DE112004000139T5 - Brennstoff verarbeitendes System mit einem Membranseparator - Google Patents

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Annette M. Brenner
Tai-Chiang Yu
Yan Zhang
Steffen Ruf
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Motors Liquidation Co
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Abstract

Brennstoff verarbeitendes System mit:
einem Reaktor zum Reformieren eines Kohlenwasserstoff-Brennstoffstroms in einen Reformatstrom, der Wasserstoff und andere Bestandteile umfasst;
einem Membranseparator zur Entfernung von Wasserstoff von dem Reformatstrom, wobei der Membranseparator eine Membran umfasst, die für Wasserstoff relativ durchlässig und für andere Bestandteile relativ wenig durchlässig ist; und
einem CO-Verringerungs- und Reinigungssystem zur weiteren Reformierung des Reformatstroms.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoff verarbeitende Systeme und insbesondere ein Brennstoff verarbeitendes System mit einem Membranseparator, um die Reformierung eines Brennstoffs zu unterstützen.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Brennstoffzellen sind bei einer Vielzahl von Anwendungen als Energie- bzw. Antriebsquelle vorgeschlagen worden, die elektrische Fahrzeugantriebsanlagen als Ersatz für Verbrennungsmotoren umfassen. Bei Brennstoffzellen vom Typ mit Protonenaustauschmembran (PEM) wird Wasserstoff an eine Anode der Brennstoffzelle geliefert, und Sauerstoff wird als ein Oxidationsmittel an eine Kathode der Brennstoffzelle geliefert. PEM-Brennstoffzellen umfassen eine Membranelektrodenanordnung (MEA) mit einem dünnen, protonendurchlässigen, nicht elektrisch leitenden Festpolymermembranelektrolyten, der an einer seiner Seiten die Anode und an der entgegengesetzten Seite die Kathode aufweist. Die MEA ist zwischen einem Paar elektrisch leitender Elemente schichtartig angeordnet, die als Stromkollektoren für die Anode und Kathode dienen und geeignete Kanäle und/oder Öffnungen darin zur Verteilung der gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle über die Oberflächen der jeweiligen Anoden- und Kathodenkatalysatoren enthalten. Eine typische PEM-Brennstoffzelle und ihre MEA ist in den gemeinsam übertragenen U.S. Patenten Nr. 5,272,017 und 5,316,817 von Swathirajan et al. beschrieben. Üblicherweise wird eine Vielzahl einzelner Brennstoffzellen aneinander gestapelt, um einen PEM-Brennstoffzellenstapel zu bilden.
  • Bei PEM-Brennstoffzellen wird Wasserstoff (H2) als der Anodenreaktand verwendet und Sauerstoff (O2) wird als der Kathodenreaktand verwendet. Der Sauerstoff kann entweder in reiner Form oder als Luft (eine Mischung, die hauptsächlich aus O2 und N2 besteht) geliefert werden. Bei Fahrzeuganwendungen ist es geeignet, einen flüssigen Brennstoff, wie beispielsweise Methanol, Benzin, Diesel und dergleichen, als die Quelle für Wasserstoff für die Brennstoffzelle zu verwenden. Andere Brennstoffe umfassen Ethanol und Erdgas. Derartige Brennstoffe sind zur Speicherung an Bord bevorzugt, und es existiert eine nationale wie auch internationale Infrastruktur zur Lieferung einiger dieser Brennstoffe. Derartige Brennstoffe müssen jedoch zur Freigabe ihres Wasserstoffgehalts abgespalten werden. Die Aufspaltungsreaktion wird allgemein in einem autothermen Reformer erreicht. Ein herkömmlicher beispielhafter Prozess läuft in einem Wasserdampf/Benzin-Reformer ab, bei dem Benzin und Wasser (Wasserdampf) idealerweise reagiert werden, um Wasserstoff und Kohlendioxid zu erzeugen. Es können auch zusätzliche Komponenten, wie beispielsweise Kohlenmonoxid, vorhanden sein.
  • Brennstoff verarbeitende Systeme sind in der Technik gut bekannt. Typische Brennstoff verarbeitende Systeme arbeiten durch Verwendung einer Serie von Reformern, um einen Kohlenwasserstoff-Brennstoff in einen wasserstoffhaltigen Reformatstrom umzuwandeln. Diese Reformer besitzen jedoch die Tendenz, groß zu sein wie auch schwierig einzubauen zu sein. Daher ist es erwünscht, Alternativen für die Extraktion von Wasserstoff vorzusehen.
  • Es ist bekannt, dass Wasserstoff von einem Reformatstrom durch Verwendung einer mit Palladium oder einer Palladiumlegierung beschichteten Membran entfernt werden kann. Wasserstoffseparatormenbrane sind jedoch tendenziell nicht in der Lage, den Durchfluss an Wasserstoff vorzusehen, der von der Brennstoffzelle benötigt wird, um die Leistungsniveaus, die in Konkurrenz mit Verbrennungsmotoren stehen, aufrechtzuerhalten.
