WO2004086544A1 - Method and system for recovering the chemical energy of anode gases exiting from a fuel cell - Google Patents

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WO2004086544A1
WO2004086544A1 PCT/FR2004/050117 FR2004050117W WO2004086544A1 WO 2004086544 A1 WO2004086544 A1 WO 2004086544A1 FR 2004050117 W FR2004050117 W FR 2004050117W WO 2004086544 A1 WO2004086544 A1 WO 2004086544A1
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Didier Grouset
Philippe Marty
Jean-Christophe Hoguet
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N Ghy
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    • Y02E60/50Fuel cells

Definitions

  • 1 / invention relates to a method and a system for recovering the chemical energy of anode gases leaving a fuel cell.
  • Fuel cell technologies are currently experiencing major developments for various future applications such as the electric vehicle or the cogeneration of heat and electricity in the tertiary or residential sectors. Most fuel cell technologies are powered by hydrogen. This hydrogen is produced: either centrally and then distributed to local dealers and users
  • the need concerns the production of electricity, and possibly heat, from fuels available locally: butane, commercial propane, natural gas, domestic fuel oil or from common fuels: petrol, diesel.
  • the sub reformer system which produces hydrogen, is coupled to the fuel cell subsystem, which oxidizes hydrogen by producing electricity, and it is the assembly which must be optimized in terms of efficiency, compactness, reliability, cost ...
  • the two subsystems use fuels (hydrogen in the fuel cell, more common fuel or fuel in the reformer) and heat exchanges at different temperature levels. It is interesting to couple the two subsystems in order to optimize heat transfers and overall energy efficiency.
  • the reformer operates at a temperature varying between 250 and 1400 ° C depending on the technique used and the fuel to be reformed: catalytic steam reforming (at 250 ° C for methanol, at 850 ° C for methane), partial catalytic oxidation ( around 900 ° C) or non-catalytic (1200 ° C), autothermal reforming, hybrid reforming. Preheating the reagents by recovering heat available in the system is essential to achieve good efficiency: this is one of the key points of reforming.
  • the fuel cell operates at a temperature depending on the technology used: 60/90 ° C for PEMFCs
  • the present invention provides a technique for coupling these subsystems, applicable, whatever their type, in most fuel cell systems: PEMFC, SOFC, MCFC ... and with a hydrogen production reactor : catalytic, autothermal reforming, partial oxidation, catalytic or non-catalytic ...
  • PEMFC fuel cell systems
  • SOFC SOFC
  • MCFC MCFC
  • hydrogen production reactor catalytic, autothermal reforming, partial oxidation, catalytic or non-catalytic ...
  • the reforming of a fuel consists in converting it into a mixture of hydrogen and carbon monoxide, by usually reacting it with water vapor:
  • Reforming is a perfectly well controlled reaction in petrochemicals where the production of hydrogen from natural gas is common. It requires a nickel-based catalyst, suitable for the molecules to be reformed (methane and light hydrocarbons). It is carried out at a temperature of 850 to 950 ° C under pressures of 15 to 25 bar and H20 / HC ratios between 2 and 4 (IFP). These endothermic reactions are carried out in large ovens (KTI, TOPSOE) where bundles of parallel tubes, packed with catalysts, and heated externally (mainly by radiation), are traversed by the mixture to be reformed.
  • KTI large ovens
  • the reforming therefore takes place under conditions of temperature and pressure adapted to the fuel and which can be calculate by the laws of thermodynamics involving chemical equilibria. It is always a slow reaction and that is why reforming is systematically catalytic.
  • Hybrid reforming is similar to autothermal reforming. However, in this process, the quantity of air (the air factor) can be modified around the value corresponding to the autothermal reforming so as to oxidize a more or less large fraction of the fuel and thus to make the reaction overall exothermic or endothermic according to the needs and the state, cold or hot, of the system and therefore according to the possibilities of heat recovery.
  • the quantity of air the air factor
  • the reactants of the reformer (or, more generally, of the hydrogen production subsystem) are preheated before introduction into the reforming reactor by heat recovery from the products of the reforming reaction, using a recovering exchanger for the systems operating at low or medium temperature and using a regenerative system for high temperature systems.
  • the recovery system involves a specific design of the flows of hot fluids, with returns or changes in direction similar to those of self-recovering burners.
  • the regenerative system involves alternating or discontinuous operation of the system, with a change in direction of flow managed by a system of valves.
  • the invention relates to a process for upgrading the chemical energy of anode gases leaving a fuel cell for the production of hydrogen consumed by the fuel cell.
  • the production of hydrogen is carried out by steam reforming, partial oxidation, autothermal reforming or hybrid reforming of reactants in a hydrogen generator.
  • the process includes the following steps:
  • the method further comprises the step of extracting, by heat exchange, the heat energy of the anode gases at high temperature, for:
  • the method is such that it further comprises the step of controlling the additional heat necessary to implement at the appropriate temperatures the processes of steam reforming, autothermal reforming or hybrid reforming, depending on the heat energy provided by the anode gases.
  • the method is such that the oxidation of the anode gases is carried out in a stepwise fashion in order to limit the formation of nitrogen oxides.
  • the invention also relates to a system for upgrading the chemical energy of anode gases leaving a fuel cell for the production of hydrogen consumed by the fuel cell.
  • the production of hydrogen is carried out by steam reforming, partial oxidation, autothermal reforming or hybrid reforming of reactants in a hydrogen generator.
  • the system includes: at least a first heat exchanger for preheating the anode gases leaving the anode compartment of the fuel cell by recovering the excess heat energy from the hydrogen-rich gases produced in the hydrogen generator,
  • a post-combustion chamber for bringing the anode gases, thus preheated, to a high temperature, by oxidation of the residual fuel fractions by means of an oxygen flow.
  • the system also comprises at least a second heat exchanger for extracting the heat energy from the anode gases at high temperature and:
  • the system further includes a third heat exchanger for preheating, by heat recovery from the hydrogen-rich gases exiting the hydrogen generator, the oxygen flow necessary for the oxidation of the anode gases.
  • the system also comprises control means for controlling the additional heat necessary for the implementation at the appropriate temperatures of the steam reforming, autothermal reforming or hybrid reforming processes, as a function of the heat energy provided by the anode gases.
  • the system is such that the oxidation of the anode gases is carried out in a staggered manner in the post-combustion chamber in order to limit the formation of nitrogen oxides.
  • the system is such that the first heat exchanger and second heat exchanger are of the recovery type.
  • the system is such that the first heat exchanger and second heat exchanger are of the regenerative type.
  • FIG. 2 which a configuration of an alternative embodiment of the invention with exchangers 4, 6 and 7 of regenerative type and alternating circulation in the high and low branches through a system of valves.
  • the present invention mainly relates to the recovery of fuels, H2 and possibly CH4, CO, present in the anode gas at the outlet of the cell.
