DE112005000390B4

DE112005000390B4 - Integrierte Brennstoffverarbeitungsanlage für eine dezentrale Wasserstoffproduktion

Info

Publication number: DE112005000390B4
Application number: DE112005000390T
Authority: DE
Inventors: Michael J. Reinke; Jeroen Valensa; Todd M. Bandhauer; Nicholas Siler; Mark G. Voss; Michael McGregor; Dennis C. Granetzke
Original assignee: Modine Manufacturing Co
Current assignee: Modine Manufacturing Co
Priority date: 2004-02-17
Filing date: 2005-02-16
Publication date: 2011-09-08
Anticipated expiration: 2025-02-17
Also published as: AU2005214355A1; US20050241232A1; WO2005080258A1; WO2005080260A1; CN1922101B; WO2005080261A1; WO2005080259A1; CN1922101A; BRPI0507705A; GB2429274B; GB2428039B; JP2007526869A; GB2429274A; JP2007528340A; US7520907B2; JP2007525398A; DE112005000367T5; US20050178063A1; GB0615226D0; BRPI0507741A

Abstract

Ein Brennstoffverarbeitungssystem umfassend: einen Dampfreformer; und einen rekuperativen Wärmetauscher, wobei der Wärmetauscher zur Leitung einer eine Dampf-/Brennstoffzufuhrmischung aufweisenden Fluidströmung zur Reformierung im Dampfreformer mit dem Dampfreformer verbunden ist, wobei der Dampfreformer zur Zurückleitung zum Wärmetauscher mit dem Wärmetauscher verbunden ist, wobei der Wärmetauscher umfasst: eine zylindrische Wand; eine erste gefaltete Rippe, die an einer radial nach innen gerichteten Oberfläche der Wand angebracht ist, wobei die Falten der ersten gefalteten Rippe zur Leitung der Fluidströmung durch den Wärmetauscher sich axial erstrecken; und eine zweite gefaltete Rippe, die an einer radial nach außen gerichteten Oberfläche dieser Wand angebracht ist, wobei die Falten der zweiten gefalteten Rippe zur Leitung der Fluidströmung durch den Wärmetauscher sich axial erstrecken.

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft Brennstoffverarbeitungsanlagen und insbesondere die Verwendung von Brennstoffverarbeitungsanlagen für eine dezentrale Wasserstoffproduktion.
Hintergrund der Erfindung
Es ist allgemein anerkannt, dass ein kritischer Schlüsselpunkt für den langfristigen Erfolg von Brennstoffzellenfahrzeugen die Entwicklung einer Wasserstoffinfrastruktur ist. Brennstoffzellenfahrzeuge werden von vielen als die letztendliche Alternative zu, oder zumindest als Ergänzung zu Fahrzeugen mit internem Verbrennungsmotor prognostiziert. Diese Ansicht wird hauptsächlich durch die steigenden Befürchtungen hinsichtlich der Treibhausgase und von Luft verschmutzenden Emissionen getrieben, der langfristigen Verfügbarkeit von fossilen Brennstoffen und von Sicherheitsaspekten der Energieversorgung. Die Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran (protone exchange membrane (PEM)), welche der Brennpunkt von beinahe allen aktuellen Bemühungen auf dem Gebiet der Entwicklung von kommerziell realisierbaren Brennstoffzellenfahrzeugen sind, benötigen Wasserstoff als Brennstoff. Beinahe alle Bemühungen hinsichtlich der An-Bord-Erzeugung von Wasserstoff aus leichter transportierbaren Brennstoffen auf Kohlenwasserstoffbasis wurden in den letzten Jahren aufgegeben, und beinahe alle Hersteller von Brennstoffzellenfahrzeugen konzentrieren sich momentan auf das Nachtanken der Fahrzeuge mit hochreinem flüssigen oder gasförmigen Wasserstoff.
Der Weg, mit dem Wasserstoff in großen Mengen hergestellt werden kann, ist wohl bekannt. Das Dampfreformieren von Methan ist das Hauptmittel, mit dem momentan Wasserstoff im industriellen Maßstab produziert wird. Zur Zeit wird etwa die Hälfte der Weltproduktion an Wasserstoff in Ölraffinerien verwendet, hauptsächlich für die Produktion von Fahrzeugbrennstoffen. Weitere etwa 40% werden bei der kommerziellen Herstellung von Ammoniak verbraucht. Das jährliche Produktionsvolumen von Wasserstoff in den USA ist jedoch vergleichbar mit dem Benzinverbrauch von nur 2 Tagen. Darüber hinaus wird Wasserstoff momentan hauptsächlich in einem großindustriellen Maßstab erzeugt. Für eine erfolgreiche Verkehrsinfrastruktur muss das Versorgungsnetzwerk von Wasserstoff gut verteilt sein. Wasserstoff ist allerdings sehr problematisch zu verteilen. Gasförmiger Wasserstoff hat eine der niedrigsten Energiedichten, was es schwierig macht, ihn in den Mengen zu transportieren, die für eine Verkehrsinfrastruktur mit Brennstoffzellen nötig wären. Die Verteilung von Wasserstoff in flüssiger Form ist ebenfalls schwierig; sie verlangt sehr niedrige Temperaturen (22 Kelvin) und selbst in flüssiger Form hat Wasserstoff eine niedrige Energiedichte. Aufgrund dieser Bedenken kann es vernünftigerweise angenommen werden, dass eine Wasserstoffinfrastruktur, die in der Lage ist, den Nachtankbedarf von Brennstoffzellenfahrzeugen zu decken, auf die verteilte bzw. dezentrale Produktion von hochreinem Wasserstoff angewiesen sein wird.
