gasgemisches durch den selektiven Oxidations-Reaktor.
  • Bevorzugt ist dabei das erste Rohr ein äußeres Rohr, das zweite Rohr ein inneres mittleres Rohr, das dritte Rohr ein äußeres mittleres Rohr und das vierte Rohr ein inneres Rohr von vier koaxial angeordneten Rohren. Dabei wird eine vorteilhafte Temperierung sowohl des den Katalysator aufweisenden Rohres als auch des Gasgemischstromes erzielt.
  • Vorzugsweise stehen eine dem Reaktor das Gasgemisch zuführende erste Zuleitung und eine dem Reaktor ein sauerstoffhaltiges Gas zuführende zweite Zuleitung, welche vorzugsweise in Gegenstromrichtung zueinander angeordnet sind, in fluidführender Leitungsverbindung. Durch eine derartige Anordnung der Zuleitungen wird eine besonders effiziente Vermischung des Gasgemisches und des Sauerstoffgases erreicht.
  • Bevorzugt ist eine das Kühlmittel in den selektiven Oxidations-Reaktor einströmende Zuleitung, vorzugsweise in Gegenstromrichtung zum Strom des Gasgemisches, angeordnet. Durch die Anordnung der Kühlmittelzuleitung in Gegenstromrichtung zum Strom des Gasgemisches wird eine besonders effiziente Kühlung und ein besonders effizienter Abtransport der überschüssigen Wärme erreicht.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist im selektiven Oxidations-Reaktor mindestens eine Temperaturmessstelle angeord net. Die Anordnung mindestens einer, vorzugsweise mehrerer die Temperatur des Katalysators messenden Temperaturmessstellen, erlaubt eine Überprüfung anhand der erlangten Temperaturmessergebnisse und optional eine durch eine Steuerung bewirkte Änderung der Temperatur mittels Korrektur und/oder Kühlung und/oder Änderung des Sauerstoffgases und/oder anderer denkbarer Modifikationen des Kühlmittels.
  • In einer weiteren Ausführungsform weist die Haltevorrichtung zwei Stirnflächenelemente, vorzugsweise einen Reaktorkopf und einen Reaktorboden auf. Die Anordnung von Stirnflächenelementen ermöglicht zum einen eine stabile Arretierung der in dem selektiven Oxidations-Reaktor angeordneten Rohre und ermöglicht zudem einen kompakten Anbau von den entsprechenden Zuleitungen/Ableitungen und bietet weiterhin – sofern notwendig – einen Abschluss der entsprechenden im selektiven Oxidations-Reaktor angeordneten Rohre.
  • Bevorzugt weist der Reaktorkopf Vorrichtungen zur Aufnahme der Zuleitungen und/oder Vorrichtungen zum Zugang zu der mindestens einen Temperaturmessstelle und/oder Vorrichtungen zur Verteilung des Gasgemisches und/oder des Kühlmittels und/oder Vorrichtungen zur Katalysatoreinbringung in den Reaktor auf. Ein so ausgestatteter, vorzugsweise aus einen einteiligen Multifunktions-Reaktorkopf ermöglicht einen kompakten Anbau der notwendigen Zuleitung/Ableitungen, ermöglicht ggf. den Zugang zu den in oder in der Nähe des Katalysators angebrachten Temperaturmessstellen, ermöglicht durch Verteilereinrichtungen die Verteilung des beispielsweise von einer zentral angeordneten Gasgemisch-Zuleitung zugeleiteten Gasgemisches auf mehrere Bereiche des den Katalysator aufweisenden Rohres, erlaubt ggf. eine Verteilung und/oder Leitung des Kühlwassers und weist Öffnungen auf, mittels derer der Katalysator in den Reaktor eingebracht werden kann.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Katalysator eine Katalysatorschüttung. Eine solche Katalysatorschüttung weist eine große Reaktionsoberfläche auf und ist zudem unproblematisch in das den Katalysator aufweisende Rohr einbringbar.
  • Schließlich ist das Kühlmittel des selektiven Oxidations-Reaktors das Kühlwasser einer Brennstoffzelle. Durch die Verwendung des Brennstoffzellen-Kühlwassers als Kühlmittel im selektiven Oxidations-Reaktor findet eine optimale Nutzung der im selektiven Oxidations-Reaktor entstehenden Wärme statt. Durch die Verwendung der überschüssigen Wärme in beispielsweise Heizkreisläufen ist durch konstruktive Anpassung des Temperaturniveaus und des Volumenstroms des Kühlwassers in der Regel keine weitere Temperatur- oder Flussregelung des Kühlwassers notwendig.