    •
  • Demgemäß besteht ein Bedarf nach einem Brennstoff verarbeitenden System mit einer verringerten Komponentengröße und einer Wasserstoffseparatorvorrichtung, die die Leistungsfähigkeit nicht beschränkt.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung sieht eine Membran zur Verbrennung mit einem Brennstoff verarbeitenden System vor. Das Brennstoff verarbeitende System verwendet einen Reaktor, um einen Kohlenwasserstoff-Brennstoff in einen wasserstoffhaltigen Reformatstrom zu reformieren. Der Reformatstrom strömt durch den Membranseparator zur Entfernung von abgespaltenem Wasserstoff. Der verbleibende Reformatstrom, der nun an Wasserstoff abgereichert ist, gelangt durch ein Reformiersystem, das weiter Wasserstoff von dem Reformatstrom abspaltet. Der Membranseparator erlaubt Verringerungen von Größen in dem Reformiersystem. Die Entfernung von Wasserstoff von dem Reformatstrom oberstromig des CO-Verringerungs- und Reinigungssystems dient dazu, eine größere Menge an Reformat in einem derartigen unterstromigen System in Wasserstoff um zuwandeln. Diese Kombination sowohl des Membranseparators als auch des Reformiersystems, um Wasserstoff aus dem Reformatstrom zu trennen, erlaubt eine höhere Leistungsfähigkeit.
    •
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen in beschrieben, in welchen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoff verarbeitenden Systems ist, das einen Membranseparator gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet;
  • 2 eine schematische perspektivische Ansicht eines Membranseparators gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung ist;
  • 3 eine schematische perspektivische Ansicht eines Membranseparators gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung ist;
  • 4 eine schematische Ansicht eines alternativen Brennstoff verarbeitenden Systems ist, das einen mit dem Wasser-Gas-Shift-Reformer integrierten Membranseparator gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung verwendet;
  • 5 eine schematische Darstellung eines zweiten alternativen Brennstoff verarbeitenden Systems ist, das einen mit dem Primärreaktor integrierten Membranseparator gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung verwendet; und
  • 6 ein detailliertes Schema eines Brennstoff verarbeitenden Systems ist, das einen Membranseparator gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung verwendet.
  • 7 eine schematische Ansicht einer Wasserübertragungsvorrichtung ist, die gemäß dem Brennstoffzellensystem von 6 verwendet wird.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en) ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw, ihren Gebrauch zu beschränken.
  • Die vorliegende Erfindung ist auf ein Brennstoffzellensystem 10 gerichtet, das ein Brennstoff verarbeitendes System 12 und einen Brennstoffzellenstapel 14 umfasst. Nun wird das Brennstoffzellensystem 10 anhand der 1–6 beschrieben, wobei zur Bezeichnung der gleichen oder ähnlichen Elemente gemeinsame Bezugszeichen verwendet worden sind. Im Überblick umfasst das Brennstoffverarbeitungssystem 12 einen autothermen Reformer 16, einen Membranseparator 18, einen CO-Verringerungs- und Reinigungsabschnitt 20 und ein Brennersystem 22. Wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist, dient das Brennstoff verarbeitende System 12 dazu, Brennstoff, Luft und Wasser aufzunehmen und ein wasserstoffhaltiges Gas zu erzeugen. Das wasserstoffhaltige Gas wird dann in dem Brennstoffzellenstapel 14 dazu verwendet, elektrischen Strom zu erzeugen, wie es in der Technik bekannt ist.
  • Wie in 1 gezeigt ist, umfasst der autotherme Reformer 16 einen Primärreaktor 24. Der Primärreaktor 24 besitzt drei Einlässe 26, 28 und 30. Der Primärreaktor 24 nimmt Brennstoff, Luft und Wasser durch die Einlässe 26, 28 bzw. 30 auf. Der Primärreaktor 24 ist von einem Typ, der in der Lage ist, Brennstoff chemisch zu reformieren, wie beispielsweise durch eine Wasserdampfreformierung, Partialoxidation oder autotherme Reformierung, und Wasserstoffgas in dem Reformat auszugeben. Der Primärreaktor 24 steht in Fluidverbindung mit dem Membranseparator 18 zum Transport des wasserstoffhaltigen Reformatstroms von dem autothermen Reformer 16 an den Membranseparator 18.
  • Der Membranseparator 18 steht in Fluidverbindung mit dem CO-Verringerungs- und Reinigungsabschnitt 20 zum Transport von Reformat und steht in Fluidverbindung mit dem Brennstoffzellenstapel 14 zur Übertragung von reinem Wasserstoff oder einer Wasserstoffspülmischung.