Eine weit verteilte oder dezentrale Wasserstoffproduktion, die für eine Verkehrsinfrastruktur für Brennstoffzellen nötig ist, ist viel kleiner als die typischen Größenordnungen von Wasserstoffproduktionen in Raffinerien oder bei der Ammoniakproduktion. Zur Zeit werden verschiedene Mittel verfolgt, mit denen hoch reiner Wasserstoff bei diesem kleinen Maßstab ökonomisch erzeugt werden kann. Ein derartiges Produktionsmittel ist es, die gut verstandenen Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff mit den momentan großen Größenordnungen in einem kleineren Maßstab anzuwenden. Das vorherrschende Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff im großen Maßstab ist die Dampfreformierung von Erdgas (Methan) über einen Katalysator. Die Dampfreformierungsreaktion erzeugt Wasserstoff und Kohlenmonoxid nach der folgenden Gleichung: CH₄ + H₂O → 3H₂ + CO
Die Dampfreformierungsreaktion ist stark endotherm, und benötigt 206 kJ Energie pro Mol des verbrauchten Methans. Ein Teil des erzeugten Kohlenmonoxids (CO) wird über die damit verbundene Wassergas-Shiftreaktion umgewandelt: CO + H₂O → CO₂ + H₂
Diese Reaktion ist exotherm und gibt 41 kJ an Energie pro Mol an verbrauchtem Kohlenmonoxid frei. Die Dampfreformierung von Methan wird üblicherweise bei Temperaturen im Bereich von 700°C bis 900°C durchgeführt. Da die Reaktion endotherm ist, muss dem Reaktor Wärme zugeführt werden. Dies wird üblicherweise erreicht, in dem der Katalysator in eine Reihe von Röhren geladen wird, die in einem Ofen platziert sind. Der Wasserstoff kann durch verschiedene wohl verstandene Mittel von dem Produktgas (Reformat) der Wasserdampfreformierung extrahiert werden, wie z. B. durch eine Metallmembran oder eine Druckwechselabsorption (pressure swing absorption (PSA)).
Die Druckschrift DE 27 42 070 A1 bezieht sich auf einen Industriebrenner zur Beheizung von Ofenräumen in Industrieöfen. Insbesondere geht aus dieser Druckschrift ein Rekuperator mit einem Brenner hervor. Der Rekuperator weist ein Luftleitrohr auf, welches mit einem Luftleitzylinder einen ersten Ringraum und mit dem Mantelstrahlrohr einen zweiten Ringraum ausbildet. Vom Luftleitrohr erstrecken sich sowohl in den ersten Ringraum als auch in den zweiten Ringraum Rippen, die Verbrennungskanäle bzw. Abgaskanäle bilden.
Die Druckschrift DE 30 34 193 A1 bezieht sich auf ein Mantelstrahlheizrohr für einen Ofen. Die Wandung eines Strahlrohrs wie auch die Wandung eines Flammrohres weisen ein mäanderförmiges Profil auf. Durch die Wandungen wird ein Ringspalt definiert, in dem Fluide in Wärmetausch zueinander stehen.
Die Druckschrift DE 691 26 321 T2 bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem mit einem Reformer. Im Besonderen wird eine ringförmige Vorwärmkammer, eine ringförmige Brennkammer und eine innere Reformerkammer, die jeweils durch zwei dazu ringförmige, konzentrisch angeordnete Ringwände voneinander beabstandet sind gezeigt. Durch die Wände ragen jeweils Rippen in den Reformierungs-, den Verbrennungsgas- und den Vorwärmraum.
Die Druckschrift DE 36 05 244 A1 bezieht sich auf einen Kühler. Es wird in der Druckschrift insbesondere ein stranggepreßtes Außenrohr gezeigt, dessen eigentlicher Mantel wellenförmig ausgestaltet ist, wobei an jeden Wellenberg eine äußere Rippe und an jedes Wellental eine innere Rippe anschließt. Die Wellenberge erstrecken sich parallel zur Längsachse des Außenrohrs. Weiterhin wird auch ein stranggepresstes Innenrohr gezeigt, dessen eigentlicher Mantel ebenfalls wellenförmig gestaltet ist und zwar korrespondierend zur Ausgestaltung zum Mantel des Außenrohrs.
Die Druckschrift DE 35 32 C1 bezieht sich auch auf einen Kühler. Im Besonderen wird ein stranggepresstes Außenrohr gezeigt, dessen Mantel wellenförmig gestaltet ist, wobei an jeden Wellenberg eine äußere Rippe und an jedes Wellental eine innere Rippe anschließt. Weiterhin wird auch ein stranggepresstes Innenrohr gezeigt, dessen Mantel ebenfalls wellenförmig gestaltet ist und zwar in korrespondierender Ausgestaltung zum Mantel des Außenrohrs.
Die Druckschrift DE 12 323 04 B bezieht sich auf Strahlheizrohre für Industrieöfen. Das Strahlheizrohr umfasst ein Mantelrohr und ein sich in diesem mit Abstand erstreckendes Flammrohr, in das eine Verbrennungsdüse eingesetzt ist, die mit Gas und Luft gespeist wird. Das Gas wird der Düse durch ein Gaszuführungsrohr zugeführt. Das Eintrittsende der Düse ist mit einem das Gaszuführungsrohr mit Abstand umgebenden Luftzuführungsrohr verbunden. Um eine möglichst gute Vorwärmung der Frischluft in dem Luftzuführungsrohr zu erzielen, ist dieses in an sich bekannter Weise auf seiner Außen- und Innenseite mit Rippen besetzt.
Es ist schon lange bekannt, dass, um die Dampfreformierung von Erdgas bei kleineren Größenordnungen möglich zu machen, die für eine dezentrale Produktion von Wasserstoff für Brennstoffzellenfahrzeuge nötig ist, eine größere Integration zwischen dem Wärme erzeugenden Brenner und der endothermen Dampfreformreaktion nötig ist. Versuche derartige Systeme zu bauen, waren in der Vergangenheit teilweise erfolgreich, aber die Leistungseffizienz wurde immer durch die Fähigkeit begrenzt, die benötigte Wärme in die Dampfreformierungsreaktion zu übertragen, ohne extrem hohe Metalltemperaturen zu erzeugen (> 1000°C).