  • Die vorgenannten sowie die beanspruchten und in den Ausführungsbeispielen beschriebenen erfindungsgemäß zu verwendenden Bauteile unterliegen in ihrer Größe, Form, Gestaltung, Materialauswahl und technischen Konzeption keinen besonderen Ausnahmebedingungen, so dass die in dem Anwendungsgebiet bekannten Auswahlkriterien uneingeschränkt Anwendung finden können.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der – beispielhaft – ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist. In der Zeichnung zeigt:
  • 1 einen erfindungsgemäßen selektiven Oxidations-Reaktor im Längsschnitt mit drei koaxial angeordneten Rohren;
  • 2 einen erfindungsgemäßen selektiven Oxidations-Reaktor im Längsschnitt mit vier koaxial angeordneten Rohren;
  • Bei der Ausführungsform nach 1 weist der selektive Oxidations-Reaktor 100 zur Kohlenmonoxidfeinreinigung eines Gasgemisches eine koaxiale Anordnung von Rohren auf, wobei diese in der gemäß 1 dargestellten Ausführungsform gewählte Rohranordnung 200 auch ein äußeres, erstes Rohr 201, ein mittleres, zweites Rohr 202 und ein inneres, drittes Rohr 203 umfasst. Die Rohre, welche nicht zwangsläufig zylindrisch sein müssen, sondern auch oval oder vieleckig ausgestaltet sein können, können paarweise unterschiedlich oder gleich lang sein, haben jedoch unterschiedliche Radien. Durch die unterschiedlichen Radien der Rohre werden die Ringspaltvolumen V des Reaktors 100 definiert. Die koaxiale Lage der Rohre 201, 202, 203 zueinander wird mittels des stirnseitig angeordneten Reaktorkopfes 300 bzw. des Reaktorbodens 310 arretiert. Die bevorzugte koaxiale Anordnung muss dabei nicht streng erfüllt sein. Durch den eine zentrale Öffnung aufweisenden Reaktorboden 310 wird mittels einer Kühlwasserzuleitung 140 ein beispielsweise von einer Brennstoffzelle (nicht dargestellt) kommendes Kühlwasser zur Kühlung des selektiven Oxidations-Reaktors 100 reaktorbodenseitig in das innere, dritte Rohr 203 eingeleitet. Das eingeleitete Kühlwasser durchströmt das innere, dritte Rohr 203 bis zu dessen reaktorkopfseitigen Ende, wobei das Kühlwasser die Rohroberfläche und mittels Wärmeleitung den in dem mittleren, zweiten Rohr 202 angeordneten Katalysator kühlt. Am reaktorkopfseitigem Ende des inneren, dritten Rohres 203 wird das Kühlwasser mittels einer das innere, dritte Rohr 203 und das äußere, erste Rohr 201 verbindenden Leitungsverbindung, die durch einen Kanal, eine Bohrung in dem Reaktorkopf 300 und/oder durch eine sonstige Leitungsverbindung realisiert werden kann, in das äußere, erste Rohr 201 weitergeleitet. Während des Durchströ mens des äußeren, ersten Rohres 201 kühlt das Kühlwasser die Rohroberfläche des mittleren, zweiten Rohres 202 und mittels Wärmeleitung den in dem mittleren, zweiten Rohr 202 angeordneten Katalysator, bevor es mittels einer Kühlwasserableitung 142 aus dem Reaktor hinaus in beispielsweise den Brennstoffzellenkühlkreislauf zurückgeleitet wird. Optional ist auch eine parallele Kühlung denkbar. Bei einer solchen parallelen Kühlung wird das Kühlwasser in Gleichstromrichtung durch das innere, dritte Rohr 203 und durch das äußere, erste Rohr 201 geführt.