  • Allgemein sieht der Membranseparator 18 einen Mechanismus zur Entfernung von Wasserstoff von Gasmischungen vor, indem er ermöglicht, dass Wasserstoff selektiv durch die Membran hindurchdringen kann. Ein zu diesem Zweck verwendbarer beispielshafter Membranseparator ist in dem U.S. Patent Nr. 6,152,995 von Edlund beschrieben. Membranseparatoren 18 werden durch eine Partialdruckdifferenz der gewünschten Komponente zwischen den Zufuhr- und Permeatseiten der Membran betrieben. Der Durchfluss der gewünschten Komponente erfolgt von der unter hohem Druck stehenden Zufuhrseite zu der unter niedrigerem Druck stehenden Permeatseite. In dem Fall von Membranen mit Palladium oder einer Palladiumlegierung kann Wasserstoff selektiv durch die dichte Metallmembran hindurchdringen. Der Fluss bzw. die Durchflussrate oder Strömungsgeschwindigkeit von Wasserstoff durch die Membran kann dadurch erhöht werden, dass der zufuhrseitige Wasserstoffpartialdruck erhöht wird, der permeatseitige Wasserstoffpartialdruck verringert wird oder die Dicke der Metallmembran verringert wird. Die Grenze hinsichtlich der Dicke der Membran ist durch eine akzeptable Leck- bzw. Entweichrate durch Löcher in der Membran bestimmt. Diese Löcher verringern die Selektivität der Membran, wobei zugelassen wird, dass alle Komponenten unselektiv hindurchgelangen können. Die Membranmaterialien, die in dem Membranseparator 18 enthalten sind, sind wasserstoffdurchlässige Materialien, wie beispielsweise Palladium oder Palladiumlegierungen. Legierungen können beispielsweise Palladium-Silber oder Palladium-Kupfer umfassen.
  • Es ist davon auszugehen, dass jede Ausgestaltung des Membranseparators 18 verwendbar ist. Zwei mögliche Ausgestaltungen für den Membranseparator 18 und 18' sind eine Rohr- und Mantelausgestaltung, die in 2 gezeigt ist, und eine Plattenausgestaltung, die in 3 gezeigt ist.
  • In 2 ist eine Rohr- und Mantelausgestaltung des Membranseparators 18 gezeigt, wobei die Rohrausgestaltung eine Anzahl von Rohren 32 umfasst, die in einem Mantel 34 eingeschlossen sind. Die Rohre 32 bestehen aus Palladium, einer Palladiumlegierung oder einer Palladiumlage auf einem Trägermaterial. Das Trägermaterial kann beispielsweise ein mikroporöser Keramikträger oder Metallträger oder eine Kombination daraus sein. Die Dicke der Palladium- oder Palladiumlegierungslage auf den Rohren 32 ist kleiner als zehn Mikrometer. Die Palladium- oder Palladiumlegierungslage kann auch an die Innenseite der Trägerrohre beschichtet sein. Reformat von dem autothermen Reformer 16 strömt durch den Membranseparator 18 entweder durch das Rohr 32 oder gelangt über den Mantel 34. Die Strömung kann entweder überkreuz, gegenstromig oder gleichstromig erfolgen. Die palladiumhaltigen Rohre 32 sind für die Nicht-Wasserstoff-Komponenten in dem Reformatstrom undurchlässig. Wasserstoff jedoch wird in dem Palladium abgespalten. Die Permeatseite besitzt einen geringeren Partialdruck von Wasserstoff, und daher diffundieren Wasserstoffatome natürlich durch die Membran und rekombinieren sich an der Seite mit niedrigem Wasserstoffpartialdruck, die die Permeatseite darstellt. Der Spülstrom kann auf der Permeatseite der Membran strömen, um den Wasserstoff von dem Reformatstrom zu entfernen. Der Spülstrom erreicht dies dadurch, dass er einen niedrigeren Wasserstoffpartialdruck besitzt als der Reformatstrom. Die Strömung von Wasserstoff wird durch eine Partialdruckdifferenz in dem Wasserstoff zwischen den Zufuhr- und Permeatseiten betrieben. Ein Spülstrom kann die Durchdringung bzw. Permeation dadurch steigern, dass der Wasserstoffpartialdruck auf der Permeatseite weiter verringert wird. Somit entnimmt der Spülstrom den Wasserstoff von dem Reformatstrom, wodurch ein wasserstoffarmer Reformatstrom in Fluidverbindung mit dem CO-Verringerungs- und Reinigungsabschnitt 20 und ein wasserstoffreicher Spülstrom in Fluidverbindung mit dem Brennstoffzellenstapel 14 zurückbleibt. Der Spülstrom kann ein beliebiger Strom sein, der einen niedrigeren Wasserstoffpartialdruck als der Reformatstrom aufweist. Die Oberfläche des Membransepa rators 18 in einer Rohrausgestaltung kann dadurch eingestellt werden, dass der Rohrdurchmesser, die Anzahl von Rohren und die Rohrlänge geändert werden. Eine Erhöhung der Oberfläche der Rohre 32 erhöht die Menge an Wasserstoff, die extrahiert werden kann. Zusätzlich kann ein Katalysator auf den Mantel 34 beschichtet sein.