Zusammenfassung der Erfindung
Ausführungsformen der Erfindung sind hierin in einer hoch integrierten Dampfreformierungsbrennstoff-Verarbeitungsanlage offenbart, die in Kombination mit einer Druckwechselabsorption (pressure swing absorption (PSA)) hoch reinen Wasserstoff bei einer Größenordnung liefern kann, die für die dezentrale Produktion von Wasserstoff für eine Brennstoffzellenverkehrsinfrastruktur gut geeignet ist. Diese Brennstoffverarbeitungsanlage überwindet die Wärmeübertragungsbegrenzungen von früheren Konstruktionen und ist daher in der Lage, ein hohes Niveau an Effizienz in der Wasserstoffproduktion, ohne extrem hohe Metalltemperaturen zu erreichen.
Die vorliegende Erfindung wird durch die Gegenstände der Ansprüche 1–12 verwirklicht.
In Übereinstimmung mit einem Merkmal der Erfindung wird ein rekuperativer Wärmetauscher zur Verwendung in einer Brennstoffverarbeitungsanlage bereitgestellt, wobei der Wärmetauscher Wärme von einer Fluidströmung bei einer Stufe einer Brennstoffverarbeitung zu der Fluidströmung bei einer anderen Stufe der Brennstoffverarbeitung überträgt.
Gemäß einem Merkmal der Erfindung enthält eine Brennstoffverarbeitungseinheit einen Dampfreformer und einen rekuperativen Wärmetauscher, wobei der Wärmetauscher zur Leitung einer eine Dampf-/Brennstoffzufuhrmischung aufweisenden Fluidströmung zur Reformierung im Dampfreformer mit dem Dampfreformer verbunden ist, wobei der Dampfreformer zur Zurückleitung zum Wärmetauscher mit dem Wärmetauscher verbunden ist.
In Übereinstimmung mit einem Merkmal enthält der Wärmetauscher ein Gehäuse, das erste und zweite sich axial erstreckende, konzentrische ringförmige Passagen in Wärme übertragender Beziehung zu einander definiert; eine erste gefaltete Rippe, die in der ersten Passage angeordnet ist zur Durchleitung einer Fluidströmung; und eine zweite gefaltete Rippe, die in der zweiten Passage angeordnet ist, zur Durchleitung einer Fluidströmung.
In einem Merkmal enthält der rekuperative Wärmetauscher weiter einen zylindrischer Wassergas-Shift Reaktor, der sich zentral durch das Gehäuse an einer Stelle radial nach innen von den ersten und zweiten Passagen erstreckt.
In Übereinstimmung mit einem Merkmal der Erfindung enthält der Wärmetauscher eine zylindrische Wand; eine erste gefaltete Rippe, die mit einer radial nach innen weisenden Oberfläche der Wand verbunden ist, wobei die Falten der ersten gefalteten Rippe zur Leitung der Fluidströmung durch den Wärmetauscher sich axial erstrecken; und eine zweite gefaltete Rippe, die mit einer radial nach außen gerichteten Oberfläche der Wand verbunden ist, wobei die Falten der zweiten gefalteten Rippe zur Leitung der Fluidströmung durch den Wärmetauscher sich axial erstrecken.
Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden bei einer Durchsicht der gesamten Beschreibung, inklusive der beigefügten Ansprüche und Zeichnungen klar werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung eines Brennstoffverarbeitungssystems, welches die Erfindung verwirklicht;
2 ist eine perspektivische Ansicht eines integrierten Dampfreformer/Verbrennerzusammenbaus der Erfindung;
3 ist eine geschnittene Ansicht einer Ausführungsform einer integrierten Brennstoffverarbeitungseinheit der Erfindung;
4 ist eine Strömungsansicht, die schematisch die Fluidströmungen durch die Brennstoffverarbeitungseinheit von 3 zeigt;
5 ist eine geschnittene, perspektivische Ansicht von oben der integrierten Brennstoffverarbeitungseinheit von 3;
6 ist ein Diagramm, in dem die Temperatur gegen den Strömungsweg aufgetragen ist, und das Temperaturprofil für eine Ausführungsform des Dampfreformers/Verbrenners von 2 zeigt;
7 ist eine geschnittene, perspektivische Ansicht von oben einer weiteren Ausführungsform einer integrierten Brennstoffverarbeitungseinheit der Erfindung;
8 ist eine vergrößerte geschnittene Ansicht des Teils, das in 7 durch die Linie 8-8 umkreist ist, und ausgewählte Komponenten der integrierten Brennstoffverarbeitungseinheit hervorhebt;
9 ist eine vergrößerte geschnittene Ansicht des Teils, das in 7 durch die Linie 9-9 umkreist ist, und ausgewählte Komponenten der integrierten Brennstoffverarbeitungseinheit hervorhebt;
10 ist eine vergrößerte geschnittene Ansicht des Teils, das in 7 mit der Linie 10-10 umkreist ist, und ausgewählte Komponenten der integrierten Brennstoffverarbeitungseinheit hervorhebt;
11 ist eine geschnittene Ansicht, gesehen von der Linie 11-11 in 10;
12 ist eine ähnliche Ansicht wie 10, wobei jedoch andere Komponenten der integrierten Brennstoffverarbeitungseinheit hervorgehoben sind;
13 ist eine Ansicht, die den 10 und 12 ähnlich ist, wobei jedoch andere Komponenten der integrierten Brennstoffverarbeitungseinheit hervorgehoben sind;
14 ist eine vergrößerte Ansicht des Teils, das in 7 mit der Linie 14-14 umkreist ist;
15 ist eine Ansicht, gesehen von der Linie 15-15 in 14; und
16 ist eine ähnliche Ansicht wie 8, wobei jedoch andere Komponenten der Brennstoffverarbeitungseinheit hervorgehoben sind.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Ein System, das schematisch für eine hoch integrierte Brennstoffverarbeitungsanlage 20 ist, ist in 1 gezeigt. In diesem System ist die einzige Quelle an Brennstoff, die für den Verbrenner nötig ist, das um Wasserstoff abgereicherte Abgas 21 der Druckwechsel-Absorption (pressure swing absorption (PSA)) 22. Die Hochdruckseite der PSA 22 ist vorzugsweise so konstruiert, um bei 100 psig betrieben zu werden, während die Niedrigdruckseite der PSA konstruiert ist, um bei nahe atmosphärischem Druck (ungefähr 1 psig) betrieben zu werden. Von einem Verbrennerauslass 24 des Verbrenners 25 wiedergewonnene Wärme wird in einem Verdampfer 29 verwendet, um eine Wasserzufuhr 26 für einen Dampfreformer 28 zu verdampfen und zu überhitzen, als auch um eine Erdgaszufuhr 30 für den Dampfreformer 28 in einem Brennstoffvorwärmer 31 vorzuwärmen. Wärme wird von einem Reformatstrom 32 wiedergewonnen, der den Dampfreformer 28 verlässt und verwendet, um die nun gemischte Dampf-Erdgaszufuhr 34 in einem rekuperativen Wärmetauscher 36 weiter vorzuwärmen. Ein Wassergas-Shift (WGS) Reaktor 38 wird verwendet, um die Wasserstoffproduktion zu erhöhen. Stromabwärts des Wassergas-Shift Reaktors 38 wird zusätzlich Wärme von dem Reformatstrom 32 wiedergewonnen und verwendet, um eine Verbrennerzufuhr 40 und die Wasserzufuhr 26 zu dem Verdampfer 29 vorzuwärmen. Der Reformatstrom 32 wird für die PSA 22 auf eine geeignete Temperatur abgekühlt und überschüssiges Wasser wird auskondensiert. Die bei diesem Prozess entfernte Wärme hat eine relativ niedrige Temperatur und wird nicht wiedergewonnen. Das Kondensat 41 kann wiedergewonnen und erneut verwendet werden, falls dies gewünscht ist.
