DE69325092T2

DE69325092T2 - Verfahren und vorrichtung zur entfernung von kohlenmonoxid

Info

Publication number: DE69325092T2
Application number: DE69325092T
Authority: DE
Inventors: Roger Lesieur; Craig Schroll; John Trocciola
Original assignee: International Fuel Cells Corp
Current assignee: UTC Power Corp
Priority date: 1992-03-19
Filing date: 1993-03-18
Publication date: 1999-09-30
Anticipated expiration: 2013-03-19
Also published as: DE69333160T2; DE69325092D1; DE69333160D1; WO1993019005A1; EP0873967A2; EP0631564B1; EP0873967B1; EP0873967A3; EP0631564A1

Description

Technischer Bereich

Die vorliegende Erfindung betrifft die Behandlung von Gasen im allgemeinen und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Entfernen von Kohlenmonoxid aus gasförmigen Medien.

Technischer Hintergrund

Es gibt bereits verschiedene bekannte Methoden und Vorrichtungskonstruktionen zum Entfernen von Kohlenmonoxid aus gasförmigen Medien, darunter solche, die in der Lage sind, Kohlenmonoxid durch Oxidation in Anwesenheit von gasförmigem Sauerstoff aus gasförmigen Medien zu entfernen, welche zusätzlich andere oxidierbare oder auf andere Weise reaktive Substanzen, wie z. B. Wasserstoff, enthalten, indem Katalysatoren verwendet werden, welche selektiv oder bevorzugt die gewünschte Umwandlung von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid fördern.
Eine solche Methode ist in einem Artikel von M. L. Brown ca al. offenbart mit dem Titel "Purifying Hydrogen by... Selective Oxidation of Carbon Monoxide", der in Band 50, Nr. 10 von Industrial and Engineering Chemistry, Seiten 841 bis 844 (1960) erschienen ist. Wie dort im Zusammenhang mit Ammoniaksynthese diskutiert, sind bestimmte Katalysatoren, wie z. B. Platin auf Aluminiumoxid als Träger in der Lage, selektiv die Oxidationsreaktion von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid mit nur kleinen oder unwesentlichen Verlusten an in dem gasförmigen Medium enthaltenen Wasserstoff zu fördern, der zur Wasserbildung versetzt wird, solang sich die Temperatur, bei der die Reaktion stattfindet, über einer Schwellentemperatur befindet. Jedoch ist in diesem Artikel auch offenbart, daß es auch einen relativ hohen Grenzwert gibt, unter dem die Kohlenmonoxidkonzentration nicht reduziert werden kann, wenn die Oxidationsreaktion bei solchen relativ hohen Temperaturen in einer einzigen Stufe durchgeführt wird. Diese Beschränkung ist in erster Linie, wenn nicht ausschließlich, einer umgekehrten katalytischen Kohlenoxidkonvertierung zuzuschreiben, bei welcher Kohlendioxid mit Wasserstoff reagiert um Kohlenmonoxid und Wasser auszubilden. Auf der anderen Seite erwähnt dieser Artikel auch, daß der Katalysator bei Temperaturen unter der Schwellentemperatur sehr schnell unwirksam wurde und auch bei einer nachfolgenden Erhöhung der Reaktionstemperatur über die Schwellentemperatur nicht mehr wirksam wurde, wenn versucht wurde, die selektive Oxidlationsreaktion bei dem einströmenden gasförmigen Medium durchzuführen, das eine relativ hohe Kohlenmonoxidkonzentration aufweist; vielmehr war es notwendig, zuerst den Katalysator durch Verwendung eines im wesentlichen kohlenmonoxidfreien gasförmigen Mediums bei Temperaturen über der Schwellentemperatur zu reinigen, gefolgt von der Durchführung der selektiven Oxidationsreaktion bei solch erhöhten Temperaturen. Somit gibt dieser Artikel an, daß es unmöglich oder wenigstens nicht empfehlenswert ist, das einströmende gasförmige Medium bei Temperaturen unter der Schwellentemperatur zu behandeln.