  • In 3 ist die Plattenausgestaltung des Membranseparators 18' gezeigt. In dieser Ausgestaltung sind die Platten 36 mit Kanälen zwischen jeder der Lagen gestapelt, wobei ein Reformat von dem autothermen Reformer 16 oder ein wasserstoffreicher Spülstrom auf entgegengesetzten Seiten der Platten 36 strömt. Die Platten 36 bestehen aus Palladium, einer Palladiumlegierung oder einer Palladium- oder Palladiumlegierungslage auf einem Trägermaterial. Die Dicke des Palladiums oder der Palladiumlage beträgt weniger als zehn Mikrometer. Das Reformat von dem autothermen Reformer 16 kann in den Membranseparator 18' in einer Plattenausgestaltung überkreuz, gegenstromig oder gleichstromig zugeführt werden. Ähnlich den palladiumhaltigen Rohren 32 des Membranseparators 18 sind die Platten 36 gegenüber den Nicht-Wasserstoff-Komponenten in dem Reformatstrom undurchlässig. Jedoch wird Wasserstoff in dem Palladium abgespalten. Der Spülstrom besitzt einen niedrigeren Wasserstoffpartialdruck, und daher diffundieren, wenn dieser über die Platten 36 strömt, die Wasserstoffatome durch die Membran und rekombinieren sich an der Seite mit niedrigem Wasserstoffpartialdruck, die die Permeatseite darstellt. Somit extrahiert der Spülstrom den Wasserstoff von dem Reformatstrom, wodurch ein wasserstoffarmer Reformatstrom in Fluidverbindung mit dem CO-Verringerungs- und Reinigungsabschnitt 20 und ein wasserstoffreicher Spülstrom in Fluidverbindung mit dem Brennstoffzellenstapel 14 zurück bleibt. Bei einer Plattenausgestaltung kann die Oberfläche des Membranseparators 18' durch die Fläche der Platten, Anzahl der Platten, wie auch durch die Verteilung eingestellt werden. Eine Erhöhung der Oberfläche der Platten 36 erhöht die Menge an Wasserstoff, die von dem Spülstrom extrahiert werden kann. Zusätzlich kann ein Katalysator auf die Platten 36 oder das Substrat in den Kanälen beschichtet werden.
  • Wie in 1 gezeigt ist, steht der CO-Verringerungs- und Reinigungsabschnitt 20 in Fluidverbindung mit dem Membranseparator 18 und kann einen Wasser-Gas-Shift-Reaktor bzw. "Wasser-Gas-Shift" 38 und/oder einen Reaktor für selektive bzw. bevorzugte Oxidation oder PrOx (von engl. "Preferential Oxidation") 40 und/oder einen beliebigen anderen Typ eines in der Technik bekannten CO-Verringerungs- und Reinigungsreaktors umfassen. Wie in 1 gezeigt ist, steht ein Wasser-Gas-Shift 38, der dazu dient, Wasserstoff aus der Reaktion von Kohlenmonoxid und Wasser zu erzeugen, in Fluidverbindung mit dem Membranseparator 18. In dem Wasser-Gas-Shift 38 läuft eine Gleichgewichtsreaktion ab, die in der Bildung von Wasserstoff resultiert. Der Wasser-Gas-Shift 38 steht in Fluidverbindung mit dem PrOx 40, um den wasserstoffhaltigen Reformatstrom zu liefern.
  • Der PrOx 40 steht in Fluidverbindung mit dem Wasser-Gas-Shift 38 und wird dazu verwendet, von dem von dem Wasser-Gas-Shift 38 erhaltenen Reformat Kohlenmonoxid zu entfernen. Der PrOx 40 erzeugt Wasserstoff mit Stapelgüte. Der PrOx 40 steht in Fluidverbindung mit dem Brennstoffzellenstapel 14, und das Reformat von dem PrOx 40 wird an den Brennstoffzellenstapel 14 übertragen.
  • Der Brennstoffzellenstapel 14 steht in Fluidverbindung mit dem CO-Verringerungs- und Reinigungsabschnitt 20 und dem Membranseparator 18 oder 18'. Der Brennstoffzellenstapel 14 nimmt einen wasserstoffreichen Strom von dem Membranseparator 18 und an Wasserstoff abgereichertes Reformat von dem CO-Verringerungs- und Reinigungsabschnitt 20 auf. Luft tritt in den Brennstoffzellenstapel 14 über einen Einlass 44 ein. Der Brennstoffzellenstapel 14 erzeugt elektrische Energie und Wärme aus einer gesteuerten Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff aus der Luft. Der Brennstoffzellenstapel 14 steht in Fluidverbindung mit dem Brennersystem 22, um Luft und jeglichen nicht gebrauchten Wasserstoff, Kohlenmonoxid oder Kohlenwasserstoff zu reagieren.