  • the proposed solution consists in coupling the flow leaving the anode compartment of the cell with that leaving the hydrogen production reactor. The coupling is carried out by heat exchange without material exchange, the flows remain separate. This avoids any dilution of the reformate as would be the case if the oxygen necessary for the hydrogen generator was recycled from cathode gases.
  • a first flow (A, figure la) is formed by the reactants (water (a), air (c), fuels (b)) then by the reformate resulting from their reaction
  • the other flow (B, figure la) is consisting of anode gases (e) and oxygenated gas (d) necessary for the oxidation of anode gases.
  • e anode gases
  • d oxygenated gas
  • the thermal coupling according to the invention is strong in the sense that it allows a high preheating temperature level for each of the flows by heat recovery from the other flow.
  • the coupling is amplified by the generation of heat, at the highest temperature level, during post combustion.
  • the evolution of the temperatures of the two flows (A) and (B) is shown in the figure through the exchangers (6, 4 and 7) and the reactors (2 and 5).
  • the flow leaving the hydrogen production reactor 2 enters the anode compartment 3 of the fuel cell 1. It emerges there after modification of its composition by the cell 1: in all types of cell, it has been depleted in hydrogen : in the case of a cell with a proton exchange membrane (PEMFC), the hydrogen has migrated through the membrane; in the case of a solid oxide cell (SOFC), the hydrogen was oxidized to water and the CO was oxidized to C02.
  • PEMFC proton exchange membrane
  • SOFC solid oxide cell
  • the other components of the flow N2, C02, H2O, residual light hydrocarbons (CH4 for example) present at the inlet of the anode compartment 3 do not react. Hydrogen not consumed by cell 1 also remains present in this stream.
  • This gas flow has a temperature of the order of 60/90 ° at the outlet of PEMFC and 600/900 ° C at the outlet of SOFC.
  • the hydrogen production reactor 2 always operates at a higher temperature than that of the PEMFC to which it is coupled.
  • the hydrogen production reactor most often operates at a higher temperature than the SOFC to which it is coupled. This is the case for reactors producing non-catalytic hydrogen by partial oxidation or hybrid reforming of any fuel: reactor 2 operates at 900/1200 ° C or even sometimes more (1400/1500 ° C). This is also the case with steam catalytic reforming or methane autothermal: the hydrogen production reactor 2 operates at 850/950 ° C. In all these cases, the flow leaving the anode compartment 3 can therefore be reheated by heat recovery in a first heat exchanger 4 from the high temperature gas flow leaving the hydrogen production reactor 2.
  • the residual fuels in this stream (H2, CH4, CO 7) react easily in an afterburner chamber 5 with oxygen, preferably also preheated in a third heat exchanger 7, introduced in slight excess relative to the stoichiometric quantity in this post-combustion reactor 5.
  • this flow further increases and exceeds the temperature of the gases inside and at the outlet of the hydrogen production reactor 2.
  • This flow can then be cooled by yielding its heat to the production of hydrogen which is the site of endothermic reactions and / or of the reactants supplying this hydrogen production reactor (fuel, water or water vapor, air possibly) in order to preheat them at high temperature in a second heat exchanger 6.
  • This configuration is interesting because: It allows in 3 stages coupling the two flows (preheating / reaction / recovery for the flow of the hydrogen production reactor and preheating / post-combustion / recovery on the other flow, leaving the anode compartment) to recover at high temperature the heat of the products leaving the hydrogen production reactor 2, the calorific value of the residual fuels leaving the fuel cell 1, and the heat of the gases leaving the fuel cell.
  • the recovery of the calorific value of residual fuel is done at the highest possible temperature level. The energy efficiency of the whole is optimized.
  • the flow relating to the hydrogen production reactor circulates in a single direction and against the current of the flow leaving the anode compartment of the fuel cell.
  • Rectilinear and compact assemblies can be designed, without loss of space for returns of hot fluids at the head of the exchanger, or technological difficulty relating to the control of these hot fluids. All reagent flow rates can be controlled at the relatively cold inlets of the two reagent streams in the compact assembly.
  • the hydrogen residues at the outlet of cell 1 are best used at the level of hydrogen production and it is then useless to seek an optimum operation of the cell by greater depletion of the hydrogen therein (by recycling at the level of the anode compartment 3 for example).
  • this reactor can be controlled by the control means 8 to be over or under supplied with oxygen or air, which leads to a reactor for producing 'hydrogen 2 globally exo or endo thermal, depending on whether the energy available in the flow of heated gas from cell 1, at the desired temperature level, is in deficit or in excess.

Abstract

The invention relates to a method and system for recovering the chemical energy of anode gases exiting from a fuel cell (1) for the production of hydrogen consumed in a fuel cell (1). Hydrogen is produced by steam reforming, partial oxidation, autothermal reforming or hybrid reforming of reagents in a hydrogen generator (2). The method comprises the following steps: preheating of anode gases exiting from the anode compartment (3) of the fuel cell (1) using the surplus calorific energy of hydrogen-rich gases produced in the hydrogen generator (2) in a first heat exchanger (4); provision of high-temperature anode gases by oxidation of residual combustible fractions in a post-combustion chamber (5); extraction of the calorific energy of the anode gases at high temperature in a second heat exchanger (6) in order to bring at least one fraction of the heat necessary for endothermic hydrogen generation reactions to the required temperatures and/or preheating of the incoming reagents in the hydrogen generator (2).

Description

PROCEDE ET SYSTEME DE VALORISATION DE L'ENERGIE CHIMIQUE DES GAZ ANODIQUES SORTANT D'UNE PILE À COMBUSTIBLEMETHOD AND SYSTEM FOR RECOVERING THE CHEMICAL ENERGY OF ANODIC GASES COMING OUT OF A FUEL CELL
Préambule de la description Domaine concerné, problème poséPreamble to the description Area concerned, problem posed
1/ invention concerne un procédé et un système de valorisation de l'énergie chimique des gaz anodiques sortant d'une pile à combustible.1 / invention relates to a method and a system for recovering the chemical energy of anode gases leaving a fuel cell.
Les technologies à piles à combustible connaissent actuellement de grands développements pour des applications futures diverses comme le véhicule électrique ou la cogénération de chaleur et d'électricité dans le tertiaire ou le résidentiel. La plupart des technologies de piles à combustibles sont alimentées par de l'hydrogène. Cet hydrogène est produit : soit de manière centralisée pour être ensuite distribué aux revendeurs et utilisateurs locauxFuel cell technologies are currently experiencing major developments for various future applications such as the electric vehicle or the cogeneration of heat and electricity in the tertiary or residential sectors. Most fuel cell technologies are powered by hydrogen. This hydrogen is produced: either centrally and then distributed to local dealers and users
- soit localement, par reformage d'un hydrocarbure, juste en amont de la pile à combustible, et pour une utilisation immédiate par celle-ci.- Either locally, by reforming a hydrocarbon, just upstream of the fuel cell, and for immediate use by the latter.
