DE10149658B4 - Apparatus and method for the catalytic fuel gas treatment of a hydrogen-rich reformer gas for a fuel cell - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung zur katalytischen Brenngasaufbereitung eines wasserstoffreichen Reformergases für eine Brennstoffzelle, bestehend aus in Strömungsrichtung des Reformergases aufeinander folgend angeordneten Baustufen mit a) einer ersten Baustufe mit einem Niedertemperatur-Konverter (18), welche zur Durchführung einer Wassergas-Shift-Reaktion mit einem Katalysator beschichtet ist, und b) zumindest einer weiteren Baustufe mit mindestens einer kombinierten Gasreinigungsstufe (20), welche zur Durchführung der Wassergas-Shift-Reaktion und selektiven CO-Oxidation mit einem Katalysator beschichtet ist und eine steuerbare Luftzuführung (24) aufweist, wobei die Vorrichtung (10) bei einem Kaltstart mit konstanter Last anzufahren ist.Device for the catalytic fuel gas treatment of a hydrogen-rich reformer gas for a fuel cell, consisting of successively arranged in the direction of flow of the reformer gas stages with a) a first stage with a low-temperature converter (18) which is coated to carry out a water gas shift reaction with a catalyst , and b) at least one further construction stage with at least one combined gas purification stage (20) which is coated with a catalyst for carrying out the water gas shift reaction and selective CO oxidation and has a controllable air supply (24), the apparatus (10 ) is to be approached during a cold start with a constant load.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur katalytischen Brenngasaufbereitung eines wasserstoffreichen Reformergases für eine Brennstoffzelle mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen sowie ein dazugehöriges Verfahren zur katalytischen Brenngasaufbereitung mit den in Anspruch 15 genannten Merkmalen.The invention relates to a device for the catalytic fuel gas treatment of a hydrogen-rich reformer gas for a fuel cell with the features mentioned in claim 1 and an associated method for catalytic fuel gas treatment with the features mentioned in claim 15.

Brennstoffzellen sind elektrochemische Zellen, mit denen die chemische Energie eines geeigneten Brennstoffes mit Sauerstoff aus der Luft kontinuierlich in elektrische Energie gewandelt werden kann. Als Brennstoffe kommen hauptsächlich Wasserstoff, Methanol und Methan in Betracht. Gewöhnliche Kraftstoffe sind nicht direkt einsetzbar und müssen durch eine chemische Reformierungsreaktion in Wasserstoff umgewandelt werden. Letzterer Energieträger zeichnet sich jedoch durch seine gute Verfügbarkeit, geringeres Sicherheitsrisiko und geringen Logistikaufwand zur Bereitstellung des Treibstoffes aus.Fuel cells are electrochemical cells with which the chemical energy of a suitable fuel with oxygen from the air can be continuously converted into electrical energy. As fuels are mainly hydrogen, methanol and methane into consideration. Ordinary fuels are not directly usable and must be converted to hydrogen by a chemical reforming reaction. However, the latter energy source is characterized by its good availability, lower security risk and low logistics costs for providing the fuel.

Für den mobilen Einsatz von Brennstoffzellen eignen sich insbesondere so genannte Niedertemperatur-Brennstoffzellen. Diese Zellen können typischerweise mit 80 bis 100°C betrieben werden – unter Umständen besteht auch die Möglichkeit, diese Zellen bei Raumtemperatur zu betreiben (zum Beispiel eine Proton Exchange Membrane Full Cell (PEM-FC)). Als Katalysatoren für den elektrochemischen Prozess eignen sich Edelmetalle. Aufgrund ihrer Affinität zu Kohlenmonoxid muss dieses weitestgehend aus dem bereitgestellten Brenngas entfernt werden. Die Toleranzgrenze für Kohlenmonoxid an den derzeit verwendeten Anodenkatalysatoren liegt bei einer Betriebstemperatur der Brennstoffzelle von 80 bis 100°C bei etwa 10 CO-Teilchen pro 1 Million Katalysatorteilchen. Bei Bereitstellung eines Brenngases durch Reformingprozesse ist daher eine Gasreinigung beispielsweise mit selektiver CO-Oxidation notwendig.In particular, so-called low-temperature fuel cells are suitable for the mobile use of fuel cells. These cells can typically be operated at 80 to 100 ° C - it may also be possible to operate these cells at room temperature (for example, a Proton Exchange Membrane Full Cell (PEM-FC)). Suitable catalysts for the electrochemical process are noble metals. Due to their affinity for carbon monoxide, this must be largely removed from the fuel gas provided. The tolerance limit for carbon monoxide on the currently used anode catalysts is at an operating temperature of the fuel cell of 80 to 100 ° C at about 10 CO particles per 1 million catalyst particles. When providing a fuel gas by reforming processes, therefore, a gas purification, for example, with selective CO oxidation is necessary.