Jedoch, selbst in dem obigen Zusammenhang, ist es oft wünschenswert, die Kohlenmonoxidkonzentration unter den Grenzwert zu reduzieren, bevor das gasförmige Medium der speziellen Ammoniaksyntheseeinrichtung zugeführt wird. Zu diesem Zweck schlägt der obige Artikel vor, zwei aufeinanderfolgende selektive Kohlenmonoxidoxidationsstufen zu verwenden, wobei eine Kohlendioxidentfernungsvorrichtung zwischen solchen aufeinanderfolgenden Oxidationsstufen dazwischengeschaltet ist. Sogar hier wird die selektive Oxidationsreaktion jedoch in beiden Oxidationsstufen über der Schwellentemperatur durchgeführt; Wegen der Entfernung des Kohlendioxids aus dem gasförmigen Medium zwischen den zwei Oxidationsstufen und dem resultierenden Mangel an Kohlendioxid, das an der oben erwähnten umgekehrten katalytischen Kohlenoxidkonvertierung des in die zweite Oxidationsstufe einströmenden gasförmigen Mediums beteiligt sein könnte, ist die Heftigkeit einer solchen Reaktion in der zweiten Oxidationsstufe jedoch drastisch reduziert, was eine Kohlenmonoxidkonzentration in dem die zweite Oxidationsstufe verlassenden gasförmigen Medium zur Folge hat, die beträchtlich unter der liegt, die in der ersten Oxidationsstufe oder was das anbetrifft in einer einstufigen Oxidationsvorrichtung erreichbaren ist.
Sogar die letztere Methode läßt jedoch viel zu wünschen übrig. Zum einen erhöht die Notwendigkeit, die Kohlenstoffentfernungsvorrichtung zwischen den zwei aufeinanderfolgenden Oxidationsstufen vorzusehen nicht nur die Komplexität der Einrichtung zur Behandlung des gasförmigen Mediums, sondern erhöht auch die Kosten beträchtlich. Darüber hinaus und möglicherweise noch wichtiger ist, daß es immer noch eine wenn auch niedrigere Grenze als bei der Einstufenmethode gibt, unter der die Kohlenmonoxidkonzentration nicht reduziert werden kann, wenn die Zweistufenmethode verwendet wird. Jedoch gibt es Anwendungen, wie z. B. bei der Behandlung eines gasförmigen Brennstoffs, der einer Brennstoffzelle zugeführt werden soll, wo sogar eine solche reduzierte Kohlenmonoxidkonzentration unerwünscht hoch ist.
Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu entwickeln und eine Vorrichtung zu entwerfen, um Kohlenmonoxid aus einem gasförmigen Medium durch Oxidation derart selektiv zu entfernen, daß der Kohlenmonoxidgehalt in dem behandelten Medium sogar bei variierenden Belastungen minimiert wird, ohne daß es notwendig ist, das Kohlendioxid aus dem zu behandelnden Medium zu entfernen.

Offenbarung der Erfindung

In Übereinstimmung mit diesen und anderen Aufgaben, welche nachfolgend offenbar werden, liegt ein Merkmal der vorliegenden Erfindung in einem Verfahren zur Reduzierung der Kohlenmonoxidkonzentration auf ein gewünschtes Mindestniveau in einem gasförmigen Medium, das auch wenigstens Wasserstoff enthält. Eine solche Reduzierung wird durch eine selektive katalytische Oxidation in Anwesenheit von gasförmigem Sauerstoff unter Verwendung eines Katalysators erreicht, welcher in der Lage ist, Kohlenmonoxid in einer exothermen Reaktion bei Temperaturen innerhalb eines gegebenen Temperaturbereiches zu oxidieren, der aber schnell inaktiviert wird, wenn er hohen Kohlenmonoxidkonzentration unter einer Schwellentemperatur innerhalb des gegebenen Temperaturbereichs ausgesetzt wird und unfähig ist, die Kohlenmonoxidkonzentration auf das Mindestniveau zu reduzieren, wenn er dem Kohlenmonoxid über der Schwellentemperatur ausgesetzt ist. Dieses Verfahren umfaßt das Einschließen einer Katalysatormenge, die einen Einlaßabschnitt und einen Auslaßabschnitt aufweist, das Leiten des gasförmigen Mediums durch die eingeschlossene Katalysatormenge von dem Einlaßabschnitt zu dessen Auslaßabschnitt und das Einleiten von gasförmigen Sauerstoff in wenigstens den Einlaßabschnitt der eingeschlossenen Katalysatormenge. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die in der eingeschlossenen Katalysatormenge auftretenden Temperaturen derart gesteuert, daß die exotherme Reaktion über der Schwellentemperatur im Einlaßabschnitt und unter der Schwellentemperatur im Auslaßabschnitt stattfindet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche besonders nützlich ist, wenn das Volumen des zu behandelnden gasförmigen Mediums variiert, ist wenigstens der Auslaßabschnitt der Katalysatormenge in eine Mehrzahl von separaten Katalysatorbetten unterteilt, wobei die Menge des ZU behandelnden gasförmigen Mediums bestimmt wird und eine solche Menge nur durch so viele der separaten Katalysatorbetten des Auslaßabschnitts wie nötig geleitet wird, um eine Hindurchströmungsgeschwindigkeit des gasförmigen Mediums zu erreichen, die ausreichend hoch ist, um wenigstens in dem jeweiligen adressierten Bett des Auslaßabschnitts wegen der Reaktion mit Wasserstoff eine signifikante Umkehrreaktion des Kohlendioxids zu Kohlenmonoxid zu verhindern.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die vorliegende Erfindung wird unten detaillierter mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in welcher:
Fig. 1 eine etwas vereinfachte Seitenansicht, teilweise im Querschnitt und teilweise in Blockzeichnungsform einer selektiven Oxidationsvorrichtung ist, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, wie sie zur Behandlung von gasförmigem Brennstoff für eine Brennstoffzellenvorrichtung verwendet wird;
Fig. 2 eine graphische Darstellung der Testergebnisse ist, die beim Betrieb einer der Fig. 1 sehr ähnlichen Versuchsvorrichtung erhalten werden und welche die bedeutsame Kohlendioxidreduktion angeben, welche erreicht wird, wenn das Verfahren der vorliegenden Erfindung mit verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten durchgeführt wird;
Fig. 3 eine Ansicht ähnlich der von Fig. 1 ist, die aber eine modifizierte Version der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zeigt; und
Fig. 4 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Kohlenmonoxidkonzentration in dem gasförmigen Medium ist, das die zweite von zwei aufeinanderfolgenden Katalysatorbettstufen der Versuchsvorrichtung mit der volumetrischen Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Mediums durch eine solche zweite Stufe verläßt.

Die beste Ausführungsform der Erfindung

Nun detailliert auf die Zeichnung und zuerst auf deren Fig. 1 bezugnehmend kann gesehen werden, daß die Bezugszahl 10 darin verwendet wurde, um eine selektive Kohlenmonoxidentfernungsvorrichtung zu identifizieren, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Wie darge stellt, soll die Vorrichtung 10 dafür verwendet werden, die Konzentration des Kohlenmonoxids in einem gasförmigen Brennstoff, der von einer gasförmigen Brennstoffquelle 11 einer Brennstoffzellenvorrichtung 12 zugeführt werden soll, auf ein Mindestniveau zu reduzieren. Während die Brennstoffzellenvorrichtung 12 der Einfachheit halber als aus einer einzigen Brennstoffzelle bestehend dargestellt wurde, die eine Anodenseite 13 und eine Kathodenseite 14 aufweist, versteht sich, daß die Brennstoffzellenvorrichtung 12 normalerweise eine Mehrzahl solcher einzelnen Brennstoffzellen enthalten kann und gewöhnlich enthält, die in Gruppen, Stapeln oder ähnlichen Zusammensetzungen angeordnet sind. Selbst in diesem Fall weist die Brenstoffzellenvorrichtung 12 jedoch die Anodenseite 13 auf, zu der der behandelte gasförmige Brennstoff durch eine Brennstoffversorgungsleitung 15 geleitet wird und die Anodenseite 14, zu der ein gasförmiges Oxidationsmittel, wie z. B. Sauerstoff oder Luft, durch eine Oxidationsmittelversorgungsleitung 16 eingelassen oder zugeführt wird.
Die allgemeinen Prinzipien des Aufbaus und des Betriebs der Brenstoffzelllenvorrichtung 12 sind so gut bekannt, daß sie hierin keine detaillierte Beschreibung benötigen. Es genügt zu sagen, daß eine katalytische elektrochemische Reaktion in der Brenstoffzellenvorrichtung 12 stattfindet, was zur Verbindung von Wasserstoff mit Sauerstoff zu Produktwasser und zur Erzeugung einer brauchbaren Ausgabe, d. h. eines elektrischen Stroms führt, der in jeweiligen Leitungen oder Anschlüssen 60 und 61 vorhanden ist oder durch diese strömt.