  • Durch den während des Durchströmens des selektiven Oxidations-Reaktors 100 stattfindenden Wärmeübertrag auf das Kühlwasser wird dieses erwärmt und kann zur Aufheizung eines Heizkreislaufes weiterverwendet werden, wodurch eine effiziente Nutzung der Prozesswärme gewährleistet wird. Bei einem geeigneten, konstruktiv bedingten Temperaturniveau ist somit eine permanente Kühlung des selektiven Oxidations-Reaktors 100 und der Brennstoffzelle mit einem optimal ausgelegten Kühlwasserkreislauf ohne weiteren Kühlwasserdosier- oder – regelungsaufwand möglich. Eine optionale, darüber hinaus wirkende Regelung des Kühlwassers aufgrund von zu ermittelnden Prozessparametern ist integrierbar und wird im Weiteren beschrieben.
  • Das mittlere, zweite Rohr 202 umschließt ein Ringspaltvolumen, dessen Innen- und Außenseiten durch das in dem inneren, dritten 203 und äußeren, ersten Rohr 201 durchströmende Kühlwasser gekühlt wird, und das einen Katalysator in Form einer aus Pellets bestehenden Katalysatorschüttung 122 aufnimmt. Das zu reinigende Gasgemisch wird durch eine zentral am Reaktorkopf 300 angeordnete Gasgemischzuleitung 110 zu einer ebenfalls am Reaktorkopf 300 angeordneten Verteilervorrichtung 130 weitergeleitet. Die Verteilervorrichtung 130 besteht im Wesentlichen aus einer beliebigen Anzahl, beispielsweise vier, sich von der zentralen Gasgemischzuleitung 110 schräg in Richtung Reaktorinneres erstreckenden Bohrungen im Reaktorkopf 300, die derartige Abmessungen und Positionen innerhalb des Reaktorkopfes 300 aufweisen, dass das Gasgemisch an beispielsweise vier Stellen möglichst homogen und symmetrisch in das reaktorkopfseitige im Wesentlichen offene Ende des mittleren, zweiten Rohres 202 eingeleitet wird. Gleichzeitig wird mittels einer Sauerstoffgaszuleitung 104, die innerhalb und/oder außerhalb und/oder zumindest in der Nähe der Gasgemischzuleitung 110 angeordnet ist, sauerstoffhaltiges Gas zugeleitet. Sauerstoffgaszuleitung 104 und Gasgemischzuleitung 110 stehen vorzugsweise in Gegenstromrichtung miteinander in Leitungsverbindung, also in einem beliebigen jedoch eine Mischung erlaubenden Kontakt, wobei eine effiziente Vermischung des Gasgemisches und des Sauerstoffgases gewährleistet wird. Um die Vermischung zu optimieren, kann zudem ein statischer Mischer (nicht dargestellt) in Form einer Turbulenzen erzeugenden Vorrichtung, wie beispielsweise ein Gitter oder ähnliches, angeordnet werden. Der Gasgemisch-Sauerstoffgas-Mix gelangt nun mittels der Verteilervorrichtung 130 in das die Katalysatorschüttung 122 beinhaltende mittlere, zweite Rohr 202. Die Kühlung des selektiven Oxidations-Reaktors 100 wird derartig eingestellt, dass ein von dem entsprechenden Katalysator vorgegebenes Temperaturfenster, beispielsweise zwischen 90 und 170°C, einbehalten wird, so dass eine möglichst effiziente Kohlenmonoxidoxidation bei gleichzeitig möglichst unterdrückter Wasserstoffoxidation in der Katalysatorschüttung abläuft. Das durch Oxidation von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid gereinigte Gasgemisch gelangt am reaktorbodenseitigen Ende des mittleren Rohres 202 durch eine für das Gas durchlässige, aber für die Katalysatorschüttung 122 undurchlässige Vorrichtung, wie beispielsweise ein Netz, eine Membran oder ein Sieb oder ähnliches, in die Gasgemischableitung 112. Das nun kohlenmonoxidarme und wasserstoffreiche Gas kann an schließend beispielsweise einer Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt werden.