Beim Benzin- oder Methanolreforming zur Brenngasaufbereitung erfolgt zunächst in einer ersten Stufe eine katalytische Reformierung mit Wasserdampf bei hohen Temperaturen. Das entstehende Wasserstoff-, Kohlendioxid- und Kohlenmonoxidgemisch wird in nachfolgenden katalytischen Stufen mit Wasser in Wasserstoff und Kohlendioxid umgesetzt. Ein verbleibender Rest von Kohlenmonoxid muss beispielsweise durch selektive Oxidation in der Gasreinigungsstufe entfernt werden. Eine hinreichende Gasreinigung ist bislang nur durch in Reihe geschaltete Stufen für die Wassergas-Shift-Reaktion und selektive CO-Entfernung erreichbar. Dies führt zum Einen zu einem erheblichen Bauraumbedarf und hohem Eigengewicht der Anlage und zum Anderen sind der Edelmetallbedarf und damit die Materialkosten für die katalytischen Komponenten einer solchen Anlage hoch.When gasoline or methanol reforming for fuel gas treatment is carried out first in a first stage, a catalytic reforming with water vapor at high temperatures. The resulting hydrogen, carbon dioxide and carbon monoxide mixture is converted in subsequent catalytic stages with water in hydrogen and carbon dioxide. For example, residual carbon monoxide needs to be removed by selective oxidation in the gas purification stage. Sufficient gas purification has so far only been achieved by series-connected stages for the water gas shift reaction and selective CO removal. On the one hand, this leads to a considerable space requirement and a high dead weight of the system and, on the other hand, the precious metal requirement and thus the material costs for the catalytic components of such a system are high.

Ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, um einen wasserstoffreichen Strom mit Sauerstoff elektrochemisch zu reagieren und Elektrizität zu erzeugen, ist aus der Druckschrift DE 100 54 139 A1 bekannt. Dabei weist der wasserstoffreiche Strom eine erste Konzentration an Kohlenmonoxid auf, die von der Brennstoffzelle tolerierbar ist. Außerdem ist ein erster Reaktor, der oberstromig der Brennstoffzelle angeordnet und zur Erzeugung eines wasserstoffreichen Brennstoffstroms mit einer zweiten Konzentration an Kohlenmonoxid, die grösser als die erste Konzentration ist, ausgebildet. Ein Wasser-Gas-Shiftreaktor ist zwischen dem katalytischen Reaktor und der Brennstoffzelle angeordnet und dazu ausgebildet, die zweite Konzentration auf eine dritte Konzentration an Kohlenmonoxid, die der ersten Konzentration näher liegt, zu verringern. Der Wasser-Gas-Shiftreaktor umfasst ein Einlassende und ein Auslassende, wobei ein erstes Katalysatorbett benachbart zu dem Einlassende und ein zweites Katalysatorbett benachbart zu dem Auslassende angeordnet ist. Außerdem ist das zweite Katalysatorbett unterstromig des ersten Katalysatorbettes angeordnet und derart ausgebildet, um den Strom mit einer CO-Konzentration von weniger als etwa 2 Volumen-% aufzunehmen. Eine Sauerstoffeinführvorrichtung ist zum Einführen von Sauerstoff in das zweite Katalysatorbett während eines normalen Systembetriebs vorgesehen, um den Sauerstoff mit dem Kohlenmonoxid in dem zweiten Bett reagieren zu lassen und das Kohlenmonoxid in dem zweiten Bett zu verbrauchen.A fuel cell system with a fuel cell for electrochemically reacting a hydrogen-rich stream with oxygen and generating electricity is known from the document DE 100 54 139 A1 known. In this case, the hydrogen-rich stream has a first concentration of carbon monoxide, which is tolerable by the fuel cell. In addition, a first reactor, which is arranged upstream of the fuel cell and for generating a hydrogen-rich fuel stream with a second concentration of carbon monoxide, which is greater than the first concentration formed. A water-gas shift reactor is disposed between the catalytic reactor and the fuel cell and configured to reduce the second concentration to a third concentration of carbon monoxide closer to the first concentration. The water-gas shift reactor includes an inlet end and an outlet end, wherein a first catalyst bed is disposed adjacent to the inlet end and a second catalyst bed is adjacent to the outlet end. In addition, the second catalyst bed is located downstream of the first catalyst bed and configured to receive the stream having a CO concentration of less than about 2% by volume. An oxygen introduction device is provided for introducing oxygen into the second catalyst bed during normal system operation to react the oxygen with the carbon monoxide in the second bed and consume the carbon monoxide in the second bed.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur katalytischen Brenngasaufbereitung zu schaffen, die mit geringerem Gewicht und Volumen und niedrigeren Kosten den Einsatz von Brennstoffzellen in mobilen Systemen verbessert. Weiterhin soll ein Verfahren geschaffen werden, mit dem der Betrieb einer solchen Vorrichtung unter Kaltstartbedingungen oder unter Volllast optimiert wird.Object of the present invention is therefore to provide a device for catalytic fuel gas treatment, which improves the use of fuel cells in mobile systems with lower weight and volume and lower cost. Furthermore, a method is to be created with which the operation of such a device is optimized under cold start conditions or under full load.

Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung zur katalytischen Brenngasaufbereitung mit den in dem Anspruch 1 genannten Merkmalen sowie das Verfahren mit den in dem Anspruch 15 genannten Merkmalen gelöst. Die Vorrichtung besteht aus in Strömungsrichtung des Reformergases aufeinander folgend angeordneten Baustufen mit

  • a) einer ersten Baustufe mit einem Niedertemperatur-Konverter, welche zur Durchführung einer Wassergas-Shift-Reaktion mit einem Katalysator beschichtet ist, und
  • b) zumindest einer weiteren Baustufe mit mindestens einer kombinierten Gasreinigungsstufe, welche zur Durchführung der Wassergas-Shift-Reaktion und selektiven CO-Oxidation mit einem Katalysator beschichtet ist und eine steuerbare Luftzuführung aufweist.
This object is achieved by the device for catalytic fuel gas treatment with the features mentioned in the claim 1 and the method having the features mentioned in the claim 15. The device consists of in the flow direction of the reformer gas successively arranged stages of construction
  • a) a first construction stage with a low-temperature converter, which is coated to carry out a water gas shift reaction with a catalyst, and
  • b) at least one further stage of construction with at least one combined gas purification stage, which is coated to carry out the water gas shift reaction and selective CO oxidation with a catalyst and having a controllable air supply.

Durch Verwendung geeigneter Edelmetallkatalysatoren, die sowohl die Wassergas-Shift-Reaktion als auch die selektive CO-Oxidation katalysieren, wird durch eine Zusammenfassung der möglichen Funktionalitäten der Katalysatoren in einer gemeinsamen kombinierten Gasreinigungsstufe eine Reduzierung von Bauraum, Gewicht und Katalysatormasse ermöglicht. Im Normalbetrieb der Brenngasaufbereitung kann durch die aufgezeigte Anordnung sowohl ein hinreichend hoher Wasserstoffgehalt erzielt werden als auch die CO-Konzentration ausreichend abgesenkt werden. Unter besonderen Betriebsbedingungen, wie beispielsweise einem Kaltstart oder Volllast, lässt sich durch gezielte Luftzuführung der erhöhte CO-Anteil im Brenngas selektiv aufoxidieren. Beim Kaltstart wird die Vorrichtung vorzugsweise mit konstanter Last angefahren, um eine optimale Verweilzeit des Reformergases am Katalysator zu gewährleisten. Falls erforderlich, wird Luft in die kombinierte Gasreinigungsstufe eingeblasen, um durch die freiwerdende Wärme der CO-Oxidation schneller die notwendige Betriebstemperatur zu erreichen.By using suitable noble metal catalysts, which catalyze both the water gas shift reaction and the selective CO oxidation, a reduction of space, weight and catalyst mass is made possible by a summary of the possible functionalities of the catalysts in a combined combined gas purification stage. In normal operation of the fuel gas treatment can be achieved by the arrangement shown both a sufficiently high hydrogen content and the CO concentration can be sufficiently lowered. Under special operating conditions, such as a cold start or full load, the increased CO content in the fuel gas can be selectively oxidized by targeted air supply. During a cold start, the device is preferably started with a constant load in order to ensure an optimum residence time of the reformer gas on the catalyst. If necessary, air is blown into the combined gas purification stage to more quickly reach the required operating temperature through the released CO oxidation heat.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist dem Niedertemperatur-Konverter ein Wärmeaustauscher vorgeschaltet, der das Reformergas auf die Betriebstemperatur des Niedertemperatur-Konverters abkühlt. Der Wärmeaustauscher ist nicht oder kann optional im Bereich der Reformer-Gasführung mit einer geringen Katalysatorbeladung beschichtet sein. In letzterem Fall wird die Möglichkeit geschaffen, bei gleichzeitiger Kühlung in geringerem Umfang eine Wasserstoffgenerierung über die (exotherme) Wassergas-Shift-Reaktion zu bewirken. Bevorzugt ist ferner, dass der Wärmetauscher und der Niedertemperatur-Konverter einen gemeinsamen Kühlkreislauf besitzen, wobei eine Förderrichtung des Kühlmediums im Wärmetauscher als auch im Niedertemperatur-Konverter, bevorzugt im Gegenstrom zur Führungsrichtung des Reformergases, verläuft.In an advantageous embodiment of the device, the low-temperature converter is preceded by a heat exchanger, which cools the reformer gas to the operating temperature of the low-temperature converter. The heat exchanger is not or may optionally be coated in the region of the reformer gas guide with a low catalyst loading. In the latter case, the possibility is created, while cooling to a lesser extent hydrogen generation via the (exothermic) water gas shift reaction to effect. It is further preferred that the heat exchanger and the low-temperature converter have a common cooling circuit, wherein a conveying direction of the cooling medium in the heat exchanger and in the low-temperature converter, preferably in countercurrent to the direction of the reformer gas, runs.