  • In 1 ist gezeigt, dass das Brennersystem 22 einen Brenner 46 in Fluidverbindung mit dem Brennstoffzellenstapel 14 umfasst. Genauer verbrennt der Brenner 46 das verbleibende Reformat von dem Brennstoffzellenstapel 14, um Wärme zu erzeugen, die für den autothermen Reformer 16 verwendet wird. Der Brenner 46 steht in einer Wärmeaustauschbeziehung mit dem autothermen Reformer 16 und überträgt Wärme in der Form heißer Gase von dem Brenner 46 über den autothermen Reformer 16, um die Beibehaltung der Einlasswasserdampftemperatur des Primärreaktors 24 des autothermen Reformers 16 zu unterstützen. Die Abgase aus der Verbrennung verlassen den Brenner 46 über einen Auslass 48.
  • Im Fahrzeugbetrieb treten Brennstoff, Wasser und Luft in den Primärreaktor 24 ein und werden einer chemischen Reformierung unterzogen. Das Reformat von dem Primärreaktor 24 strömt in den Membranseparator 18. Der Membranseparator 18 entfernt einen Teil des Wasserstoffs von dem Reformatstrom. Das wasserstoffreiche Permeat strömt von dem Membran separator 18 in den Brennstoffzellenstapel 14. Der an Wasserstoff abgereicherte Reformatstrom strömt in den Wasser-Gas-Shift-Reaktor 18, und aus dem Kohlenmonoxid und Wasser in dem Reformatstrom wird mehr Wasserstoff erzeugt. Das Reformat von dem Wasser-Gas-Shift 38 tritt in den PrOx 40 ein, in dem das Kohlenmonoxid selektiv oxidiert wird. Das Reformat mit sehr wenig Kohlenmonoxid tritt in den Brennstoffzellenstapel 14 ein, in dem es mit Sauerstoff aus der Luft reagiert und einer chemischen Reaktion unterzogen wird, die in der Erzeugung von Elektrizität resultiert. Das von dem Brennstoffzellenstapel 14 nicht verbrauchte Wasserstoffreformat strömt in den Brenner 46. Der Brenner 46 mischt das nicht verwendete Reformat mit Luft und verbraucht dieses, wodurch Wärme erzeugt wird, die dazu verwendet wird, den Wasserdampfeinlass 30 des Primärreaktors 24 wie auch Abgase, die das System über den Auslass 48 verlassen, zu wärmen.
  • Wie in 1 gezeigt ist, wird durch den direkt an den Brennstoffzellenstapel 14 gelieferten Wasserstoff mit Stapelgüte, der den Wasser-Gas-Shift 38 und PrOx 40 umgeht, die Startzeit für den Fahrzeugbetrieb verringert. Ferner kann durch Verwendung eines Membranseparators 18 oberstromig des Wasser-Gas-Shift 38 das Gleichgewicht der Wasser-Gas-Shift-Reaktion weiter auf die Produktseite verschoben werden, was mehr Wasserstoff zur Folge hat, wodurch damit der Wirkungsgrad gesteigert wird. Zusätzlich resultiert die Entfernung von Wasserstoff durch den Membranseparator 18 in einem konzentrierteren Strom von Reaktanden und kann die Größe des Wasser-Gas-Shift-Reaktors 38 verringern oder das Gleichgewicht derart verschieben, dass weniger Kohlenmonoxid an den PrOx 40 geliefert wird, wodurch ein kleinerer PrOx 40 ermöglicht wird. Die Größe des PrOx 40 und des Wasser-Gas-Shift-Reaktors 38 kann auch durch Erhöhung des Betriebsdrucks des Brennstoffprozessors verringert werden, der einen besseren Betriebspunkt für den Membranseparator 18 darstellt.
  • 4 zeigt eine alternative Ausführungsform des Brennstoff verarbeitenden Systems 12 mit einem autothermen Reformer 16, einem Membranseparator 18, einem CO-Verringerungs- und Reinigungsabschnitt 20 und einem Brennersystem 22. Bei dieser Ausführungsform ist jedoch der Membranseparator 18 in den Wasser-Gas-Shift 38 integriert. Bei dieser zweiten Ausführungsform wird Wasserstoff durch den Membranseparator 18 entfernt, wenn dieser erzeugt wird. Diese Ausführungsform sieht den Vorteil vor, dass das Wasser-Gas-Shift-Gleichgewicht mehr auf die Produktseite in einer einzelnen Einheit verschoben wird. Zusätzlich hat diese Ausführungsform zur Folge, dass weniger Kohlenmonoxid an den PrOx 40 geliefert wird.
  • 5 zeigt eine andere Ausführungsform des Brennstoffprozessors der vorliegenden Erfindung mit dem autothermen Reformer 16, dem Membranseparator 18, dem CO-Verringerungs- und Reinigungsabschnitt 20 und dem Brennersystem 22, wobei jedoch der Membranseparator 18 in dem Primärreaktor 24 positioniert ist. Ähnlicherweise wird bei dieser Ausführungsform Wasserstoff von dem Membranseparator 18 entfernt, wenn dieser erzeugt wird. Diese Ausführungsform sieht den Vorteil vor, dass das Wasserdampfreformiergleichgewicht verschoben wird, um mehr Wasserstoff zu erzeugen, was in einer Verringerung der Wasser-Gas-Shift- und PrOx-Volumen resultiert.