Wie vorangehend erwähnt, benötigt die elektrochemische Reaktion für ihre Durchführung die Anwesenheit wenigstens eines Katalysators, typischerweise Platin oder eine Platinlegierung auf Kohlenstoff als Träger in der Brennstoffzellenvorrichtung 12. Katalysatoren dieser Art sind dafür bekannt, eine ausgeprägte Affinität für Kohlenmonoxid zu besitzen, mit dem nachteiligen Effekt, daß ein Kohlenmonoxid, das mit dem durch die Brennstoffversorgungsleitung 15 eingelassenen gasförmigen Medium oder Brennstoff (Wasserstoff) zur Anodenseite 13 der Brennstoffzellenvorrichtung befördert wurde, den Anodenkatalysator oder einen Abschnitt davon "vergiften" wird, d. h. ihn unwirksam macht, die gewünschte elektrochemische Reaktion zu unterstützen, indem er sich an dem Katalysator anbindet und somit den Wasserstoffzutritt daran verweigert. Das Ausmaß einer solchen Anodenkatalysatorvergiftung wird teilweise durch die Konzentration (oder Partialdruck) des in dem gasförmigen Brennstoff vorhandenen Kohlenmonoxids bestimmt.
Offensichtlich besteht dieses Problem nicht, wenn reiner oder im wesentlichen reiner Wasserstoff als Brennstoff verwendet wird. Jedoch ist solcher reine Wasserstoff ziemlich teuer und schwierig zu handhaben und zu liefern, so daß im Brennstoffzellenbereich Wege gesucht werden, um alternative Brennstoffe, wie z. B. Methan, Erdgas oder andere Kohlenwasserstoffbrennstoffe zu verwenden. Jedoch können solche alternativen Brennstoffe in den Brennstoffzellenvorrichtung nicht als solche verwendet werden; vielmehr müssen sie oder ihre Komponenten in einfachere Komponenten, hauptsächlich Wasserstoff umgewandelt werden, um als Brennstoffzellenbrennstoff verwendbar zu werden und andere Komponenten, wie z. B. Kohlendioxid, die den Brennstoffzellenbetrieb nicht nachteilig beeinflussen oder leicht aus dem gasförmigen Brennstoff entfernt werden können. Eine solche Umwandlung findet in Übereinstimmung mit gut bekannten Prinzipien üblicherweise in einem Dampfreformierer und einem katalytischen Kohlenoxidkonverter statt, die zusammen die gasförmige Brennstoffquelle 11 bilden. Unglücklicherweise hat die Erfahrung gezeigt, daß es nicht möglich ist, eine vollständige Umwandlung des in dem einströmenden Brennstoff enthaltenen Kohlenstoffs zu Kohlendioxid zu erreichen, was bedeutet, daß der die gasförmige Brennstoffquelle 11 durch eine Austragsrohrleitung 17 verlassende gasförmige Brennstoff einen relativ hohen Prozentsatz, wie z. B. 1% oder 10.000 Teile pro Millionen (ppm) an Kohlenmonoxid enthält.
Wie vorangehend erwähnt, kann der an der Anodenseite 13 der Brennstoffzellenvorrichtung 12 vorhandene Katalysator Kohlenmonoxid nicht tolerieren, ohne einen Verlust an Effektivität oder eine andere Beschädigung zu erleiden. Offensichtlich wäre die Verschlechterungsgeschwindigkeit äußerst hoch, wenn das die gasförmige Brennstoffquelle 11 verlassende gasförmige Medium direkt zur Anodenseite 13 gespeist werden würde. Daher ist es entscheidend, dafür zu sorgen, daß soviel Kohlenmonoxid wie möglich aus einem solchen gasförmigen Medium entfernt wird, um sicherzustellen, daß die Brennstoffzellenvorrichtung 12 über eine vernünftige Lebensdauer, wie z. B. wenigstens 40.000 Betriebsstunden einsatzfähig bleibt. Idealerweise würde das gasförmige Medium oder der Brennstoff von allem Kohlenmonoxid befreit werden, bevor er der Anodenseite 13 der Brennstoffzellenvorrichtung 12 zugeführt wird, was aber wenigstens mit dem gegenwärtigen Technologiestand unmöglich zu erreichen ist. Daher und die Tatsache in Betracht ziehend, daß die Vergiftungswirkung des Kohlenmonoxids auf den Katalysator der Anodenseite über die Betriebslebensdauer der Brennstoffzellenvorrichtung 12 kumulativ ist, ist es wichtig, die Kohlenmonoxidkonzentration in dem der Anodenseite 13 zugeführten gasförmigen Brennstoff auf ein Minimum zu reduzieren.