In diesem Design wird eine optimierte Wasserstoffumwandlung durch die Verwendung eines integrierten Dampfreformers und Verbrenners 42 erreicht, welcher den Reformer 28 und den Verbrenner 25 integriert und der hoch effektive Wärmeübertragungseigenschaften hat. Der integrierte Dampfreformer und Verbrenner 42 wird in dieser Beschreibung im Folgenden als der SMR Reaktor 42 bezeichnet. Wie am besten in 2 zu sehen, ist der SMR Reaktor 42 als ein Metallzylinder 44 aus einer Hochtemperatur-Legierung konstruiert, wobei eine erste gefaltete Rippenstruktur 46 an einer inneren Oberfläche 48 entlang des gesamten Umfangs des Zylinders 44 angelötet ist, und eine zweite gefaltete Rippenstruktur 50 an einer äußeren Oberfläche 52 entlang des gesamten Umfangs des Zylinders 44 angelötet ist. Die innere Rippe 46 ist mit einem Wash-Coat mit einem Dampfreformkatalysator versehen und die äußere Rippe 50 ist über einen Wash-Coat mit einem Katalysator versehen, der in der Lage ist, sowohl Wasserstoff als auch Methan zu oxidieren. Der Zylinder 44 ist von ausreichender Dicke, um als ein Teil eines Druckbehälters 54, wie in 3 gezeigt, verwendet zu werden, welcher die Hochdruckdampfreformerzufuhr 34 und den Reformatstrom 32 enthält, wie in 4 gezeigt. Zylindrische Metallhülsen 56 und 58 (in 2 nicht abgebildet) dienen dazu, die Strömung durch die beschichteten Rippenstrukturen 46 bzw. 50 zu kanalisieren.
3 und 4 zeigen eine Ausführungsform der vollständig zusammengebauten Brennstoffverarbeitungsanlage 20. Die Brennstoffverarbeitungsanlage 20 besteht aus dem zylindrischen Hochdruckbehälter 54, der innerhalb und koaxial zu einem Niedrigdruckzylinder oder Behälter 60 angeordnet ist. Die Wasser- und Erdgaszufuhren 26, 30 für den Dampfreformer 28 werden verdampft (in dem Fall des Wassers) und in einem gewundenen Rohr 62 vorgewärmt, welches zwischen den zwei Zylindern 44, 60 angeordnet ist. Die vorgewärmte Zufuhr 34 tritt in den Druckbehälter 54 durch ein Rohr 64 ein, an einem oberen kuppelförmigen Kopf 66 des Behälters 54 und strömt in den Rekuperator 36.
Die Konstruktion des Rekuperators 36 ist ähnlich der des SMR Reaktors 42, wobei deutlich verstärkte Rippenstrukturen 70 und 72 (wie z. B. mit Lamellen oder versetzten Lamellen versehene Rippen (louvered or lanced off-set fins)) an sowohl der Außenseite, als auch der Innenseite 76 und 78 des Zylinders 56 angelötet sind. Die Strömungen werden wieder durch diese Rippenstrukturen 70, 72 durch zylindrische Metallhülsen 44 und 80 geleitet. Der Rekuperatorzylinder 56 und die Rippen 70, 72 sind derart dimensioniert, dass der ringförmige Bereich, der die Rippe 70 umgibt, die an der äußeren Oberfläche 76 angelötet ist, dieselbe Größe hat wie der ringförmige Bereich, der die zur Dampfreformierung mit einem Katalysator beschichtete Rippe 46 in dem SMR Reaktor 42 umgibt. Der Rekuperatorzylinder 56 erstreckt sich über die Enden der Rippen 70, 72 an einer Seite über einen Betrag hinaus, der in etwa gleich der Länge des SMR Reaktors 42 ist. Dies erlaubt es dem Rekuperatorzylinder 56 als die zuvor erwähnte innere Hülse 56 für den SMR Reaktor 42 zu dienen. Auf ähnliche Weise kann sich der Zylinder 44 des SMR Reaktors über seine Rippen 46, 48 erstrecken, so dass er als die äußere Hülse 44 für den Rekuperator 36 dienen kann.
In der vollständig zusammengebauten Brennstoffverarbeitungsanlage 20 strömt die Zufuhr 34 des Dampfreformers durch die äußere Rippe 70 des Rekuperators 36, strömt dann durch die innere Rippe 46 (die mit einem Katalysator zur Dampfreformierung beschichtet ist) des SMR Reaktors 42, wo sie zu einem wasserstoffreichen Reformat 32 umgewandelt wird. Die Reformatströmung 32 wird dann umgelenkt, so dass sie beim Verlassen der Rippen 46 zur Dampfreformierung sich nach oben dreht und entlang der inneren Oberfläche 78 des erweiterten Zylinders 56 des Rekuperators entlang strömt und nach oben durch die innere Rippe 72 des Rekuperators 36 strömt, wo sie Wärme an die eintretende Zufuhr 34 des Dampfreformers abgibt.