  • 6 zeigt eine andere Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 100, das schematisch unter Verwendung von Wasserdampf als ein Spül gas gezeigt ist. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst einen Abschnitt 102 zur autothermen Reformierung, ein Membransystem 104, einen CO-Verringerungs- und Reinigungsabschnitt 106, ein Brennstoffzellenstapelsystem 108 und ein Brennersystem 107.
  • Der Abschnitt 102 zum autothermen Reformieren umfasst einen autothermen Reformer 110. Der autotherme Reformer 110 besitzt drei Einlässe 112, 114 und 116, die Brennstoff, Luft bzw. Wasserdampf in den autothermen Reformer 110 führen. Der autotherme Reformer 110 steht in Fluidverbindung mit dem Membransystem 104 über eine Leitung 111.
  • Das Membransystem 104 besitzt zwei Einlässe, nämlich einen für das wasserstoffhaltige Reformat 111 und den anderen für den Wasserdampf 120. Das Membransystem 104 besitzt drei Auslässe, nämlich einen für den Luft/Wasserdampf-Strom 129, den anderen für den Wasserstoffstrom 127 und den wieder anderen für den Reformatstrom 131. Es sei angemerkt, dass der Strom 129 verwendbar ist, um einen Teil der Zufuhr zu liefern, die ansonsten durch die Ströme 114 und 116 vorgesehen wird.
  • Das wasserstoffhaltige Reformat 111 von dem System 102 zum autothermen Reformieren tritt in einen Membranseparator 118 in dem Membransystem 104 ein, wie vorher beschrieben wurde. Der Membranseparator 118 besitzt einen Einlass 120 für Wasserdampf, der als ein Spülgas verwendet wird, um eine Wasserstofftrennung von dem gemischten Reformatstrom 111 zu erleichtern. Der Wasserdampf von dem Einlass 120 erleichtert die Extraktion des Wasserstoffs von der Oberfläche des Membranseparators 118, wodurch ein Strom 126 erzeugt wird, der Wasserdampf und Wasserstoff umfasst.
  • Der Strom aus Wasserstoff und Wasserdampf 126 wird von dem Membranseparator 118 an eine Wasserdampfübertragungsvorrichtung 122 in dem Membransystem 104 übertragen.
  • Wie in 7 gezeigt ist, besitzt die Wasserdampfübertragungsvorrichtung 122 eine Vielzahl von Leitungen 123, die hier als dreidimensionale Durchgänge gezeigt sind. Diese Leitungen 123 sind so verbunden, um die Strömung eines Primärgases durch alle Leitungen 123 zu ermöglichen. Die Richtung des Primärfluids ist bevorzugt der Richtung der Strömung des Sekundärgases entgegengesetzt. Bei dieser Ausführungsform umfasst der Primärgasstrom 126 Wasserdampf und Wasserstoff, und der Sekundärgasstrom 128 ist Luft, wie gezeigt ist. Die Vorrichtung 122 umfasst eine Wasserübertragungsmembran 124, die aus einem Material gefertigt ist, das ein beliebiges Material ist, das die Übertragung von dampfförmigem Wasser oder Wasserdampf von einem Fluidstrom zu einem anderen Fluidstrom ermöglicht. Ein derartiges Material erlaubt selektiv die Übertragung von Wasserdampf, ohne auch die Übertragung anderer Gase, wie beispielsweise Wasserstoff, zuzulassen. Allgemein ist die Wasserübertragungsmembran 124 aus Materialien gefertigt, die diejenigen umfassen, die aus Polyperfluorsulfonsäure, sulfoniertem Polystyrol, Polyethersulfon, sulfoniertem Polyetherketon, Polycarbonaten, anderen sulfonierten Materialien und deren Mischungen gefertigt sind. Ein bevorzugtes Membranmaterial besteht aus Polyperfluorsulfonsäure. Ein besonders bevorzugtes Membranmaterial wird mit der Handelsbezeichnung "NAFION" von E.I. DuPont de Nemours Company vertrieben. Die Wasserdampfübertragungsvorrichtungen sind auch in den gemeinsam übertragenen Anmeldungen USSN 09/910,331 mit dem Titel Water Vapor Transfer Device for a Fuel Cell Power Plant, eingereicht am 20. Juli 2001 und in der USSN 09/910,307 mit dem Titel "Water Vapor Transfer Device for Fuel Cell Reformer", eingereicht am 20. Juli 2001 beschrieben, von denen jede hier in ihrer Gesamtheit als Lehrbeispiel einbezogen ist.