Zu diesem Zweck umfaßt die selektive Oxidationsvorrichtung 10 der vorliegenden Erfindung, wie veranschaulicht, zwei aufeinanderfolgende Stufen 20 und 30, wobei die erste Stufe 20 mit dem gasförmigen Brennstoff versorgt wird, der aus der gasförmigen Brennstoffquelle 11 durch die Austragsrohrleitung 17 austritt. Ein Wärmetauscher 40 ist zwischen den Stufen 20 und 30 dazwischenliegend in einer Verbindungsrohrleitung 18 dargestellt, die sich zwischen solchen Stufen 20 und 30 erstreckt und von der ersten Stufe 20 ausgetragenen gasförmigen Brennstoff zur zweiten Stufe 30 befördert. Jede der Stufen 20 und 30 umfaßt ein geschlossenes Gefäß oder Behälter 21 oder 31, welcher eine Innenkammer begrenzt. Ein jeweiliger Körper oder Bett 22 oder 32 eines Katalysators, der in der Lage ist, Kohlenmonoxid in Anwesenheit von gasförmigem Sauerstoff selektiv zu oxidieren, ist in der Innenkammer des jeweiligen Behälters 21 oder 31 enthalten, wobei dargestellt ist, daß er auf einem perforierten oder auf andere Weise gasdurchlässigen Trägerelement 23 oder 33 getragen ist, welches die Verteilung des gasförmigen Brennstoffs in alle Bereiche des jeweiligen Katalysatorbetts 22 oder 32 erleichtert und sie so gleichmäßig wie möglich macht. Der in den Betten 22 und 32 enthaltene Katalysator ist von der Art, die dafür bekannt ist, für Kohlenmonoxid höchst selektiv zu sein. Beispiele solcher Katalysatoren sind in dem oben erwähnten Artikel aufgelistet. Zur Zeit wird die Verwendung von Platin auf Aluminiumoxid als Träger - allein oder in Verbindung mit anderen Spurenelementen - als selektiver Katalysator der Katalysatorbetten 22 und 32 bevorzugt.
Gasförmiger Sauerstoff, dessen Anwesenheit für die Durchführung der selektiven Oxidationsreaktion in den zwei Katalysatorbetten 22 und 32 benötigt wird, wird wie angedeutet, entweder als solcher oder als eine Komponente von Luft oder einem ähnlichen sauerstoffhaltigen Gas dem in der Rohrleitung 17 strömenden gasförmigen Brennstoff in einer Mischvorrichtung 19 beigemischt. Es versteht sich jedoch, daß solcher Sauerstoff oder sauerstoffhaltiges Gas stattdessen direkt in den Behälter 21 und/oder 31 entweder nur stromaufwärts des Katalysatorbetts 22 und/oder 32 oder zusätzlich in das Bett 22 und/oder 32 selbst eingeleitet werden könnte.
Ein Rohrkühler 24 oder 34, der durch eine jeweilige Kühlmittelversorgungsrohrleitung 25 oder 35 mit einem Kühlmittel versorgt wird, ist in das jeweilige Katalysatorbett 22 oder 32 eingebettet dargestellt, wobei das Kühlmittel nach der Hindurchströmung über eine jeweilige Kühlmittelaustragsrohrleitung 26 oder 36 für verbrauchtes Kühlmittel aus dem jeweiligen Rohrkühler 24 und 34 ausgetragen wird. Die Strömungsgeschwindigkeit des frischen Kühlmittels in den jeweiligen Rohrkühler 24 oder 34 wird durch ein jeweiliges Kühlmittelströmungssteuerventil 27 und 37 gesteuert. In ähnlicher Weise wird ein Kühlmittel durch eine Kühlmittelversorgungsrohrleitung 41 in den Wärmetauscher 40 eingeleitet, der eine gut bekannte Bauweise hat, und wird durch eine Austragsrohrleitung 42 aus diesem ausgetragen, wobei die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels durch den Wärmetauscher 40 durch ein Strömungssteuerventil 43 gesteuert wird.