Pour des applications locales et décentralisées, le besoin concerne une production d'électricité, et éventuellement de chaleur, à partir de combustibles disponibles localement : butane, propane commercial, gaz naturel, fuel-oil domestique ou à partir de carburants usuels : essence, diesel ... Le sous système reformeur, qui produit l'hydrogène, est couplé au sous système pile à combustible, qui oxyde l'hydrogène en produisant de l'électricité, et c'est l'ensemble qui doit être optimisé sur les plans rendement, compacité, fiabilité, coût ... Les deux sous systèmes mettent en œuvre des combustibles (hydrogène dans la pile à combustible, combustible ou carburant plus usuel dans le reformeur) et des échanges de chaleur à différents niveaux de température. Il est intéressant de coupler les deux sous systèmes de manière à optimiser les transferts de chaleur et le rendement énergétique global.For local and decentralized applications, the need concerns the production of electricity, and possibly heat, from fuels available locally: butane, commercial propane, natural gas, domestic fuel oil or from common fuels: petrol, diesel. ... the sub reformer system, which produces hydrogen, is coupled to the fuel cell subsystem, which oxidizes hydrogen by producing electricity, and it is the assembly which must be optimized in terms of efficiency, compactness, reliability, cost ... The two subsystems use fuels (hydrogen in the fuel cell, more common fuel or fuel in the reformer) and heat exchanges at different temperature levels. It is interesting to couple the two subsystems in order to optimize heat transfers and overall energy efficiency.
Le reformeur fonctionne à une température variant entre 250 et 1400°C selon la technique utilisée et le combustible à reformer : reformage catalytique à la vapeur (à 250°C pour le méthanol, à 850°C pour le méthane), oxydation partielle catalytique (vers 900°C) ou non catalytique (1200°C) , reformage autotherme, reformage hybride. Un préchauffage des réactifs par récupération de chaleur disponible dans le système est indispensable pour atteindre un bon rendement : c'est un des points clés du reformage. La pile à combustible fonctionne à une température dépendant de la technologie utilisée : de 60/90°C pour les PEMFCThe reformer operates at a temperature varying between 250 and 1400 ° C depending on the technique used and the fuel to be reformed: catalytic steam reforming (at 250 ° C for methanol, at 850 ° C for methane), partial catalytic oxidation ( around 900 ° C) or non-catalytic (1200 ° C), autothermal reforming, hybrid reforming. Preheating the reagents by recovering heat available in the system is essential to achieve good efficiency: this is one of the key points of reforming. The fuel cell operates at a temperature depending on the technology used: 60/90 ° C for PEMFCs
(Proton Exchange Fuel Cell : pile à membrane perméable aux protons) de, à 600/900°C pour les SOFC (Solide Oxide Fuel Cell : pile à oxyde solide) en passant par 500/600°C pour les MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell : pile à carbonate fondu) . Elle rejette des gaz à température plus ou moins élevée dont l'énergie sensible peut être valorisée. Par ailleurs, ces gaz en sortie de pile peuvent contenir des combustibles résiduels : H2, mais aussi CO ou CH4 ou d'autres hydrocarbures légers dont le pouvoir calorifique peut être valorisé pour optimiser le rendement du système.(Proton Exchange Fuel Cell: proton-permeable membrane cell) from, at 600/900 ° C for SOFC (Solid Oxide Fuel Cell: solid oxide cell) through 500/600 ° C for MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell: molten carbonate cell). It releases gases at higher or lower temperatures whose sensitive energy can be harnessed. Furthermore, these gases at the outlet of the cell can contain residual fuels: H2, but also CO or CH4 or other light hydrocarbons whose calorific value can be upgraded to optimize the efficiency of the system.
La présente invention propose une technique de couplage de ces sous-systèmes, applicable, quel qu'en soit leur type, dans la plupart des systèmes à pile à combustibles : PEMFC, SOFC, MCFC... et à réacteur de production d'hydrogène : reformage catalytique, autotherme, oxydation partielle, catalytique ou non catalytique... Art antérieurThe present invention provides a technique for coupling these subsystems, applicable, whatever their type, in most fuel cell systems: PEMFC, SOFC, MCFC ... and with a hydrogen production reactor : catalytic, autothermal reforming, partial oxidation, catalytic or non-catalytic ... Prior art
I . Les techniques de reformage I. A. Reformage à la vapeur d'eauI. Reforming techniques I. A. Steam reforming
Le reformage d'un combustible consiste à le convertir en un mélange d'hydrogène et monoxyde de carbone, en le faisant réagir habituellement avec de la vapeur d'eau :The reforming of a fuel consists in converting it into a mixture of hydrogen and carbon monoxide, by usually reacting it with water vapor:
CnHmOp + (n -p) H20 > nCO + (m/2 +n-p) H2 Cette réaction est essentielle pour la production d'hydrogène, qu'il soit ensuite utilisé à des fins énergétiquesCnHmOp + (n -p) H20> nCO + (m / 2 + n-p) H2 This reaction is essential for the production of hydrogen, that it is then used for energy purposes
(combustion dans un moteur à gaz ou une pile à combustible) ou chimiques (hydrogénation des coupes pétrolières en raffinerie par exemple) . Le reformage est une réaction parfaitement bien maîtrisée en pétrochimie où la production d'hydrogène à partir de gaz naturel est courante. Il nécessite un catalyseur à base de Nickel, adapté aux molécules à reformer (méthane et hydrocarbures légers) . Il se fait à une température de 850 à 950°C sous des pressions de 15 à 25 bar et des rapports H20/HC compris entre 2 et 4 (IFP) . Ces réactions, endothermiques, sont mises en oeuvre dans de grands fours (KTI, TOPSOE) où des faisceaux de tubes parallèles, garnis de catalyseurs, et chauffés extérieurement (principalement par rayonnement) , sont parcourus par le mélange à reformer.(combustion in a gas engine or fuel cell) or chemical (hydrogenation of petroleum fractions in refineries for example). Reforming is a perfectly well controlled reaction in petrochemicals where the production of hydrogen from natural gas is common. It requires a nickel-based catalyst, suitable for the molecules to be reformed (methane and light hydrocarbons). It is carried out at a temperature of 850 to 950 ° C under pressures of 15 to 25 bar and H20 / HC ratios between 2 and 4 (IFP). These endothermic reactions are carried out in large ovens (KTI, TOPSOE) where bundles of parallel tubes, packed with catalysts, and heated externally (mainly by radiation), are traversed by the mixture to be reformed.
Pour d'autres hydrocarbures, les conditions et catalyseurs sont différents. Pour des hydrocarbures plus lourds que le méthane, les températures sont plus faibles que pour le méthane (850/950°C) . Le méthanol est plus facile à reformer : des températures de 250°C suffisent et le catalyseur est à base de Cu/Zn/Al. Les hydrocarbures contenant du soufre nécessitent une désulfuration préalable car le catalyseur serait empoisonné par le soufre.For other hydrocarbons, the conditions and catalysts are different. For heavier hydrocarbons than methane, the temperatures are lower than for methane (850/950 ° C). Methanol is easier to reform: temperatures of 250 ° C are sufficient and the catalyst is based on Cu / Zn / Al. Hydrocarbons containing sulfur require a preliminary desulfurization because the catalyst would be poisoned by sulfur.