  • Die Wasserübertragungsmembran 124 erlaubt selektiv die Übertragung von Wasserdampf von dem Strom 126, der Wasserstoff und Wasserdampf enthält, an den Strom 128, der Luft enthält, ohne einen größeren Durchgang (Leck) von Wasserstoff von dem Strom 126 auf den Luftstrom 128 zuzulassen. Genauer tritt der Wasserstoff- und Wasserdampfstrom 126 in die Wasserdampfübertragungsvorrichtung 122 ein. Der Luftstrom 128 tritt ebenfalls in die Wasserdampfübertragungsvorrichtung 122 ein. Der Primärstrom aus Wasserstoff und Wasserdampf 126 strömt durch die Leitungen 123 der Wasserdampfübertragungsvorrichtung 122 über eine Seite der Membran 124. Der sekundäre Luftstrom 128 strömt über eine entgegengesetzte Seite der Membran 124. Der Wasserdampf des Stroms 126 wird selektiv durch das Wasserdampfübertragungsmaterial 124 in den Luftstrom 128 übertragen, um einen Wasserdampf- und Luftstrom 129 zu bilden. Wenn der Wasserdampf von dem Primärstrom 126 entfernt ist, verbleibt Wasserstoff in dem Strom 127. Dieser Wasserstoffstrom 127 wird anschließend an das Brennstoffzellenstapelsystem 108 geliefert.
  • Der Auslass 131 des Membranseparators 118 steht in Fluidverbindung mit dem CO-Verringerungs- und Reinigungssystem 106 zur Übertragung des wasserstoffarmen Reformatstroms. Das CO-Verringerungs- und Reinigungssystem 106 kann einen Wasser-Gas-Shift 130 und/oder einen PrOx 132 umfassen. Der Wasser-Gas-Shift 130 steht in Fluidverbindung mit dem Membransystem 104 zur Aufnahme des Reformatstroms. Der Wasser-Gas-Shift 130 umfasst eine Gleichgewichtsreaktion, die in der Bildung von Wasserstoff resultiert. Der Reformatstrom von dem Wasser-Gas-Shift 130 tritt in den PrOx 132 ein. Der PrOx 132 wird dazu verwendet, Kohlenmonoxid von dem Reformat zu entfernen, das nach dem Wasser-Gas-Shift 130 aufgenommen wird. Der PrOx 132 steht in Fluidverbindung mit dem Brennstoffzellenstapelsystem 108 und erzeugt einen Strom 135 mit Stapelgüte, der Wasserstoff enthält, für das Brennstoffzellenstapelsystem 108.
  • Demgemäß steht das Brennstoffzellenstapelsystem 108 in Fluidverbindung mit dem CO-Verringerungs- und Reinigungssystem 106, um einen Strom 135 mit Stapelgüte aufzunehmen, der Wasserstoff enthält, und umfasst einen Brennstoffzellenstapel 134. Der Wasserstoffreformatstrom 135 von dem CO-Verringerungs- und Reinigungssystem 106 tritt in den Brennstoffzellenstapel 134 zusätzlich zu dem Wasserstoffstrom 127 ein, der von dem Membransystem 104 geliefert wird. Der Brennstoffzellenstapel 134 besitzt einen Lufteinlass 136. Der Brennstoffzellenstapel 134 erzeugt elektrische Energie und Wärme aus einer gesteuerten Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff aus der Luft.
  • Die Beschreibung der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur, und somit Abwandlungen, die nicht von der Grundidee der Erfindung abweichen, als innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung anzusehen. Derartige Abwandlungen sind nicht als Abweichung von der Idee und dem Schutzumfang der Erfindung zu betrachten.
  • Zusammenfassung
  • Es ist ein Brennstoff verarbeitendes System zur Reformierung eines Kohlenwasserstoff-Brennstoffs vorgesehen. Dieses Brennstoff verarbeitende System verwendet einen Membranseparator, um den Wasserstoff von dem Reformatstrom zu trennen. Ein CO-Verringerungs- und Reinigungssystem arbeitet mit dem Membranseparator zusammen, um die Produktion von Wasserstoff zu steigern.

Claims (24)

  1. Brennstoff verarbeitendes System mit: einem Reaktor zum Reformieren eines Kohlenwasserstoff-Brennstoffstroms in einen Reformatstrom, der Wasserstoff und andere Bestandteile umfasst; einem Membranseparator zur Entfernung von Wasserstoff von dem Reformatstrom, wobei der Membranseparator eine Membran umfasst, die für Wasserstoff relativ durchlässig und für andere Bestandteile relativ wenig durchlässig ist; und einem CO-Verringerungs- und Reinigungssystem zur weiteren Reformierung des Reformatstroms.
  2. Brennstoff verarbeitendes System nach Anspruch 1, wobei das CO-Verringerungs- und Reinigungssystem einen Wasser-Gas-Shift und einen PrOx umfasst.
  3. Brennstoff verarbeitendes System nach Anspruch 1, wobei der Membranseparator eine Vielzahl von Rohren umfasst, um das Reformat über die Membran zu führen und damit eine Trennung des Wasserstoffs von dem Reformatstrom zu bewirken.
  4. Brennstoff verarbeitendes System nach Anspruch 1, wobei der Membranseparator Palladium oder eine Palladiumlegierung umfasst, um eine selektive Permeation von Wasserstoff zu erleichtern.