Die Funktion der selektiv oxidierenden Vorrichtung 10 und insbesondere der Ventile 27, 37 und 43 wird durch eine Steuervorrichtung 50 gesteuert, welche wiederum einen bekannten Aufbau besitzt und gewöhnlich einen Computer oder Teile eines die Funktion der Brennstoffzelle 12 und/oder der gasförmigen Brennstoffquelle 11 steuernden Computers und die geeignete Software umfaßt. Die Steuervorrichtung 50 ist dafür vorgesehen, die Ventile 27, 37 und 43 derart zu steuern, daß der selektive Oxidationsprozeß, welcher von Natur aus exotherm ist, in den jeweiligen Katalysatorbetten 22 und 32 unter genau definierten Temperaturzuständen stattfindet, die später erklärt werden. Um dafür in der Lage zu sein, wird die Steuervorrichtung 50 mit Informationen von jeweiligen Temperaturmeßvorrichtungen 51 und 52 durch jeweilige Verbindungsleitungen 53 und 54 über die Temperaturen des gasförmigen Brennstoffs versehen, nachdem er die erste Stufe 20 bzw. die zweite Stufe 30 der selektiven Oxidationsvorrichtung 10 verlassen hat. Basierend auf dieser Irrformation gibt die Steuervorrichtung 50 dann Steuerbefehle aus, die den jeweiligen Ventilen 27, 37 und 43 durch jeweilige Steuerleitungen 55, 56 und 57 erteilt werden, um auf diese Weise die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels durch die jeweiligen Ventile 27, 37 und 47 so zu steuern, daß sich die durch die Temperaturmeßvorrichtungen 51 und 52 abgetasteten Temperaturen den gewünschten Werten annähern oder diese erreichen.
Steueralgorithmen, die in der Lage sind, diese Zwecke zu erreichen, sind gut bekannt, so daß sie hier im Detail nicht beschrieben werden brauchen. Es reicht aus zu sagen, daß in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung das Kühlen, d. h. die Entfernung der exothermen Oxidationsreaktionswärme aus der ersten Stufe des Katalysatorbetts 22 über das Ventil 27 derart gesteuert wird, daß die in dem ersten Katalysatorbett 22 vorhandenen Temperaturen durchwegs über einer Schwellentemperatur liegen, unter der der Katalysator schnell unwirksam werden würde, wenn er der in dem gasförmigen Brennstoff enthalten hohen Kohlenmonoxidkonzentration ausgesetzt wäre, der behandelt wird, wenn er in das erste Katalysatorbett 22 einströmt. Diese Schwellentemperatur beträgt etwa 220º F (104ºC). Es wurde jedoch als vorteilhaft gefunden, den Oxidationsarbeitsgang in dem ersten Katalysatorbett 22 bei Temperaturen durchzuführen, die beträchtlich höher als die Schwellentemperatur liegen, wie z. B. bei etwa 320ºF (160ºC).
Wie früher erwähnt, wird der Katalysator bei diesen relativ hohen Temperaturen trotz der hohen Konzentration nicht durch das Kohlenmonoxid unwirksam gemacht; wie früher herausgefunden wurde, ist es jedoch nicht möglich, die Kohlenmonoxidkonzentration während dieses Durchgangs durch das erste Katalysatorbett 22, ungeachtet seiner Größe, auf weniger als etwa 60 ppm zu reduzieren, wenn die Oxidationsoperation bei Temperaturen durchwegs über den Schwellentemperaturen durchgeführt wird, ohne das Produkt Kohlendioxid aus dem gasförmigen Brennstoffstrom zu entfernen, wie es in dem oben erwähnten Artikel vorgeschlagen ist.
Jedoch wurde recht überraschend festgestellt, daß es keine Notwendigkeit für eine solche Kohlenmonoxidentfernung gibt, wenn - in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung - die Temperaturen, bei denen die selektive Oxidationsreaktion in der zweiten Stufe des Katalysatorbett 32 stattfindet, unter der Schwellentemperatur, aber immer noch innerhalb des Temperaturbereichs beibehalten werden, in denen der Katalysator wirksam ist, die selektive oder bevorzugte Oxidation von Kohlenmonoxid zu unterstützen oder zu erreichen. Darüber hinaus und sogar noch wichtiger ist, daß herausgefunden wurde, daß die Kohlenmonoxidkonzentration in dem gasförmigen Brennstoff, während er das zweite Katalysatorbett 32 verläßt, auf ein beträchtlich niedrigeres Niveau reduziert wird als das, welches durch die Verwendung der in dem obigen Artikel offenbarten Methode erreichbar ist, wie z. B. auf 6 ppm oder sogar weniger, wenn dieses Mittel angewendet wird.