Le reformage se fait donc dans conditions de température et pression adaptées au combustible et que l'on peut calculer par les lois de la thermodynamique mettant en jeu des équilibres chimiques. C'est toujours une réaction lente et c'est pourquoi le reformage est systématiquement catalytique.The reforming therefore takes place under conditions of temperature and pressure adapted to the fuel and which can be calculate by the laws of thermodynamics involving chemical equilibria. It is always a slow reaction and that is why reforming is systematically catalytic.
I. B Oxydation partielle Une alternative au reformage à la vapeur d'eau pour la production d'hydrogène est l'oxydation partielle du combustible :I. B Partial oxidation An alternative to steam reforming for the production of hydrogen is the partial oxidation of the fuel:
CnHmOp + (n - p) /2 02 > nCO + m/2 H2CnHmOp + (n - p) / 2 02> nCO + m / 2 H2
Cette réaction est exothermique mais produit moins d'hydrogène et de plus elle a tendance à produire du carbone solide qui peut encrasser et colmater les tubes et échangeurs.This reaction is exothermic but produces less hydrogen and moreover it tends to produce solid carbon which can foul and clog the tubes and exchangers.
Par exemple, pour le gazole, elle est conduite entre 950 etFor example, for diesel, it is run between 950 and
1200°C (brûleurs Texaco-Shell) .1200 ° C (Texaco-Shell burners).
I. C Reformage autotherme La combinaison du reformage et de l'oxydation partielle permet, en ajustant les quantités d'air et d'eau injectées, de produire une réaction globalement athermique. Il s'agit du reformage autotherme (ex : Haldor Topsoe sur Nickel à 25 bar et 950°C) . Ces technologies ont été adaptées aux petites puissances par EPYX (Arthur D Little, maintenant Nuvera) d'une part, et Johnson Matthey d'autre part, avec la technologie HOTSPOT à réacteur unique, initialement développée pour le méthanol et qui peut s'étendre à d'autres combustibles.I. C Autothermal reforming The combination of reforming and partial oxidation allows, by adjusting the quantities of air and water injected, to produce a generally athermal reaction. This is autothermal reforming (ex: Haldor Topsoe on Nickel at 25 bar and 950 ° C). These technologies have been adapted to small powers by EPYX (Arthur D Little, now Nuvera) on the one hand, and Johnson Matthey on the other hand, with the HOTSPOT single reactor technology, initially developed for methanol and which can be extended other fuels.
I. D Reformage hybride Le reformage hybride se rapproche du reformage autotherme. Toutefois, dans ce procédé, la quantité d'air (le facteur d' air) peut être modifiée autour de la valeur correspondant au reformage autotherme de manière à oxyder une plus ou moins grande fraction du combustible et rendre ainsi la réaction globalement exothermique ou endothermique selon les besoins et l'état, froid ou chaud, du système et donc selon les possibilités de récupération de chaleur.I. D Hybrid reforming Hybrid reforming is similar to autothermal reforming. However, in this process, the quantity of air (the air factor) can be modified around the value corresponding to the autothermal reforming so as to oxidize a more or less large fraction of the fuel and thus to make the reaction overall exothermic or endothermic according to the needs and the state, cold or hot, of the system and therefore according to the possibilities of heat recovery.
II. Les interactions entre les deux sous systèmes et les possibilités de couplage Dans certains systèmes, dépourvus de membrane perméable à l'hydrogène, l'intégralité du flux sortant du sous système de production d'hydrogène est introduit dans la pile à combustible. Dans la plupart des cas, les combustibles résiduels en sortie du circuit anodique de la pile sont brûlés, éventuellement à basse température dans un brûleur catalytique, et la chaleur dégagée est valorisée :II. Interactions between the two subsystems and the possibilities of coupling In some systems, lacking a hydrogen permeable membrane, the entire flow leaving the hydrogen production subsystem is introduced into the fuel cell. In most cases, the residual fuels leaving the anode circuit of the cell are burned, possibly at low temperature in a catalytic burner, and the heat released is valued:
- pour préchauffer légèrement l'eau de reformage et produire, le cas échéant de la vapeur à basse température, - ou bien pour chauffer l'eau des circuits utilisateurs en cas de cogénération.- to slightly preheat the reforming water and produce, if necessary steam at low temperature, - or to heat the water of the user circuits in the event of cogeneration.
Les réactifs du reformeur (ou, plus généralement, du sous système de production d'hydrogène) sont préchauffés avant introduction dans le réacteur de reformage par récupération de chaleur sur les produits de la réaction de reformage, en utilisant un échangeur récupératif pour les systèmes fonctionnant à basse ou moyenne température et en utilisant un système régénératif pour les systèmes à haute température. Le système récupératif implique une conception spécifique des écoulements des fluides chauds, avec des retours ou changements de direction qui s'apparente à celles des brûleurs autorécupérateurs. Le système régénératif implique un fonctionnement alternatif ou discontinu du système, avec changement de sens des écoulements gérés par un système de vannes. SolutionThe reactants of the reformer (or, more generally, of the hydrogen production subsystem) are preheated before introduction into the reforming reactor by heat recovery from the products of the reforming reaction, using a recovering exchanger for the systems operating at low or medium temperature and using a regenerative system for high temperature systems. The recovery system involves a specific design of the flows of hot fluids, with returns or changes in direction similar to those of self-recovering burners. The regenerative system involves alternating or discontinuous operation of the system, with a change in direction of flow managed by a system of valves. Solution
L'invention concerne un procédé de valorisation de l'énergie chimique des gaz anodiques sortant d'une pile à combustible pour la production de l'hydrogène consommé par la pile à combustible. La production d'hydrogène est réalisée par vaporeformage, oxydation partielle, reformage autotherme ou reformage hybride de réactifs dans un générateur d'hydrogène. Le procédé comporte les étapes suivantes :The invention relates to a process for upgrading the chemical energy of anode gases leaving a fuel cell for the production of hydrogen consumed by the fuel cell. The production of hydrogen is carried out by steam reforming, partial oxidation, autothermal reforming or hybrid reforming of reactants in a hydrogen generator. The process includes the following steps:
- l'étape de préchauffer les gaz anodiques sortant du compartiment anodique de la pile à combustible en refroidissant et en récupérant l'énergie calorifique excédentaire des gaz riches en hydrogène produits dans le générateur d'hydrogène,- the step of preheating the anode gases leaving the anode compartment of the fuel cell while cooling and by recovering the excess heat energy from the hydrogen-rich gases produced in the hydrogen generator,
- l'étape de porter à une température élevée les gaz anodiques, ainsi préchauffés, par oxydation des fractions combustibles résiduelles au moyen d'un flux oxygéné,the step of bringing the anodic gases, thus preheated, to a high temperature, by oxidation of the residual fuel fractions by means of an oxygenated flow,
- l'étape de préchauffer, par récupération de chaleur sur les gaz riches en hydrogène sortant du générateur d'hydrogène, le flux oxygéné nécessaire à l'oxydation des gaz anodiques . Le procédé comprend en outre l'étape d'extraire, par échange thermique, l'énergie calorifique des gaz anodiques à température élevée, pour :the step of preheating, by heat recovery from the hydrogen-rich gases leaving the hydrogen generator, the oxygen flow necessary for the oxidation of the anode gases. The method further comprises the step of extracting, by heat exchange, the heat energy of the anode gases at high temperature, for:
- apporter aux températures appropriées pour la mise en œuvre des processus vaporeformage, reformage autotherme ou reformage hybride au moins une fraction de la chaleur nécessaire aux réactions endothermiques de génération d'hydrogène, et/ou- bring at the appropriate temperatures for the implementation of the steam reforming, autothermal reforming or hybrid reforming at least a fraction of the heat necessary for the endothermic reactions of hydrogen generation, and / or
- préchauffer les réactifs entrant dans le générateur d'hydrogène aux températures appropriées aux processus de vaporeformage, d'oxydation partielle, de reformage autotherme ou reformage hybride mis en œuvre.- preheat the reagents entering the hydrogen generator to temperatures appropriate for the steam reforming, partial oxidation, autothermal reforming or hybrid reforming implemented.