  5. Brennstoff verarbeitendes System nach Anspruch 4, wobei das Palladium oder die Palladiumlegierung in der Form einer Lage vorgesehen ist, die eine Oberfläche von jedem der Vielzahl von Rohren festlegt.
  6. Brennstoff verarbeitendes System nach Anspruch 1, wobei der Membranseparator eine Vielzahl von Platten umfasst, um das Reformat über die Membran zu führen und eine Trennung des Wasserstoffs von dem Reformatstrom zu bewirken.
  7. Brennstoff verarbeitendes System nach Anspruch 6, wobei das Palladium oder die Palladiumlegierung in der Form einer Lage vorgesehen ist, die eine Oberfläche von jeder der Vielzahl von Platten festlegt.
  8. Brennstoff verarbeitendes System nach einem der Ansprüche 5 oder 7, wobei die Lage kleiner als zehn Mikrometer dick ist.
  9. Brennstoff verarbeitendes System nach Anspruch 1, wobei der Membranseparator einteilig mit dem CO-Verringerungs- und Reinigungssystem ausgebildet ist.
  10. Brennstoff verarbeitendes System nach Anspruch 1, wobei der Membranseparator einteilig mit dem Reaktor ausgebildet ist.
  11. Brennstoff verarbeitendes System nach Anspruch 1, ferner mit einem Spülfluidsystem in Verbindung mit dem Membranseparator, um einen Wasserstofftransport von dem Membranseparator weg zu erleichtern.
  12. Brennstoff verarbeitendes System nach Anspruch 11, wobei das Spülfluidsystem einen Strom umfasst, der einen niedrigeren Wasserstoffpartialdruck als das Reformat aufweist, um entfernten Wasserstoff von dem Membranseparator weg zu führen.
  13. Brennstoff verarbeitendes System nach Anspruch 12, ferner mit einer Wasserübertragungsvorrichtung, die eine Membran umfasst, die für Wasser relativ durchlässig ist und für Wasserstoff relativ wenig durchlässig ist, um Wasserdampf von dem entfernten Wasserstoff zu trennen.
  14. Brennstoff verarbeitendes System nach Anspruch 13, wobei die Wasserübertragungsvorrichtung ferner eine Luftquelle umfasst, die eine Antriebskraft vorsieht, um getrennten Wasserdampf von der Wasserübertragungsvorrichtung weg zu führen.
  15. Verfahren zum Reformieren von Brennstoff, mit den Schritten, dass: ein Kohlenwasserstoffbrennstoff in einen Reaktor zur Reformierung des Kohlenwasserstoff-Brennstoffs in einen Reformatstrom eingeführt wird, der Wasserstoff und andere Bestandteile umfasst; der Reformatstrom entlang eines Membranseparators geführt wird, um Wasserstoff von dem Reformatstrom zu entfernen; und der verbleibende Strom an ein CO-Verringerungs- und Reinigungssystem zur weiteren Reformierung geführt wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, ferner mit dem Schritt, dass eine entgegengesetzte Seite des Membranseparators mit einem Fluid gespült wird, um Wasserstoff davon zu entfernen.
  17. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das CO-Verringerungs- und Reinigungssystem einen Wasser-Gas-Shift und einen PrOx umfasst.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei die anderen Bestandteile Kohlenmonoxid (CO) und Wasser (H2O) umfassen, und wobei der Wasser-Gas-Shift das CO und H2O in dem Reformatstrom reagiert und der PrOx zumindest einen Anteil von verbleibendem Kohlenmonoxid von dem Reformatstrom entfernt.
  19. Brennstoffzellensystem mit einem Reaktor zum Reformieren eines Kohlenwasserstoff-Brennstoffstroms in einen wasserstoffhaltigen Reformatstrom; einem Membranseparator zum Entfernen von Wasserstoff von dem wasserstoffhaltigen Reformatstrom; einem Wasser-Gas-Shift zum weiteren Reformieren des Reformatstroms; und einem Brennstoffzellenstapel in Fluidverbindung mit dem Membranseparator zum Aufnehmen von Wasserstoff, der von dem Membranseparator entfernt wurde.
  20. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 19, ferner mit einem PrOx unterstromig des Wasser-Gas-Shift.
  21. Brennstoff verarbeitendes System nach Anspruch 19, wobei der Membranseparator einteilig mit dem Wasser-Gas-Shift ausgebildet ist, wodurch ein gemeinsamer palladiumbasierter Membransepara tor- und Wasser-Gas-Shift-Katalysator vorgesehen wird, um den Wasserstoff zu entfernen, wenn er in dem Shiftreaktor gebildet wird.
  22. Brennstoff verarbeitendes System nach Anspruch 19, wobei der Membranseparator einteilig mit dem Reaktor ausgebildet ist.
  23. Brennstoff verarbeitendes System nach Anspruch 19, ferner mit einem Spülfluid in Verbindung mit dem Membranseparator, um entfernten Wasserstoff von dem Membranseparator weg zu transportieren.
  24. Brennstoff verarbeitendes System nach Anspruch 12, wobei der Strom Wasserdampf umfasst.
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