Eine weitere Einsparung von Gewicht und Bauraum wird vorzugsweise dadurch erzielt, dass der Wärmeaustauscher und der Niedertemperatur-Konverter zu einer baulichen Einheit zusammengefasst sind. Denkbar ist auch, den Niedertemperatur-Konverter und die mindestens eine kombinierte Gasreinigungsstufe zu koppeln. Vorzugsweise können alle drei Komponenten – also der Wärmeaustauscher, der Niedertemperatur-Reformer und die kombinierte Gasreinigungsstufe – zu einer kompakten und geringen Bauraum benötigenden, baulichen Einheit zusammengefasst werden.A further saving of weight and space is preferably achieved in that the heat exchanger and the low-temperature converter are combined to form a structural unit. It is also conceivable to couple the low-temperature converter and the at least one combined gas purification stage. Preferably, all three components - ie the heat exchanger, the low-temperature reformer and the combined gas purification stage - can be combined to form a compact and small space-requiring, structural unit.

Ferner ist bevorzugt, dass dem Wärmeaustauscher ein Konverter vorgeschaltet ist. Dieser kann entweder mit Hinsicht auf eine adiabatische Reaktionsführung oder eine isotherme Reaktionsführung ausgelegt sein. Im letzteren Fall sind Hochtemperatur-Konverter bevorzugt, deren Betriebstemperaturen im Bereich von 350 bis 500°C liegen.Furthermore, it is preferred that the heat exchanger is preceded by a converter. This can be designed either with regard to an adiabatic reaction or an isothermal reaction. In the latter case, high temperature converters are preferred whose operating temperatures are in the range of 350 to 500 ° C.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der kombinierten Gasreinigungsstufe eine zusätzliche, wahlweise ansteuerbare Gasreinigungsstufe zur selektiven CO-Oxidation nachgeordnet ist. Die Gasreinigungsstufe ist vorzugsweise zur isothermen Reaktionsführung ausgelegt und weist eine Kühlung auf, deren Kühlmedium im Gleichstrom zur Führungsrichtung des Reformergases gefördert wird. Diese zusätzliche Gasreinigungsstufe wird immer dann angesteuert, wenn das Reformergas trotz selektiver CO-Oxidation in den vorgeschalteten Baustufen noch einen zu hohen Kohlenmonoxid-Anteil aufweist.A further preferred embodiment of the invention provides that the combined gas purification stage is followed by an additional, optionally controllable gas purification stage for selective CO oxidation. The gas purification stage is preferably designed for isothermal reaction control and has a cooling, the cooling medium is conveyed in cocurrent to the direction of the reformer gas. This additional gas purification stage is always activated when the reformer gas still has too high a carbon monoxide content despite selective CO oxidation in the upstream stages of construction.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die kombinierte Gasreinigungsstufe mit einer Katalysatormasse, die unterhalb der theoretisch für eine maximale katalytische Aktivität bei Volllast notwendigen Katalysatormasse liegt (Auslegungsgrenze), beschichtet. Bei Lastanforderungen, die oberhalb der Auslegungsgrenze liegen, wird darin zur Senkung des CO-Niveaus Luft über die Luftzufuhr der kombinierten Gasreinigungsstufe eingeblasen. Damit lässt sich die benötigte Edelmetallmasse für die Katalysatoren reduzieren.In a further advantageous embodiment, the combined gas purification stage is coated with a catalyst mass which is below the theoretical catalyst mass required for maximum catalytic activity at full load (design limit). For load requirements above the design limit, air is injected through the combined gas purge stage to lower the CO level. This can reduce the required precious metal mass for the catalysts.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the remaining, mentioned in the dependent claims characteristics.

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnung, die in schematischer Weise eine erfindungsgemäße Vorrichtung zeigt, näher erläutert.The invention will be explained in more detail in an embodiment with reference to the accompanying drawing, which shows schematically a device according to the invention.