Der Wassergas-Shift Reaktor 38 (WGS) ist ein zylindrischer, Katalysator beschichteter Monolith 84, der in einer Isolierung 86 gefasst ist und innerhalb der inneren Hülle 80 des Rekuperators 36 angeordnet ist. Die Reformatströmung 32 verlässt den Rekuperator 36 zur Oberseite des Druckbehälters 54, wo sie gezwungen wird, die Richtung aufgrund eines kuppelförmigen Kopfs 88 umzudrehen, welcher das Reformat 32 von der vorgeheizten Zufuhr 34 für den Dampfreformer trennt, die in den Druckbehälter 54 eintritt. Das Reformat 32 strömt an dem Zentrum der Zylinder 80 und 90 nach unten durch den WGS Monolithen 84. Beim Austritt aus dem WGS Reaktor 38 wird die Reformatströmung 32 gegen die Wände 44, 92 des Druckbehälters 54 getrennt und strömt durch einen Verbrennervorheizer 94.
Die Konstruktion des Verbrennervorheizers 94 ist sehr ähnlich zu der des SMR Reaktors 42 und der des Rekuperators 36, wobei deutlich verstärkte Rippenstrukturen 96, 98 (wie z. B. eine mit Lamellen versehene Rippe) an sowohl der Außenseite als auch der Innenseite 100, 102 des Zylinders 92 angelötet sind. Wie es der Fall mit dem Reaktor 42 war, dient der Zylinder 92 als ein Teil des Druckbehälters 54 und ist an den SMR Reaktorzylinder 44 angeschweißt. Das Reformat 32 strömt durch die Rippe 98 an der inneren Oberfläche 102 des Vorheizers 94 und überträgt Wärme zu den Zufuhrgasen des Verbrenners 40, welche durch die Rippe 96 an der äußeren Oberfläche 100 des Vorheizers 94 im Gegenstrom strömen. Beim Verlassen der Rippe 96 strömt das Reformat 32 über einen Wasservorheizer 104, welcher aus einem gewundenen Rohr 106 besteht, durch welches das Wasser 26 für den Dampfreformer 28 strömt. Es wird davon ausgegangen, dass das Reformat 32 in diesen Vorwärmern 94, 104 soweit abgekühlt wird, dass ein Teil des Wassers aus dem Reformat 82 auskondensiert wird. Stromabwärts des Wasservorheizers 104 erreicht das Reformat 32 (und jegliches Kondensat) die Bodenkuppel 108 des Druckbehälters 54 und verlässt den Behälter 54, um zu einem Wärmetauscher 110 zu strömen, welcher das Reformat 32 auf eine Temperatur abkühlt, die für die PSA 22 geeignet ist. Die von dem Reformat 32 in diesem Wärmetauscher 110 abgeführte Wärme wird als Abwärme angesehen und kann in die Umgebung abgegeben werden.
Das von Wasserstoff abgereicherte Auslassgas 21 von der PSA, nun bei beinahe atmosphärischem Druck (ungefähr 1 psig), wird mit der Verbrennungsluft 112 gemischt, um die Verbrennerzufuhr 40 zu bilden. Dieses Zufuhrgas 40 strömt in den Niedrigdruckzylinder 60 und strömt aufwärts durch den Vorheizer des Verbrenners 94 und in die Rippe 50 an der äußeren Oberfläche 52 des SMR Reaktors 42. Die Verbrennerzufuhr 40 strömt vertikal nach oben durch diese Katalysator beschichtete Rippe 50, im Gegenstrom zu der Strömung 32, die durch die Rippe 46 an der inneren Oberfläche 48 des SMR Reaktors 42 strömt. Der Wasserstoff, das Methan und das Kohlenmonoxid in der Verbrennerzufuhr 40 werden katalytisch verbrannt während der Strom durch die Rippe 50 strömt. Die erzeugte Wärme wird durch die zylindrische Wand 44 des SMR Reaktors 42 geleitet und versorgt die endotherme Dampfreformreaktion, die an der Rippe 46 stattfindet, die an der inneren Oberfläche 48 des SMR Reaktors 42 befestigt ist.
Nach dem Verlassen der Rippen 50 des Reaktors 42 strömt das Abgas des Verbrenners 42 weiter nach oben durch den ringförmigen Bereich zwischen den Niedrigdruck- und Hochdruckzylindern 44, 60, strömt über den Wasserverdampfer 29 und den Vorheizer für Erdgas 31. Der Wasserverdampfer 29 und der Vorheizer für Erdgas 31 bestehen aus dem gewundenen Rohr 62, das innerhalb des ringförmigen Raums zwischen den Zylindern 44, 60 angeordnet ist. Das vorgeheizte flüssige Wasser 26 tritt in das gewundene Rohr 62 von unten ein und strömt aufwärts und empfängt dabei Wärme von den heißen Abgasen des Verbrenners 24, welche über das Rohr 62 strömen. Während das Wasser durch das Rohr 62 strömt, wird es vollständig verdampft und dann leicht überhitzt. Das Erdgas 30 tritt in das gewundene Rohr 120 an einem Punkt entlang der Länge der Wicklung 62 ein und mischt sich mit dem überhitzten Dampf. Beide Fluide werden dann weiter durch die Abgase des Verbrenners in der verbleibenden Länge des gewundenen Rohrs 62 erhitzt, wonach sie in den Hochdruckbehälter 54 geleitet werden. Ein alternatives Design (wie es am besten in 7 und 9 gesehen werden kann) würde das Erdgas 30 in einem separaten gewundenen Rohr stromabwärts (hinsichtlich der Strömung des Verbrennungsabgases 24) der Wasserwicklung vorheizen und die zwei Fluide würden gemischt werden, nachdem sie ihre jeweiligen gewundenen Wärmetauscher verlassen haben.