Le procédé est tel qu'il comprend en outre l'étape de piloter le complément de chaleur nécessaire pour mettre en œuvre aux températures appropriées les processus de vaporeformage, de reformage autotherme ou de reformage hybride, en fonction de l'énergie calorifique apportée par les gaz anodiques.The method is such that it further comprises the step of controlling the additional heat necessary to implement at the appropriate temperatures the processes of steam reforming, autothermal reforming or hybrid reforming, depending on the heat energy provided by the anode gases.
De préférence selon l'invention, le procédé est tel que l'oxydation des gaz anodiques est réalisée de manière étagée afin de limiter la formation d' oxydes d' azote .Preferably according to the invention, the method is such that the oxidation of the anode gases is carried out in a stepwise fashion in order to limit the formation of nitrogen oxides.
L'invention concerne également un système de valorisation de l'énergie chimique des gaz anodiques sortant d'une pile à combustible pour la production de l'hydrogène consommé par la pile à combustible. La production d'hydrogène est réalisée par vaporeformage, oxydation partielle, reformage autotherme ou reformage hybride de réactifs dans un générateur d'hydrogène. Le système comporte : au moins un premier échangeur thermique pour préchauffer les gaz anodiques sortant du compartiment anodique de la pile à combustible en récupérant l'énergie calorifique excédentaire des gaz riches en hydrogène produits dans le générateur d'hydrogène,The invention also relates to a system for upgrading the chemical energy of anode gases leaving a fuel cell for the production of hydrogen consumed by the fuel cell. The production of hydrogen is carried out by steam reforming, partial oxidation, autothermal reforming or hybrid reforming of reactants in a hydrogen generator. The system includes: at least a first heat exchanger for preheating the anode gases leaving the anode compartment of the fuel cell by recovering the excess heat energy from the hydrogen-rich gases produced in the hydrogen generator,
- une chambre de post combustion pour porter à une température élevée les gaz anodiques, ainsi préchauffés, par oxydation des fractions combustibles résiduelles au moyen d'un flux oxygéné. Le système comporte en outre au moins un second échangeur thermique pour extraire l'énergie calorifique des gaz anodiques à température élevée et :- A post-combustion chamber for bringing the anode gases, thus preheated, to a high temperature, by oxidation of the residual fuel fractions by means of an oxygen flow. The system also comprises at least a second heat exchanger for extracting the heat energy from the anode gases at high temperature and:
• apporter aux températures appropriées pour la mise en œuvre des processus vaporeformage, reformage autotherme ou reformage hybride au moins une fraction de la chaleur nécessaire aux réactions endothermiques de génération d'hydrogène, et/ou• bring at the appropriate temperatures for the implementation of the steam reforming, autothermal reforming or hybrid reforming at least a fraction of the heat necessary for the endothermic reactions of hydrogen generation, and / or
• préchauffer les réactifs entrant dans le générateur d'hydrogène aux températures appropriées aux processus de vaporeformage, d'oxydation partielle, de reformage autotherme ou reformage hybride mis en œuvre.• preheat the reagents entering the hydrogen generator to temperatures suitable for the steam reforming, partial oxidation, autothermal reforming or hybrid reforming implemented.
Le système comprend en outre un troisième échangeur thermique pour préchauffer, par récupération de chaleur sur les gaz riches en hydrogène sortant du générateur d'hydrogène, le flux oxygéné nécessaire à l'oxydation des gaz anodiques. Le système comprend en outre des moyens de contrôle pour piloter le complément de chaleur nécessaire à la mise en œuvre aux températures appropriées des processus de vaporeformage, de reformage autotherme ou de reformage hybride, en fonction de l'énergie calorifique apportée par les gaz anodiques.The system further includes a third heat exchanger for preheating, by heat recovery from the hydrogen-rich gases exiting the hydrogen generator, the oxygen flow necessary for the oxidation of the anode gases. The system also comprises control means for controlling the additional heat necessary for the implementation at the appropriate temperatures of the steam reforming, autothermal reforming or hybrid reforming processes, as a function of the heat energy provided by the anode gases.
De préférence selon l'invention, le système est tel que l'oxydation des gaz anodiques est réalisée de manière étagée dans la chambre de post combustion afin de limiter la formation d' oxydes d' azote . De préférence selon une variante de réalisation de l'invention, le système est tel que les premier échangeur thermique et second échangeur thermique sont du type récupératif.Preferably according to the invention, the system is such that the oxidation of the anode gases is carried out in a staggered manner in the post-combustion chamber in order to limit the formation of nitrogen oxides. Preferably according to an alternative embodiment of the invention, the system is such that the first heat exchanger and second heat exchanger are of the recovery type.
De préférence selon une autre variante de réalisation de l'invention, le système est tel que les premier échangeur thermique et second échangeur thermique sont du type régénératif. Preferably according to another alternative embodiment of the invention, the system is such that the first heat exchanger and second heat exchanger are of the regenerative type.