Die Figur zeigt schematisch eine Vorrichtung 10 zur katalytischen Brenngasaufbereitung eines wasserstoffreichen Reformergases für eine nachgeschaltete Brennstoffzelle. Zur Brennstoffaufbereitung findet in diesem Falle zunächst eine katalytische Reformierung eines fossilen Brennstoffes oder Methanols in einem hier nicht dargestellten, vorgeschalteten Reformer statt. Das austretende Reformergas besteht im Wesentlichen aus Wasserstoff, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid und muss in den nachfolgenden katalytischen Stufen mit Wasser weitestgehend zu Wasserstoff und Kohlendioxid umgesetzt werden. Um eine Inhibierung der Edelmetallkomponenten der Brennstoffzelle zu verhindern, muss insbesondere der Kohlenmonoxid-Anteil stark abgesenkt werden.The figure shows schematically a device 10 for the catalytic fuel gas treatment of a hydrogen-rich reformer gas for a downstream fuel cell. For fuel treatment in this case takes place first a catalytic reforming of a fossil fuel or methanol in an upstream reformer, not shown here. The exiting reformer gas consists essentially of hydrogen, carbon dioxide and carbon monoxide and must be converted in the subsequent catalytic stages with water as far as possible to hydrogen and carbon dioxide. In order to prevent an inhibition of the noble metal components of the fuel cell, in particular the carbon monoxide component must be greatly reduced.

Hierzu tritt das den Reformer verlassende Reformergas zunächst in einen Hochtemperatur-Konverter 12 ein, der die Gleichgewichtsreaktion H2O + CO ↔ CO2 + H2 in Richtung der Produkte CO2 und H2 verschiebt (Wassergas-Shift-Reaktion). Der Hochtemperatur-Konverter 12 kann adiabatisch als auch isotherm – insbesondere unter Temperaturen im Bereich von 350 bis 500°C – betrieben werden.For this purpose, the reformer leaving the reformer gas first enters a high-temperature converter 12 which shifts the equilibrium reaction H 2 O + CO ↔ CO 2 + H 2 in the direction of the products CO 2 and H 2 (water gas shift reaction). The high temperature converter 12 can be adiabatic as well as isothermal - especially at temperatures in the range of 350 to 500 ° C - operated.

Nach Durchlaufen des Hochtemperatur-Konverters 12 tritt das Reformergas in eine kombinierte Baueinheit 14 ein, bestehend aus einem Wärmeaustauscher 16, einem als Niedertemperatur-Konverter 18 ausgestalteten zweiten Konverter und einer oder mehreren (hier zwei) kombinierten Gasreinigungsstufen 20. Der eingangsseitig befindliche Wärmeaustauscher 16 hat zur Aufgabe, das aus dem Hochtemperatur-Konverter 12 austretende Reformergas auf die Betriebstemperatur der nachfolgenden Komponenten abzukühlen, die vorzugsweise bei einer Temperatur von 250 bis 300°C betrieben werden. Um eine effektive Abkühlung des Reformergases zu erreichen, ist der Wärmeaustauscher 16 nicht oder allenfalls nur mit geringen, gegenüber dem nachfolgenden Konverter 18 deutlich niedrigeren Katalysatormengen beschichtet. Bei höheren Katalysatormengen würde die freiwerdende Wärme der in Richtung CO2/H2 exotherm verlaufenden Wassergas-Shift-Reaktion der zu erzielenden Kühlung entgegenwirken. Die Baueinheit 14 weist eine räumlich getrennte Reformergas- und Kühlmedienführung auf, die sich über alle Baustufen der Baueinheit 14 erstreckt. Vorzugsweise wird das Kühlmedium in einem Kühlkreislauf 22 durch den Wärmeaustauscher 16 und den Niedertemperatur-Konverter 18 jeweils nach dem Gegenstromprinzip und durch die kombinierten Gasreinigungsstufen 20 im Gleichstromprinzip geleitet.After passing through the high-temperature converter 12 the reformer gas enters a combined unit 14 a, consisting of a heat exchanger 16 , as a low-temperature converter 18 configured second converter and one or more (here two) combined gas purification stages 20 , The input side located heat exchanger 16 has to do the job, that from the high temperature converter 12 exiting reformer gas to cool to the operating temperature of the downstream components, which are preferably operated at a temperature of 250 to 300 ° C. In order to achieve effective cooling of the reformer gas, the heat exchanger is 16 not or at most only with low, compared to the subsequent converter 18 coated significantly lower amounts of catalyst. At higher amounts of catalyst, the heat released would counteract the CO 2 / H 2 exothermic water gas shift reaction of the cooling to be achieved. The construction unit 14 has a spatially separate reformer gas and cooling media management, which extends over all construction stages of the unit 14 extends. Preferably, the cooling medium is in a cooling circuit 22 through the heat exchanger 16 and the low temperature converter 18 in each case according to the countercurrent principle and by the combined gas purification stages 20 conducted in the DC principle.