  • Um die Prozesstemperatur zu ermitteln und gegebenenfalls zu korrigieren, werden in der Katalysatorschüttung mehrere Temperaturmessstellen 150, die beispielsweise mittels Thermoelementen oder PT-100 Widerstandselementen gebildet werden, beispielsweise im oberen, mittleren und unteren Bereich des Reaktionsraumes 120, angeordnet. Die von den Temperaturmessstellen gelieferten Messinformationen, wie von den Thermoelementen ermittelten Spannungen, werden in einer optionalen Steuerungsvorrichtung (nicht dargestellt) verarbeitet, um die Temperatur zu überwachen und um mittels einer Änderung der Kühlmitteldurchflussrate oder der Kühlmitteltemperatur oder ähnlicher Regelmechanismen die Temperatur zu regeln. Zu diesem Zweck weist der Reaktorkopf 300 eine oder mehrere Bohrungen auf, die den Durchgang von einem oder mehreren Thermoelementen gestatten. Der Reaktorkopf 300 weist im Weiteren insbesondere in der zentralen Gasgemischzuleitung 110 ein Sieb oder eine ähnliche Vorrichtung auf, so dass die von der Strömung des eingeleiteten Gasgemisch-Sauerstoffgas-Mixes aufgewirbelte Katalysatorschüttung 122 nicht in die Zuleitungen gelangt. Zudem bietet das Sieb einen Schutz, der beim Kippen des Reaktors verhindert, dass Teile der Reaktorschüttung 122 heraus- oder in die Öffnungen des Reaktorkopfes 300 fallen.
  • Des Weiteren können, um den Kohlenmonoxidgehalt des zu reinigenden Gasgemisches zu messen und entsprechend die Sauerstoffgaszufuhr gemäß der durch die Reaktionsgleichungen vorgegebenen stöchiometrischen Verhältnisse zu regeln, optional Kohlenmonoxidsensoren vor oder in der Gasgemischzuleitung 110 und/oder nach oder in der Gasgemischableitung 112 angeordnet werden. Mittels einer solchen Vorrichtung ist es möglich, den Kohlenmonoxidgehalt vor und nach der Reinigung zu bestimmen und so die in der Katalysatorschüttung 122 ablaufenden Reak tionen mittels der Prozessparameter (wie Sauerstoffkonzentration, Temperatur, Druck etc.) zu optimieren.
  • Die in 2 dargestellte Ausführungsform eines selektiven Oxidations-Reaktors 100 unterscheidet sich von der oben beschriebenen Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass der selektive Oxidations-Reaktor 100 eine Rohranordnung 200 von nun vier statt drei koaxial angeordneten Rohren 201, 202, 203, 204 umfasst. Das innere, vierte „Mischrohr" 204, bei dem das Gasgemisch mittels einer reaktorbodenseitigen Gasgemischzuleitung 110 und das Sauerstoffgas mittels einer reaktorkopfseitigen Sauerstoffgaszuleitung 104 durch den Reaktorboden 310 bzw. Reaktorkopf 300 in den selektiven Oxidations-Reaktor 100 eingeleitet werden, ermöglicht eine effiziente Vermischung. Diese Vermischung des Gasgemisches und des sauerstoffhaltigen Gases erfolgt in der Ausführungsform gemäß 2 daher nicht in dem Reaktorkopf 300 bzw. außerhalb des Reaktors. Zudem wird durch eine solche Anordnung eine Edukttemperierung ermöglicht, da das innere, vierte „Mischrohr" 24 mittels des im Inneren eines inneren mittleren, dritten Rohres 203 geführten Kühlmittels temperiert wird. Die weitere Verteilung des Gasgemisch-Sauerstoffgas-Mixes in den Reaktionsraum 120 wird durch die Verteilervorrichtung 130 wie oben beschrieben durchgeführt. Auch alle weiteren Vorrichtungen (wie die Katalysatorschüttung 122, Temperaturmessstelle 150, Gasgemischableitung 112, statischer Mischer etc.) sind funktionell wie in der Ausführungsform gemäß 1 in oder am selektiven Oxidations-Reaktor 100 anordbar. Eine Steuerung des Prozesses mittels Temperatur- oder Kohlenmonoxidmessdaten kann optional, wie oben beschrieben, durchgeführt werden.