Description détailléedetailed description
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description de variantes de réalisation de l'invention données à titre d'exemple indicatif et non limitatif, et de laOther characteristics and advantages of the invention will appear on reading the description of alternative embodiments of the invention given by way of non-limiting example, and from the
- figure 1 qui représente un système mettant en œuvre des echangeurs récupératifs pour la valorisation à haute température de l'énergie des gaz anodiques pour la génération d'hydrogène, - figure la qui représente une évolution des températures dans un système représenté sur la figure 1,- Figure 1 which represents a system implementing recuperative exchangers for the high temperature recovery of the energy of anode gases for the generation of hydrogen, - Figure la which represents an evolution of temperatures in a system shown in Figure 1 ,
- figure 2 qui une configuration d'une variante de réalisation de l'invention avec des echangeurs 4, 6 et 7 de type régénératifs et circulation alternée dans les branches hautes et basses grâce à un système de vannes.- Figure 2 which a configuration of an alternative embodiment of the invention with exchangers 4, 6 and 7 of regenerative type and alternating circulation in the high and low branches through a system of valves.
La présente invention concerne principalement la valorisation des combustibles, H2 et éventuellement CH4, CO, présents dans le gaz anodique en sortie de pile. La solution proposée consiste à coupler le flux sortant du compartiment anodique de la pile avec celui sortant du réacteur de production d'hydrogène. Le couplage est effectué par échange de chaleur sans échange de matière, les flux restent séparés. On évite ainsi toute dilution du reformat comme cela serait le cas si l'oxygène nécessaire au générateur d'hydrogène était recyclé à partir des gaz cathodiques.The present invention mainly relates to the recovery of fuels, H2 and possibly CH4, CO, present in the anode gas at the outlet of the cell. The proposed solution consists in coupling the flow leaving the anode compartment of the cell with that leaving the hydrogen production reactor. The coupling is carried out by heat exchange without material exchange, the flows remain separate. This avoids any dilution of the reformate as would be the case if the oxygen necessary for the hydrogen generator was recycled from cathode gases.
On obtient ainsi deux flux de gaz. Un premier flux (A, figure la) est formé par les réactifs (eau (a) , air (c) , combustibles (b) ) puis par le reformat issu de leur réaction, l'autre flux (B, figure la) est constitué par les gaz anodiques (e) et le gaz oxygéné (d) nécessaire à l'oxydation des gaz anodiques. Ces deux flux ont des débits calorifiques équilibrés et circulent dans un arrangement pratiquement linéaire d' echangeurs-réacteurs. Pour des raisons de commodité et pour faciliter la compréhension des circuits on a représenté sur la figure 1 des echangeurs et réacteurs séparés reliés par des éléments de liaison. En fait, l'arrangement quasi linéaire permet d' intégrer les echangeurs et les réacteurs dans une même enceinte en évitant des éléments de liaison transférant les fluides à températures élevées. Le couplage thermique selon l'invention est fort en ce sens qu' il permet un niveau de température de préchauffage élevé pour chacun des flux par récupération de chaleur sur l'autre flux. De plus le couplage est amplifié par la génération de chaleur, au plus haut niveau de température, lors de la post combustion. On a représenté sur la figure la l'évolution des températures des deux flux (A) et (B) au travers des echangeurs (6, 4 et 7) et des réacteurs (2 et 5) .Two gas flows are thus obtained. A first flow (A, figure la) is formed by the reactants (water (a), air (c), fuels (b)) then by the reformate resulting from their reaction, the other flow (B, figure la) is consisting of anode gases (e) and oxygenated gas (d) necessary for the oxidation of anode gases. These two flows have balanced heat flows and circulate in a practically linear arrangement of exchanger-reactors. For reasons of convenience and to facilitate understanding of the circuits, FIG. 1 shows separate exchangers and reactors connected by connecting elements. In fact, the quasi-linear arrangement makes it possible to integrate the exchangers and the reactors in the same enclosure while avoiding connecting elements transferring the fluids at high temperatures. The thermal coupling according to the invention is strong in the sense that it allows a high preheating temperature level for each of the flows by heat recovery from the other flow. In addition, the coupling is amplified by the generation of heat, at the highest temperature level, during post combustion. The evolution of the temperatures of the two flows (A) and (B) is shown in the figure through the exchangers (6, 4 and 7) and the reactors (2 and 5).
Le flux sortant du réacteur de production d'hydrogène 2 entre dans le compartiment anodique 3 de la pile à combustible 1. Il en ressort après modification de sa composition par la pile 1 : dans tous les types de pile, il a été appauvri en hydrogène : dans le cas d'une pile à membrane échangeuse de protons (PEMFC), l'hydrogène a migré à travers la membrane ; dans le cas d'une pile à oxyde solide (SOFC), l'hydrogène a été oxydé en eau et le CO a été oxydé en C02. Les autres composants du flux : N2, C02, H20, hydrocarbures légers (CH4 par exemple) résiduels présents à l'entrée du compartiment anodique 3 ne réagissent pas. De l'hydrogène non consommé par la pile 1 reste également présent dans ce flux. Ce flux de gaz a une température de l'ordre de 60/90° en sortie de PEMFC et de 600/900°C en sortie de SOFC.The flow leaving the hydrogen production reactor 2 enters the anode compartment 3 of the fuel cell 1. It emerges there after modification of its composition by the cell 1: in all types of cell, it has been depleted in hydrogen : in the case of a cell with a proton exchange membrane (PEMFC), the hydrogen has migrated through the membrane; in the case of a solid oxide cell (SOFC), the hydrogen was oxidized to water and the CO was oxidized to C02. The other components of the flow: N2, C02, H2O, residual light hydrocarbons (CH4 for example) present at the inlet of the anode compartment 3 do not react. Hydrogen not consumed by cell 1 also remains present in this stream. This gas flow has a temperature of the order of 60/90 ° at the outlet of PEMFC and 600/900 ° C at the outlet of SOFC.
Le réacteur de production d'hydrogène 2 fonctionne toujours à une température plus élevée que celle de la PEMFC à laquelle il est couplé. Le réacteur de production d'hydrogène fonctionne le plus souvent à une température plus élevée que la SOFC à laquelle il est couplé. C'est le cas des réacteurs de production d'hydrogène non catalytique par oxydation partielle ou reformage hybride de tout combustible : le réacteur 2 fonctionne à 900/1200°C ou même parfois plus (1400/1500°C) . C'est aussi le cas du reformage catalytique à la vapeur ou autotherme de méthane : le réacteur de production d'hydrogène 2 fonctionne à 850/950°C. Dans tous ces cas, le flux sortant du compartiment anodique 3 peut donc être réchauffé par récupération de chaleur dans un premier échangeur thermique 4 depuis le flux de gaz à haute température sortant du réacteur de production d' hydrogène 2.The hydrogen production reactor 2 always operates at a higher temperature than that of the PEMFC to which it is coupled. The hydrogen production reactor most often operates at a higher temperature than the SOFC to which it is coupled. This is the case for reactors producing non-catalytic hydrogen by partial oxidation or hybrid reforming of any fuel: reactor 2 operates at 900/1200 ° C or even sometimes more (1400/1500 ° C). This is also the case with steam catalytic reforming or methane autothermal: the hydrogen production reactor 2 operates at 850/950 ° C. In all these cases, the flow leaving the anode compartment 3 can therefore be reheated by heat recovery in a first heat exchanger 4 from the high temperature gas flow leaving the hydrogen production reactor 2.