Der Niedertemperatur-Konverter 18 ist zur Durchführung der Wassergas-Shift-Reaktion katalytisch beschichtet. Auch die nachfolgend angeordneten, kombinierten Gasreinigungsstufen 20 tragen eine derartige Beschichtung. Zusätzlich soll die Beschichtung in letztgenannten Komponenten auch zur selektiven CO-Oxidation bei Luftzufuhr dienen, was durch geeignete Katalysatorwahl ermöglicht wird. Unter normalen Betriebsbedingungen ist ein ausreichend hoher Umsatz von Kohlenmonoxid über die Wassergas-Shift-Reaktion ohne zusätzliche Luftzufuhr möglich. Erst, wenn infolge erhöhter Lastanforderungen oder bei einem Kaltstart der CO-Anteil des Reformergases ansteigt, kann die CO-Oxidation durch Luftzufuhr zugeschaltet werden. Dazu weisen die kombinierten Gasreinigungsstufen 20 eine gemeinsame Luftzuführung 24 auf.The low temperature converter 18 is catalytically coated to carry out the water gas shift reaction. Also arranged below, combined gas purification stages 20 wear such a coating. In addition, the coating in the latter components should also serve for selective CO oxidation with air supply, which is made possible by suitable choice of catalyst. Under normal operating conditions, a sufficiently high conversion of carbon monoxide via the water gas shift reaction without additional air supply is possible. Only when, as a result of increased load requirements or during a cold start, the CO content of the reformer gas increases, the CO oxidation can be switched by air supply. For this purpose, the combined gas purification stages 20 a common air supply 24 on.

Das aufgereinigte Reformergas kann über geeignete Gaswege 26 entweder direkt der Brennstoffzelle zugeführt werden oder – falls erforderlich – einer nachgeschalteten, weiteren Gasreinigungsstufe 28 zur selektiven CO-Oxidation zugeführt werden. Die Gasreinigungsstufe 28 wird vorzugsweise in Kombination mit einem Kühlkreislauf 30 isotherm betrieben und über eine Luftzuführung 32 mit Luft versorgt. Die Kühlung dieser optional zuschaltbaren Gasreinigungsstufe 28 erfolgt nach dem Gleichstromprinzip.The purified reformer gas can via suitable gas paths 26 either fed directly to the fuel cell or - if necessary - a downstream, further gas purification stage 28 be fed to the selective CO oxidation. The gas purification stage 28 is preferably in combination with a cooling circuit 30 operated isothermally and via an air supply 32 supplied with air. The cooling of this optionally switchable gas purification stage 28 takes place according to the DC principle.

Beim Kaltstart kann das System mit konstanter Last angefahren werden, wodurch eine CO-Feinreinigung bei optimaler Verweilzeit des Reformergases über dem selektiven CO-Oxidationskatalysator ermöglicht wird, Eine lastwechselbedingte, an CO-Oxidationskatalysatoren bekannte Rückshift-Problematik durch CO-Akkumulation kann damit umgangen werden. Zudem arbeiten der Hochtemperatur-Konverter 12 und die nachfolgende Baueinheit 14 bei kleiner konstanter Anfahrtslast effektiver.During a cold start, the system can be started with a constant load, which allows CO fine cleaning with optimum residence time of the reformer gas over the selective CO oxidation catalyst. A backshift problem known as CO oxidation catalysts due to CO 2 accumulation can thus be bypassed. In addition, the high-temperature converter work 12 and the following unit 14 more effective with a small constant starting load.

Die Baueinheit 14 ist bezüglich der katalytischen Masse/Kapazität nicht für Spitzenlast ausgelegt, um sowohl Bauvolumen und Gewicht als auch die Edelmetallkosten deutlich zu reduzieren. Die Katalysatormasse liegt unterhalb der theoretisch für eine maximale katalytische Aktivität bei Volllast notwendigen Katalysatormasse (Auslegungsgrenze). Je nach Lastbetrieb kann nach Lastanforderungen, die oberhalb der Auslegungsgrenze liegen, Luft über die Luftzuführung 24 in die kombinierte Gasreinigungsstufe 20 eingeblasen werden. Der zu hohe CO-Gehalt, der bei Lastanforderungen im Spitzenlastbereich durch die nicht mehr am Katalysator für die Wassergas-Shift-Reaktion ausreichende Menge resultiert, wird oxidativ auf das erforderliche, brennstoffzellenkompertible CO-Niveau gesenkt.The construction unit 14 is not designed for peak load in terms of catalytic mass / capacity to significantly reduce both bulk and weight as well as precious metal costs. The catalyst mass is below the theoretically required for maximum catalytic activity at full load mass of catalyst (design limit). Depending on the load operation, air can be supplied via the air supply according to load requirements that are above the design limit 24 in the combined gas purification stage 20 be blown. The excessively high CO content, which results in load requirements in the peak load range due to the quantity which is no longer sufficient for the catalyst for the water gas shift reaction, is oxidatively reduced to the required CO level which is compatible with the fuel cell.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
Vorrichtung zur katalytischen BrenngasaufbereitungDevice for catalytic fuel gas treatment
1212
Hochtemperatur-KonverterHigh-temperature converter
1414
Baueinheitunit
1616
Wärmeaustauscherheat exchangers
1818
Niedertemperatur-KonverterLow Temperature Converter
2020
kombinierte Gasreinigungsstufecombined gas purification stage
2222
KühlkreislaufCooling circuit
2424
Luftzuführungair supply
2626
Gaswegegas paths
2828
GasreinigungsstufeGas purification stage
3030
KühlkreislaufCooling circuit
3232
Luftzuführungair supply