  • 100
    Selektiver Oxidations-Reaktor
    104
    Sauerstoffgaszuleitung
    110
    Gasgemischzuleitung
    112
    Gasgemischableitung
    120
    Reaktionsraum
    122
    Katalysatorschüttung
    130
    Verteilervorrichtung
    140
    Kühlwasserzuleitung
    142
    Kühlwasserableitung
    150
    Temperaturmessstelle
    200
    Rohranordnung
    201
    erstes Rohr
    202
    zweites Rohr
    203
    drittes Rohr
    204
    viertes Rohr
    300
    Reaktorkopf
    310
    Reaktorboden
    V
    Ringspaltvolumen

Claims (13)

  1. Selektiver Oxidations-Reaktor zur Kohlenmonoxidfeinreinigung eines den Reaktor durchströmenden Gasgemisches, umfassend zumindest drei im Wesentlichen koaxial angeordnete Rohre mit unterschiedlichen Radien und eine die mindestens drei Rohre arretierende Haltevorrichtung, wobei ein ein Kühlmittel führendes erstes der mindestens drei Rohre mit mindestens einem das Kühlmittel führenden zweiten der mindestens drei Rohre in fluidführender Leitungsverbindung stehen und ein einen Katalysator aufweisendes und von dem Gasgemisch durchströmbares drittes der mindestens drei Rohre angeordnet ist.
  2. Selektiver Oxidations-Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der selektive Oxidations-Reaktor drei Rohre umfasst, wobei das erste Rohr ein äußeres Rohr, das zweite Rohr ein inneres Rohr und das dritte Rohr ein mittleres Rohr von drei koaxial angeordneten Rohre ist.
  3. Selektiver Oxidations-Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der selektive Oxidations-Reaktor vier Rohre umfasst, wobei ein das Kühlmittel führendes erstes der vier Rohre mit einem das Kühlmittel führenden zweiten der vier Rohre in fluidführender Leitungsverbindung steht und zwischen dem ersten und dem zweiten der vier Rohre ein den Katalysator aufweisendes und von dem Strom des Gasgemisches durchsetzbares drittes der vier Rohre angeordnet ist und das dritte mit einem vierten der vier Rohre in fluidführender Leitungsverbindung steht.
  4. Selektiver Oxidations-Reaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Rohr ein äußeres Rohr, das zweite Rohr ein inneres mittleres Rohr, das dritte Rohr ein äußeres mittleres Rohr und das vierte Rohr ein inneres Rohr von vier koaxial angeordneten Rohren ist.
  5. Selektiver Oxidations-Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine dem Reaktor das Gasgemisch zuführende erste Zuleitung und eine dem Reaktor ein sauerstoffhaltiges Gas zuführende zweite Zuleitung, welche vorzugsweise in Gegenstromrichtung zueinander angeordnet sind, in fluidführender Leitungsverbindung stehen.
  6. Selektiver Oxidations-Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor eine das Kühlmittel vorzugsweise in Gegenstromrichtung zum Strom des Gasgemisches zuführende Zuleitung aufweist.
  7. Selektiver Oxidations-Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im selektiven Oxidations-Reaktor mindestens eine Temperaturmessstelle angeordnet ist.
  8. Selektiver Oxidations-Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung zwei Stirnflächenelemente, vorzugsweise einen Reaktorkopf und einen Reaktorboden, aufweist.
  9. Selektiver Oxidations-Reaktor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der, vorzugsweise einteilig ausgestaltete Reaktorkopf Vorrichtungen zur Auf nahme der Zuleitungen und/oder Vorrichtungen zum Zugang zu der mindestens einen Temperaturmessstelle und/oder Vorrichtungen zur Verteilung des Gasgemisches und/oder des Kühlmittels und/oder Vorrichtungen zur Katalysatoreinbringung in den Reaktor und/oder Vorrichtungen zur Verteilung des Gasgemisches aufweist.
  10. Selektiver Oxidations-Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator eine Katalysatorschüttung ist.
  11. Selektiver Oxidations-Reaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel das Kühlwasser einer Brennstoffzelle ist.
  12. Reformer-Brennstoffzellen-System umfassend einen Reformer zur Umwandlung eines kohlenwasserstoffhaltigen Energieträgers, einen dem Reformer nachgeschalteten Gasgemischreiniger und eine dem Gasgemischreiniger nachgeschaltete Brennstoffzelle zur Energieerzeugung, wobei der Gasgemischreiniger mindestens einen selektiven Oxidations-Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 11 aufweist.
  13. Verfahren zur Kohlenmonoxidfeinreinigung eines Gasgemisches, wobei das Gasgemisch mittels eines selektiven Oxidations-Reaktors nach einem der Ansprüche 1 bis 11 von Kohlenmonoxid gereinigt wird.
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