Ein großer Prozentsatz der Verbrennungsreaktion findet typischerweise über eine relativ kleine anfängliche Länge des Katalysatorbereichs statt. Es kann vorteilhaft sein, die Verbrennungsreaktion dazu zu bringen, gleichmäßiger über die Länge des Reaktors 42 verteilt stattzufinden. Da die Verbrennungsreaktion diffusionslimitiert ist, kann dies bis zu einem gewissen Grad durch eine anfängliche Region erreicht werden, wo die gefaltete Rippenstruktur 50 ununterbrochen ist, wodurch eine laminarere Strömung bereitgestellt wird, welche die Diffusion minimiert, und mit einer Auslassregion, in der die gefaltete Rippenstruktur 50 durch die Verwendung von Lamellen, Schlitzen, Vorsprüngen, etc. turbulenter ist, um eine größere Diffusion der Reaktanten zum endgültigen Verbrauch des Methans, Wasserstoffs und Kohlenmonoxid zu fördern.
6 zeigt das typische erwartete Temperaturprofil innerhalb des SMR Reaktors 42. Die SMR Zufuhr 32, 34 strömt von rechts nach links, während die Verbrennerzufuhr 40 von links nach rechts strömt. Die Temperaturen an den extremen Enden der Rippen 46 und 50, als auch die Temperatur an jeder Oberfläche der zylindrischen Wand 44 sind ebenfalls dargestellt. Es kann anhand des Graphs gesehen werden, dass die Wärmeübertragung innerhalb des SMR Reaktors 42 ausreichend ist, um die Metalltemperaturen deutlich unterhalb 1000°C zu halten. Die Möglichkeit, die SMR Strömung 32, 34 und die Verbrennerströmung 50 in einem Gegenstrom zu führen, ohne gefährlich hohe Metalltemperaturen zu verursachen, führt zu einer Ausgangstemperatur des Reformats, welche erheblich höher ist als die Eingangstemperatur des Reformats, wodurch die Umwandlung von Methan zu Wasserstoff maximiert wird und die benötigte Effektivität des Rekuperators 36 minimiert wird.
Da dieses Design die Notwendigkeit vermeidet, zusätzliches Erdgas zu dem Verbrenner 25 zuzuführen, kann die Steuerung der Brennstoffverarbeitungsanlage 20 erheblich vereinfacht werden. Die Temperaturen innerhalb des SMR Reaktors 42 können durch Einstellung der Luftströmung des Verbrenners 112 gesteuert werden, basierend auf eine Temperaturrückkopplung, die durch einen Sensor (nicht abgebildet) bereitgestellt wird, der an der äußeren Hülle 58 des Reaktors 42 in dem Bereich angeordnet ist, wo die höchste Abgastemperatur erwartet wird. Eine weitere Steuerung ist möglich, indem ein einstellbares Wasserbypassventil (nicht abgebildet) des Wasservorheizers 104 eingesetzt wird, so dass die Temperatur des Wassers 26, das dem Verdampfer 29 zugeführt wird, eingestellt werden kann, indem der Prozentsatz der Wasserströmung durch den Vorheizer 104 variiert wird. Das Feedback von einem Temperatursensor, der an dem Einlass 122 des WGS Reaktors 38 angeordnet ist, könnte potentiell als die Steuerungsquelle für dieses Ventil verwendet werden.
Der hohe Grad an thermischer Integration resultiert in einem volumenmäßig kompakten Hochdruckbehälter 54, wodurch die benötigte Wanddicke für einen Behälter minimiert wird, der bei den erhöhten Temperaturen und Drücken arbeitet, die für die Anwendung benötigt werden. Eine bevorzugte Ausführungsform der Brennstoffverarbeitungsanlage 20, die in dieser Anmeldung beschrieben ist, hat einen Druckbehälter 54, der einen Durchmesser von 6 Zoll hat, mit einer Gesamtlänge von etwa 40 Zoll, und von dem erwartet wird, dass er in der Lage ist, 6,25 kg/h an Erdgas zu reformieren mit einer Effizienz der Wasserstoffproduktion von 77,5% (die LHV des von der PSA entfernten Wasserstoffs, angenommen dass 75% des Wasserstoffs in dem Reformat entfernt wird, dividiert durch die LHV der Zufuhr des Erdgases), was in einer Produktionsrate des Wasserstoffs von 1,87 kg/h resultiert.
Eine andere Ausführungsform der Brennstoffverarbeitungseinheit 20 ist in den 7 bis 16 gezeigt. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der der 2 bis 4, indem:

a) der Wasservorheizer 104 von der integrierten Einheit 20 zu einer externen Stelle bewegt wurde und sich der Vorheizer des Verbrenners 94 über den Bereich erstreckt, der zuvor von dem Wasservorheizer 104 eingenommen wurde;
b) der Einlass des PSA-Auslassgases und der Reformatauslass zusammen mit dem damit zugehörigen Bereich modifiziert wurden; und
c) ein separates gewundenes Rohr 130 für den Vorheizer des Erdgases 31 stromabwärts von dem gewundenen Rohr 62 für den Wasserverdampfer 29 hinzugefügt wurde.