Porté à haute température par ce réchauffage, les combustibles résiduels de ce flux (H2, CH4, CO...) réagissent facilement dans une chambre de post-combustion 5 avec l'oxygène, de préférence également préchauffé dans un troisième échangeur thermique 7, introduit en léger excès par rapport à la quantité stoechiométrique dans ce réacteur de post-combustion 5.Brought to high temperature by this reheating, the residual fuels in this stream (H2, CH4, CO ...) react easily in an afterburner chamber 5 with oxygen, preferably also preheated in a third heat exchanger 7, introduced in slight excess relative to the stoichiometric quantity in this post-combustion reactor 5.
Par cette réaction d'oxydation exothermique, la température de ce flux augmente encore et dépasse la température des gaz à l' intérieur et en sortie du réacteur de production d'hydrogène 2. Ce flux peut alors être refroidi en cédant sa chaleur au réacteur de production d'hydrogène qui est le siège de réactions endothermiques et/ou aux réactifs alimentant ce réacteur de production d'hydrogène (combustible, eau ou vapeur d'eau, air éventuellement) pour les préchauffer à haute température dans un second échangeur thermique 6.By this exothermic oxidation reaction, the temperature of this flow further increases and exceeds the temperature of the gases inside and at the outlet of the hydrogen production reactor 2. This flow can then be cooled by yielding its heat to the production of hydrogen which is the site of endothermic reactions and / or of the reactants supplying this hydrogen production reactor (fuel, water or water vapor, air possibly) in order to preheat them at high temperature in a second heat exchanger 6.
Cette configuration d'échange est possible avec des echangeurs récupératifs, tel qu'illustré sur la figure 1, et aussi avec des echangeurs de chaleurs régénératifs tels que précisé sur la figure 2.This exchange configuration is possible with recuperative exchangers, as illustrated in FIG. 1, and also with regenerative heat exchangers as specified in FIG. 2.
Cette configuration est intéressante car : Elle permet en 3 étapes couplant les deux flux (préchauffage /réaction /récupération pour le flux du réacteur de production d'hydrogène et préchauffage /post-combustion /récupération sur l'autre flux, sortant du compartiment anodique) de valoriser à haute température la chaleur des produits sortant du réacteur de production d'hydrogène 2, le pouvoir calorifique des combustibles résiduels en sortie de pile à combustible 1, et la chaleur des gaz sortant de la pile à combustible. Ainsi, la récupération du pouvoir calorifique des combustibles résiduels se fait au plus haut niveau de température possible. Le rendement énergétique de l'ensemble est optimisé.This configuration is interesting because: It allows in 3 stages coupling the two flows (preheating / reaction / recovery for the flow of the hydrogen production reactor and preheating / post-combustion / recovery on the other flow, leaving the anode compartment) to recover at high temperature the heat of the products leaving the hydrogen production reactor 2, the calorific value of the residual fuels leaving the fuel cell 1, and the heat of the gases leaving the fuel cell. Thus, the recovery of the calorific value of residual fuel is done at the highest possible temperature level. The energy efficiency of the whole is optimized.
Elle n'introduit pas de modification de direction dans les flux de gaz : le flux concernant le réacteur de production d'hydrogène circule dans un sens unique et à contre courant du flux sortant du compartiment anodique de la pile à combustible. Des ensembles rectilignes et compacts peuvent être conçus, sans pertes de place pour des retours de fluides chauds en tête d' échangeur, ni difficulté technologique relative au contrôle de ces fluides chauds. Tous les débits des réactifs peuvent être contrôlés aux entrées relativement froides des deux flux de réactifs dans l'ensemble compact.It does not introduce any change in direction in the gas flows: the flow relating to the hydrogen production reactor circulates in a single direction and against the current of the flow leaving the anode compartment of the fuel cell. Rectilinear and compact assemblies can be designed, without loss of space for returns of hot fluids at the head of the exchanger, or technological difficulty relating to the control of these hot fluids. All reagent flow rates can be controlled at the relatively cold inlets of the two reagent streams in the compact assembly.
Dans le cas où le réacteur de production d'hydrogène 2 est globalement endothermique (cas du reformage à la vapeur ou d' un réacteur de reformage hybride sous alimenté en air) , les résidus d'hydrogène en sortie de pile 1 sont valorisés au mieux au niveau de la production d'hydrogène et il est alors inutile de chercher un optimum de fonctionnement de la pile par épuisement plus important de l'hydrogène dans celle-ci (par recyclage au niveau du compartiment anodique 3 par exemple) .In the case where the hydrogen production reactor 2 is globally endothermic (in the case of steam reforming or of a hybrid reforming reactor supplied with air), the hydrogen residues at the outlet of cell 1 are best used at the level of hydrogen production and it is then useless to seek an optimum operation of the cell by greater depletion of the hydrogen therein (by recycling at the level of the anode compartment 3 for example).
Cette configuration se prête particulièrement bien au fonctionnement souple et régulé d'un réacteur de reformage hybride : ce réacteur peut être piloté par les moyens de contrôle 8 pour être sur ou sous alimenté en oxygène ou air, ce qui mène à un réacteur de production d'hydrogène 2 globalement exo ou endo thermique, selon que l'énergie disponible dans le flux de gaz réchauffé en provenance de la pile 1, au niveau de température souhaité, est déficitaire ou excédentaire. This configuration lends itself particularly well to the flexible and regulated operation of a hybrid reforming reactor: this reactor can be controlled by the control means 8 to be over or under supplied with oxygen or air, which leads to a reactor for producing 'hydrogen 2 globally exo or endo thermal, depending on whether the energy available in the flow of heated gas from cell 1, at the desired temperature level, is in deficit or in excess.