Claims (21)

Vorrichtung zur katalytischen Brenngasaufbereitung eines wasserstoffreichen Reformergases für eine Brennstoffzelle, bestehend aus in Strömungsrichtung des Reformergases aufeinander folgend angeordneten Baustufen mit a) einer ersten Baustufe mit einem Niedertemperatur-Konverter (18), welche zur Durchführung einer Wassergas-Shift-Reaktion mit einem Katalysator beschichtet ist, und b) zumindest einer weiteren Baustufe mit mindestens einer kombinierten Gasreinigungsstufe (20), welche zur Durchführung der Wassergas-Shift-Reaktion und selektiven CO-Oxidation mit einem Katalysator beschichtet ist und eine steuerbare Luftzuführung (24) aufweist, wobei die Vorrichtung (10) bei einem Kaltstart mit konstanter Last anzufahren ist.Device for the catalytic fuel gas treatment of a hydrogen-rich reformer gas for a fuel cell, consisting of successively arranged in the flow direction of the reformer gas stages with a) a first construction stage with a low-temperature converter ( 18 ), which is coated to carry out a water gas shift reaction with a catalyst, and b) at least one further stage of construction with at least one combined gas purification stage ( 20 ), which is coated to carry out the water gas shift reaction and selective CO oxidation with a catalyst and a controllable air supply ( 24 ), the device ( 10 ) is to be approached during a cold start with a constant load. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Niedertemperatur-Konverter (18) ein Wärmeaustauscher (16) vorgeschaltet ist.Device according to Claim 1, characterized in that the low-temperature converter ( 18 ) a heat exchanger ( 16 ) is connected upstream. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaustauscher (16) keine Katalysatorbeschichtung zur Durchführung der Wassergas-Shift-Reaktion aufweist.Device according to claim 2, characterized in that the heat exchanger ( 16 ) has no catalyst coating to carry out the water gas shift reaction. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaustauscher (16) eine geringe Katalysatorbeschichtung zur Durchführung der Wassergas-Shift-Reaktion aufweist, die gegenüber dem nachfolgenden Niedertemperatur-Konverter (18) mit einer niedrigeren Katalysatormenge beschichtet ist.Device according to claim 2, characterized in that the heat exchanger ( 16 ) has a low catalyst coating for carrying out the water gas shift reaction, which compared to the subsequent low-temperature converter ( 18 ) is coated with a lower amount of catalyst. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaustauscher (16) und der Niedertemperatur-Konverter (18) einen gemeinsamen Kühlkreislauf (22) aufweisen.Apparatus according to claim 3 or 4, characterized in that the heat exchanger ( 16 ) and the low temperature converter ( 18 ) a common cooling circuit ( 22 ) exhibit. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaustauscher (16) und der Niedertemperatur-Konverter (18) zu einer baulichen Einheit zusammengefasst sind.Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the heat exchanger ( 16 ) and the low temperature converter ( 18 ) are combined into a structural unit. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Niedertemperatur-Konverter (18) und die mindestens eine kombinierte Gasreinigungsstufe (20) zu einer baulichen Einheit zusammengefasst sind.Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the low-temperature converter ( 18 ) and the at least one combined gas purification stage ( 20 ) are combined into a structural unit. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaustauscher (16), der Niedertemperatur-Konverter (18) und die mindestens eine kombinierte Gasreinigungsstufe (20) zu einer baulichen Einheit (14) zusammengefasst sind.Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the heat exchanger ( 16 ), the low-temperature converter ( 18 ) and the at least one combined gas purification stage ( 20 ) to a structural unit ( 14 ) are summarized. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Wärmeaustauscher (16) ein Hochtemperatur-Konverter (12) vorgeschaltet ist.Device according to claim 2, characterized in that the heat exchanger ( 16 ) a high temperature converter ( 12 ) is connected upstream. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperatur-Konverter (12) zur adiabatischen Reaktionsführung ausgelegt ist.Apparatus according to claim 9, characterized in that the high-temperature converter ( 12 ) is designed for adiabatic reaction. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperatur-Konverter (12) zur isothermen Reaktionsführung ausgelegt ist.Apparatus according to claim 9, characterized in that the high-temperature converter ( 12 ) is designed for isothermal reaction. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperatur-Konverter (12) für Betriebstemperaturen im Bereich von 350 bis 500°C ausgelegt ist.Apparatus according to claim 11, characterized in that the high-temperature converter ( 12 ) is designed for operating temperatures in the range of 350 to 500 ° C. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der kombinierten Gasreinigungsstufe (20) eine zusätzliche, wahlweise ansteuerbare Gasreinigungsstufe (28) zur selektiven CO-Oxidation nachgeordnet ist.Device according to one of claims 1 to 12, characterized in that the combined gas purification stage ( 20 ) an additional, optionally controllable gas purification stage ( 28 ) is arranged downstream of the selective CO oxidation. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasreinigungsstufe (28) zur isothermen Reaktionsführung ausgelegt ist.Apparatus according to claim 13, characterized in that the gas purification stage ( 28 ) is designed for isothermal reaction. Verfahren zur katalytischen Brenngasaufbereitung eines wasserstoffreichen Reformergases für eine Brennstoffzelle, bei dem das Reformergas durch in Strömungsrichtung des Reformergases aufeinander folgend angeordneten Baustufen mit a) einer ersten Baustufe mit einem Niedertemperatur-Konverter (18), welche zur Durchführung einer Wassergas-Shift-Reaktion mit einem Katalysator beschichtet ist, und b) zumindest einer weiteren Baustufe mit mindestens einer kombinierten Gasreinigungsstufe (20), welche zur Durchführung der Wassergas-Shift-Reaktion und selektiven CO-Oxidation mit einem Katalysator beschichtet ist und eine steuerbare Luftzuführung (24) aufweist, geleitet wird, wobei die Vorrichtung (10) zur katalytischen Brenngasaufbereitung des wasserstoffreichen Reformergases bei einem Kaltstart mit konstanter Last angefahren wird.Process for the catalytic fuel gas treatment of a hydrogen-rich reformer gas for a fuel cell, in which the reformer gas is arranged successively in the flow direction of the reformer gas stages with a) a first construction stage with a low-temperature converter ( 18 ), which is coated to carry out a water gas shift reaction with a catalyst, and b) at least one further stage of construction with at least one combined gas purification stage ( 20 ), which is coated to carry out the water gas shift reaction and selective CO oxidation with a catalyst and a controllable air supply ( 24 ), wherein the device ( 10 ) is approached for the catalytic fuel gas treatment of the hydrogen-rich reformer gas in a cold start with a constant load. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Förderrichtung des Kühlmediums im Niedertemperatur-Konverter (18) im Gegenstrom zum Reformergas verläuft.A method according to claim 15, characterized in that a conveying direction of the cooling medium in the low-temperature converter ( 18 ) runs in countercurrent to the reformer gas. Verfahren nach den Ansprüchen 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass dem Niedertemperatur-Konverter (18) ein Wärmeaustauscher (16) vorgeschaltet wird und eine Förderrichtung des Kühlmediums im Wärmeaustauscher (16) im Gegenstrom zum Reformergas verläuft.Process according to claims 15 or 16, characterized in that the low-temperature converter ( 18 ) a heat exchanger ( 16 ) and a conveying direction of the cooling medium in the heat exchanger ( 16 ) runs in countercurrent to the reformer gas. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Förderrichtung des Kühlmediums in der mindestens einen kombinierten Gasreinigungsstufe (20) im Gleichstrom zum Reformergas verläuft.Method according to one of claims 15 to 17, characterized in that a conveying direction of the cooling medium in the at least one combined gas purification stage ( 20 ) runs in cocurrent to the reformer gas. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der kombinierten Gasreinigungsstufe (20) eine zusätzliche, wahlweise ansteuerbare Gasreinigungsstufe (28) zur selektiven CO-Oxidation nachgeordnet wird und eine Förderrichtung des Kühlmediums in der Gasreinigungsstufe (28) im Gleichstrom zum Reformergas verläuft.Method according to one of claims 15 to 18, characterized in that the combined gas purification stage ( 20 ) an additional, optionally controllable gas purification stage ( 28 ) is arranged downstream of the selective CO oxidation and a conveying direction of the cooling medium in the gas purification stage ( 28 ) runs in cocurrent to the reformer gas. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Kaltstart Luft in die kombinierte Gasreinigungsstufe (20) eingeblasen wird.Method according to one of claims 15 to 19, characterized in that in a cold start air in the combined gas purification stage ( 20 ) is blown. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) mit einer Katalysatormasse unterhalb einer theoretisch für eine maximale katalytische Aktivität bei Volllast notwendigen Katalysatormasse beschichtet wird (Auslegungsgrenze) und bei Lastanforderungen, die oberhalb der Auslegungsgrenze liegen, Luft über die Luftzuführung (24) der kombinierten Gasreinigungsstufe (20) eingeblasen wird.Method according to one of claims 15 to 20, characterized in that the device ( 10 ) is coated with a catalyst mass below a catalyst mass theoretically necessary for a maximum catalytic activity at full load (design limit) and at load requirements which are above the design limit, air via the air supply ( 24 ) of the combined gas purification stage ( 20 ) is blown.
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