Wie in der Brennstoffverarbeitungseinheit 20 von 3 sind die Rippen 46, 50 des SMR Reaktors 42 nur an dem Zylinder 44 angelötet und die Rippen 96, 98 des Vorheizers des Verbrenners 94 sind nur an dem Zylinder 92 angelötet, wobei die Zylinder 44 und 92 an ihren benachbarten Enden verschweißt sind, um die zylindrische Wand des Hochdruckbehälters 54 zu bilden. Darüber hinaus, wie bei der Ausführungsform der Brennstoffverarbeitungseinheit 20 von 3, wird ein zylindrisches Leitblech oder eine Wand 132 verwendet, um die innere Grenze des Strömungswegs für das Abgas des Verbrenners 24 durch den Teil der Wicklungen 62, 130 zu verlängern, die sich über die Oberseite 66 des Druckbehälters 54 hinweg erstrecken. Dieses zylindrische Leitblech 132 ist mit der Oberseite 66 des Druckbehälters 54 punktgeschweißt, aber kontaktiert nicht die Wicklungen 62, 130 oder den Niedrigdruckbehälter 60. Dementsprechend sind der Hochdruckbehälter 54 und der Niedrigdruckbehälter 60 mechanisch an nur zwei Stellen gekoppelt. Die erste Stelle, wie es am besten in 8 zu sehen ist, ist nahe an dem Boden des Druckbehälters 54, wo eine Einlassstruktur des Luft-/PSA-Abgases 134 an sowohl den unteren kuppelförmigen Kopf 108 für den Hochdruckbehälter 54 angeschweißt ist als auch an einen unteren kuppelförmigen Kopf 136 des Niedrigdruckbehälters 60, um eine steife Verbindung zu bilden. Die zweite Stelle ist nahe der Oberseite der Brennstoffverarbeitungseinheit 20, wie es am besten in 9 zu sehen ist, wo die Wicklungen 62, 130 an ersten Stellen 138 an dem Niedrigdruckbehälter 60 angeschweißt sind und an einer zweiten Stelle 140 an dem kuppelförmigen oberen Kopf 66 des Hochdruckbehälters 54 über eine Einlassrohrstruktur für die Zufuhrmischung 142. Die Struktur 142 umfasst einen Einlassverteiler für die Zufuhrmischung 143, der mit entsprechenden Auslassenden 144 und 145 der Wicklungen 62 und 130 durch geeignete Anschlussverbindungen verbunden ist, und eine sich nach unten erstreckende Mischröhre 146 mit einer internen Mischstruktur 147 (in der dargestellten Ausführungsform ist auch ein zentrales Instrumentenrohr 148 gezeigt, welches optional für Produktionseinheiten weggelassen werden kann). Diese zweite Verbindung ist keineswegs steif, und wird durch Elemente hergestellt, die im Endeffekt zwei große Federn darstellen (die Wicklungen 62, 130). Dementsprechend sind der Hochdruckbehälter 54 und der Niedrigdruckbehälter 60 in der axialen Richtung größtenteils relativ zueinander unabhängig und obwohl die äußere Hülle 58 des Behälters 60 dazu tendiert, heißer zu werden, sollte die unterschiedliche thermische Ausdehnung keine wesentlichen Spannungen erzeugen.
Wie bei der Ausführungsform der Brennstoffverarbeitungseinheit 20 von 3 sind die Rippen 70, 72 des Rekuperators 36 nur an dem Rekuperatorzylinder 56 angelötet und nicht an dem Hochdruckbehälter 54 oder an dem benachbarten innen liegenden Oberflächen. Wie am besten in 10 zu sehen ist, sind der Hochdruckbehälter 54 und der Rekuperatorzylinder 56 mechanisch nur an dem obersten Ende verbunden, wo beide an einem Verteilungsring der Zufuhrmischung 150 angeschweißt sind, der dazu dient, den kuppelförmigen Kopf 88 und den Zylinder 56 an dem Hochdruckbehälter 54 zu montieren. Wie am besten in 11 zu sehen ist, enthält der Verteilerring für die Zufuhrmischung 150 eine Mehrzahl von ringförmig beabstandeten Löchern 152, die es der Dampfreformerzufuhr 34 erlauben, durch den Rekuperator 36 und den SMR Reaktor 42 zu strömen. Da die Komponenten 54, 56 nur an einem Ende verbunden sind, können sie sich frei und unabhängig in Antwort auf unterschiedliche thermische Ausdehnungen bewegen und dementsprechend sollten sie als ein Ergebnis davon keine wesentliche Spannung erzeugen.
Der innen liegende Zylinder 80 kontaktiert bevorzugt nicht die Rippen 70, 72 oder den Zylinder 78, sondern ist vielmehr mit der Innenseite des Zylinders 44 des Druckbehälters 54 über ein angeflanschtes, ringförmiges Leitblech 154 verbunden, das sowohl mit dem Zylinder 44 als auch mit dem Zylinder 80 verschweißt ist, wie es am besten in der 12 zu sehen ist. Da der innen liegende Zylinder 80 und der Hochdruckbehälter 54 nur an einer Stelle miteinander verbunden sind, können sie sich frei und unabhängig voneinander in Antwort auf unterschiedliche thermische Ausdehnungen bewegen und sollten daher keine wesentlichen Spannungen erzeugen.
Wie bei der Ausführungsform der Brennstoffverarbeitungsanlage 20 von 3 ist die zylindrische Wand 90 des WGS Reaktors 38 mit dem innen liegenden Zylinder 80 über ein Paar von flachen, ringförmigen Leitblechen 156, 158 verbunden, die an beiden Enden des WGS Zylinders 90 angeschweißt sind, wie es am besten in 13 zu sehen ist. Das Leitblech 158, das am Boden angeordnet ist, ist ebenfalls an der Innenseite des innen liegenden Zylinders 80 angeschweißt. Da der Ring zwischen dem WGS Zylinder 90 und dem innen liegenden Zylinder 80 kein Strömungskanal ist, benötigt der Ring keine gasdichte Dichtung an beiden Enden. Da sich das obere ringförmige Leitblech 156 frei relativ zu dem innen liegenden Zylinder 80 bewegen kann, können sich die Zylinder 80 und 90 relativ zueinander in Antwort auf eine unterschiedliche thermische Ausdehnung bewegen und sollten daher keine wesentlichen Spannungen erzeugen.
Wie bei der Ausführungsform der Brennstoffverarbeitungseinheit 20 von 3 wird das zentrale Volumen der Vorheizregion des Verbrenners durch eine zylindrische Umfassung 160 eingenommen, die vorzugsweise mit einer Isolierung gefüllt ist, wie es am besten in 14 zu sehen ist. Eine mit Zinnen versehene Scheibe 162 ist mit dem Boden der Umfassung 160 verschweißt und mit der Innenseite des Zylinders 92 des Druckbehälters 54. Wie es am besten in 15 zu sehen ist, sind ringförmig beabstandete Schlitze 164 in dem Umfang der Scheibe 162 vorgesehen, um eine Strömung der Reformatströmung 32 zu ermöglichen. Die Umfassung 160 ist vorzugsweise nicht an den Rippen 98 befestigt. Auch hier, da die Umfassung 160 und der Druckbehälter 154 nur an einem Ende miteinander verbunden sind, können sie sich unabhängig in Antwort auf unterschiedliche thermische Ausdehnungen bewegen und sollten daher als ein Ergebnis davon keine wesentlichen Spannungen erzeugen.