Claims

REVENDICATIONSProcédé REVENDICATIONSProcédé
1. Procédé de valorisation de l'énergie chimique des gaz anodiques sortant d'une pile à combustible (1) pour la production de l'hydrogène consommé par ladite pile à combustible1. Process for upgrading the chemical energy of anode gases leaving a fuel cell (1) for the production of the hydrogen consumed by said fuel cell
(1) ; ladite production d'hydrogène étant réalisée par vaporeformage, oxydation partielle, reformage autotherme ou reformage hybride de réactifs dans un générateur d'hydrogène(1); said hydrogen production being carried out by steam reforming, partial oxidation, autothermal reforming or hybrid reforming of reactants in a hydrogen generator
(2) ; ledit procédé comportant les étapes suivantes :(2); said method comprising the following steps:
- l'étape de préchauffer lesdits gaz anodiques sortant du compartiment anodique (3) de ladite pile à combustible (1) en refroidissant et en récupérant l'énergie calorifique excédentaire des gaz riches en hydrogène produits dans ledit générateur d'hydrogène (2),the step of preheating said anode gases leaving the anode compartment (3) of said fuel cell (1) by cooling and recovering the excess heat energy of the hydrogen-rich gases produced in said hydrogen generator (2),
- l'étape de porter à une température élevée lesdits gaz anodiques, ainsi préchauffés, par oxydation des fractions combustibles résiduelles au moyen d'un flux oxygéné,the step of bringing said anodic gases, thus preheated, to a high temperature, by oxidation of the residual fuel fractions by means of an oxygenated flow,
- l' étape de préchauffer, par récupération de chaleur sur les gaz riches en hydrogène sortant du générateur d'hydrogène, ledit flux oxygéné nécessaire à ladite oxydation desdits gaz anodiques,the step of preheating, by heat recovery from the gases rich in hydrogen leaving the hydrogen generator, said oxygenated flow necessary for said oxidation of said anode gases,
- l'étape d'extraire, par échange thermique, l'énergie calorifique desdits gaz anodiques à température élevée, pour :the step of extracting, by heat exchange, the calorific energy of said anodic gases at high temperature, for:
• apporter aux températures appropriées pour la mise en œuvre des processus vaporeformage, reformage autotherme ou reformage hybride au moins une fraction de la chaleur nécessaire aux réactions endothermiques de génération d'hydrogène, et/ou• bring at the appropriate temperatures for the implementation of the steam reforming, autothermal reforming or hybrid reforming at least a fraction of the heat necessary for the endothermic reactions of hydrogen generation, and / or
• préchauffer lesdits réactifs entrant dans ledit générateur d'hydrogène (2) aux températures appropriées aux processus de vaporeformage, d'oxydation partielle, de reformage autotherme ou reformage hybride mis en œuvre, l'étape de piloter le complément de chaleur nécessaire pour mettre en œuvre aux températures appropriées lesdits processus de vaporeformage, de reformage autotherme ou de reformage hybride, en fonction de l'énergie calorifique apportée par lesdits gaz anodiques.• preheating said reagents entering said hydrogen generator (2) at temperatures suitable for the steam reforming processes, partial oxidation, autothermal reforming or hybrid reforming implemented, the step of controlling the additional heat necessary to bring about carries out at the appropriate temperatures the said processes of steam reforming, autothermal reforming or hybrid reforming, depending on the heat energy provided by said anode gases.
2. Procédé selon la revendication 1 ; ledit procédé étant tel que ladite oxydation desdits gaz anodiques est réalisée de manière étagée afin de limiter la formation d'oxydes d'azote.2. Method according to claim 1; said process being such that said oxidation of said anode gases is carried out in a stepwise fashion in order to limit the formation of nitrogen oxides.
SystèmeSystem
3. Système de valorisation de l'énergie chimique des gaz anodiques sortant d'une pile à combustible (1) pour la production de l'hydrogène consommé par ladite pile à combustible3. Valorization system for the chemical energy of anode gases leaving a fuel cell (1) for the production of the hydrogen consumed by said fuel cell
(1) ; ladite production d'hydrogène étant réalisée par vaporeformage, oxydation partielle, reformage autotherme ou reformage hybride de réactifs dans un générateur d'hydrogène(1); said hydrogen production being carried out by steam reforming, partial oxidation, autothermal reforming or hybrid reforming of reactants in a hydrogen generator
(2) ; ledit système comportant :(2); said system comprising:
- au moins un premier échangeur thermique (4) pour préchauffer lesdits gaz anodiques sortant du compartiment anodique (3) de ladite pile à combustible (1) en récupérant l'énergie calorifique excédentaire des gaz riches en hydrogène produits dans ledit générateur d'hydrogène (2),- at least a first heat exchanger (4) for preheating said anode gases leaving the anode compartment (3) of said fuel cell (1) by recovering the excess heat energy from the hydrogen-rich gases produced in said hydrogen generator ( 2)
- une chambre de post combustion (5) pour porter à une température élevée lesdits gaz anodiques, ainsi préchauffés, par oxydation des fractions combustibles résiduelles au moyen d'un flux oxygéné,- a post-combustion chamber (5) for bringing said anode gases, thus preheated, to a high temperature, by oxidation of the residual fuel fractions by means of an oxygen flow,
- au moins un second échangeur thermique (6) pour extraire l'énergie calorifique desdits gaz anodiques à température élevée et :- at least a second heat exchanger (6) for extracting the heat energy from said anode gases at high temperature and:
• apporter aux températures appropriées pour la mise en œuvre des processus vaporeformage, reformage autotherme ou reformage hybride au moins une fraction de la chaleur nécessaire aux réactions endothermiques de génération d'hydrogène, et/ou• bring at the appropriate temperatures for the implementation of the steam reforming, autothermal reforming or hybrid reforming at least a fraction of the heat necessary for the endothermic reactions of hydrogen generation, and / or
• préchauffer lesdits réactifs entrant dans ledit générateur d'hydrogène (2) aux températures appropriées aux processus de vaporeformage, d'oxydation partielle, de reformage autotherme ou reformage hybride mis en œuvre, un troisième échangeur thermique (7) pour préchauffer, par récupération de chaleur sur les gaz riches en hydrogène sortant du générateur d'hydrogène, ledit flux oxygéné nécessaire à ladite oxydation desdits gaz anodiques, des moyens de contrôle (8) pour piloter le complément de chaleur nécessaire à la mise en œuvre aux températures appropriées desdits processus de vaporeformage, de reformage autotherme ou de reformage hybride, en fonction de l'énergie calorifique apportée par lesdits gaz anodiques.• preheating said reagents entering said hydrogen generator (2) at temperatures suitable for the steam reforming, partial oxidation, autothermal reforming or hybrid reforming implemented, a third heat exchanger (7) for preheating, by heat recovery from the gases rich in hydrogen leaving the hydrogen generator, said oxygenated flow necessary for said oxidation of said anode gases, control means (8) for controlling the complement of heat necessary for the implementation at the appropriate temperatures of said steam reforming, autothermal reforming or hybrid reforming processes, depending on the heat energy provided by said anode gases.
4. Système selon la revendication 3 ; ledit système étant tel que ladite oxydation desdits gaz anodiques est réalisée de manière étagée dans ladite chambre de post combustion (5) afin de limiter la formation d'oxydes d'azote.4. System according to claim 3; said system being such that said oxidation of said anode gases is carried out in a staggered manner in said post-combustion chamber (5) in order to limit the formation of nitrogen oxides.
5. Système selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4 ; ledit système étant tel que lesdits premier échangeur thermique (4) et second échangeur thermique (6) sont du type récupératif.5. System according to any one of claims 3 or 4; said system being such that said first heat exchanger (4) and second heat exchanger (6) are of the recovery type.
6. Système selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4 ; ledit système étant tel que lesdits premier échangeur thermique (4) et second échangeur thermique (6) sont du type régénératif. 6. System according to any one of claims 3 or 4; said system being such that said first heat exchanger (4) and second heat exchanger (6) are of the regenerative type.
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