Wie es am besten in 16 zu sehen ist, verlässt die Reformatströmung 32 die Brennstoffverarbeitungseinheit über ein Rohr mit kleinem Durchmesser 166, das an dem unteren Kopf 108 des Druckbehälters 54 angeschweißt ist. Die Verbrennungsluft 112 tritt an dem Boden der Einheit 20 über ein Rohr mit großem Durchmesser 168 ein, das vorzugsweise mit dem Druckbehälter 54 konzentrisch angeordnet ist. Eine PSA-Abgas-Einlassstruktur 134 enthält ein Rohr 172 mit demselben Durchmesser wie das Rohr 168, ein PSA-Abgas-Einlassrohr 174 und einen Verbrennungsluftströmungs-/PSA Abgas-Injektor 176, welcher eine Mehrzahl von umfangsmäßig beabstandeten Löchern 178 enthält, die das PSA-Abgas in die Luftströmung 112 einspritzen. Während das Reformat-Auslassrohr 166 und die Abgas-Einlassstruktur 134 fest miteinander an zwei Stellen verbunden sind, und es somit erlauben, dass sich Spannungen mit unterschiedlicher thermischer Ausdehnung entwickeln, existiert nur eine geringe Temperaturdifferenz zwischen der PSA Abgasströmung 21 und der Reformatströmung 32. Dementsprechend werden keine wesentlichen Spannungen erwartet.

Claims

Ein Brennstoffverarbeitungssystem umfassend: einen Dampfreformer; und einen rekuperativen Wärmetauscher, wobei der Wärmetauscher zur Leitung einer eine Dampf-/Brennstoffzufuhrmischung aufweisenden Fluidströmung zur Reformierung im Dampfreformer mit dem Dampfreformer verbunden ist, wobei der Dampfreformer zur Zurückleitung zum Wärmetauscher mit dem Wärmetauscher verbunden ist, wobei der Wärmetauscher umfasst: eine zylindrische Wand; eine erste gefaltete Rippe, die an einer radial nach innen gerichteten Oberfläche der Wand angebracht ist, wobei die Falten der ersten gefalteten Rippe zur Leitung der Fluidströmung durch den Wärmetauscher sich axial erstrecken; und eine zweite gefaltete Rippe, die an einer radial nach außen gerichteten Oberfläche dieser Wand angebracht ist, wobei die Falten der zweiten gefalteten Rippe zur Leitung der Fluidströmung durch den Wärmetauscher sich axial erstrecken.
Das Brennstoffverarbeitungssystem nach Anspruch 1, wobei die Rippen Oberflächenvergrößerungen aufweisen.
Das Brennstoffverarbeitungssystem nach Anspruch 1, wobei die Oberflächenvergrößerungen Kühlrippenlamellen sind.
Das Brennstoffverarbeitungssystem nach Anspruch 1, weiter umfassend einen zylindrischen Wassergas-Shift Reaktor, der sich zentral durch den Wärmetauscher an einer Stelle radial nach innen von der ersten Rippe erstreckt.
Ein Brennstoffverarbeitungssystem umfassend: einen Dampfreformer; und einen rekuperativen Wärmetauscher, wobei der Wärmetauscher zur Leitung einer eine Dampf-/Brennstoffzufuhrmischung aufweisenden Fluidströmung zur Reformierung im Dampfreformer mit dem Dampfreformer verbunden ist, wobei der Dampfreformer zur Zurückleitung zum Wärmetauscher mit dem Wärmetauscher verbunden ist, wobei der Wärmetauscher aufweist: ein Gehäuse, das erste und zweite sich axial erstreckende, konzentrische ringförmige Passagen in Wärme übertragender Beziehung zueinander definiert; eine erste gefaltete Rippe, die in der ersten Passage angeordnet ist, zur Durchleitung einer Fluidströmung; und eine zweite gefaltete Rippe, die in der zweiten Passage angeordnet ist, zur Durchleitung einer Fluidströmung.
Das Brennstoffverarbeitungssystem nach Anspruch 5, wobei das Gehäuse weiter einen ersten Einlass definiert zur Leitung der Fluidströmung in die erste Passage an einem Ende der ersten Passage, einen ersten Auslass zur Wegleitung der Fluidströmung von der ersten Passage an einem entgegengesetzten Ende der ersten Passage, einen zweiten Einlass zur Leitung der Fluidströmung in die zweite Passage an einer Stelle benachbart zu dem entgegengesetzten Ende, und einen zweiten Auslass zur Wegleitung der Fluidströmung von der zweiten Passage.
Das Brennstoffverarbeitungssystem nach Anspruch 5, wobei die erste Passage radial nach innen von der zweiten Passage angeordnet ist.
Das Brennstoffverarbeitungssystem nach Anspruch 5, wobei die ersten und zweiten gefalteten Rippen Oberflächenvergrößerungen aufweisen.
Das Brennstoffverarbeitungssystem nach Anspruch 8, wobei die Oberflächenvergrößerungen Kühlrippenlamellen sind.
Das Brennstoffverarbeitungssystem nach Anspruch 5, wobei die ersten und zweiten gefalteten Rippen an entgegen gesetzten Seiten einer Wand angebracht sind, die die erste Passage von der zweiten Passage trennt.
Das Brennstoffverarbeitungssystem nach Anspruch 10, wobei die Rippen nur an dieser Wand angebracht sind, um eine thermische Ausdehnung relativ zu anderen Teilen des Gehäuses zu erlauben.
Das Brennstoffverarbeitungssystem nach Anspruch 5, weiter umfassend einen zylindrischen Wassergas-Shift Reaktor, der sich zentral durch das Gehäuse an einer Stelle radial nach innen von der ersten und zweiten Passage erstreckt.