In Anbetracht dessen funktioniert die Steuervorrichtung 50, um die Temperaturen in dem zweiten Katalysatorbett 32 unter einer solchen Schwellentemperatur zu halten. Dies wird in der dargestellten Vorrichtung 10 durch Kühlen des gasförmigen Brennstoffs in dem Wärmetauscher 40 unter die Schwellen temperatur vor ihrem Eintritt in die zweite Stufe 30 und ferner durch Kühlen des zweiten Katalysatorbetts 32 durch ein Kühlmittel erreicht, das unter der Kontrolle des Ventils 37 durch den Rohrkühler 34 strömt, um zusätzliche Wärme zu entnehmen, die aus der exothermen Oxidationsreaktion des zweiten Katalysatorbetts 32 resultiert. Es war ziemlich überraschend, daß, abgesehen von der Neigung des Katalysators, bei Temperaturen unterhalb des Schwellenwerts durch das Kohlenmonoxid unwirksam zu werden, dies nicht in dem zweiten Katalysatorbett 32 vorkam. Eine mögliche Erklärung für dieses ziemlich unerwartete Ergebnis ist, daß die Konzentration des Kohlenmonoxids in dem in das zweite Katalysatorbett 32 einströmenden gasförmigen Brennstoff schon so niedrig ist, nachdem der Hauptteil des Kohlenmonoxids in dem ersten Katalysatorbett 22 entfernt wurde, daß das verbleibende Kohlenmonoxid nicht in der Lage ist, den Katalysator des zweiten Betts 32 - wenigstens mit einer anderen als einer vernachlässigbaren Rate - unwirksam zu machen.
Selbst wenn die Konstruktion der oben beschriebenen selektiven Oxidationsvorrichtung als besonders vorteilhaft angesehen wird, ist durch die vorliegende Erfindung auch beabsichtigt, die obige zweistufige selektive Oxidationsoperation ohne das dazwischenliegende Kühlen des gasförmigen Mediums zwischen den Stufen 20 und 30 durchzuführen. Tatsächlich ist auch vorgesehen, daß der zweistufige Oxidationsprozeß in einem einzigen Bett durchgeführt wird, in welchem Fall die Funktion des ersten Katalysatorbetts 22 von einem Einlaßabschnitt des einzigen Katalysatorbetts bei Temperaturen über der Schwellentemperatur und jene des zweiten Katalysatorbetts 32 durch einen Auslaßabschnitt eines solchen einzigen Katalysatorbetts bei Temperaturen unter der Schwellentemperatur erfüllt würde. Bei diesem Szenarium könnte entweder ein abrupter Temperaturabfall zwischen den Einlaß- und Auslaßabschnitten oder eine allmähliche Temperaturabnahme von über bis unter die Schwellentemperatur in der Strömungsrichtung des gasförmigen Mediums durch das einzige Katalysatorbett vorgesehen sein.
Selbst wenn die selektive Kohlenmonoxidoxidationsvorrichtung 10 dargestellt wurde, indem der Katalysator außerhalb der jeweiligen Rohrschlangen 24 und 34 in der Form der jeweiligen Betten 32 und 34 angeordnet ist, versteht sich außerdem, daß die Situation - wenn dies als vorteilhaft angesehen wird - umgekehrt werden kann, d. h. die benötigte Katalysatormenge könnte innerhalb der Rohrschlangen 24 und 34 entweder als Einlaß- und Auslaßabschnitte von solcher Menge oder als kontinuierliches Katalysatorbett oder als jeweilige getrennte Katalysatorbetten untergebracht sein und das Kühlmedium könnte dann als jeweilige Kühlmittelbäder um die ganzen Windungen der Rohrschlangen 24 und 34 herum liegen. Unter diesen Umständen würden die Rohrleitungen 25, 35, 26 und 36 offensichtlich mit den jeweiligen Kühlmediumbädern in Verbindung stehen und die Ventile 27 und 37 würden verwendet werden um die Zufuhr von frischem (kühlen) Kühlmedium in die jeweiligen Bäder zu steuern, um die gewünschten Temperaturen davon zu steuern. Diese Methode eignet sich jedoch nicht besonders für das Erreichen der allmählichen Temperaturverringerung in der Katalysatormenge in der Richtung von ihrem Einlaßabschnitt zu ihrem Auslaßabschnitt.
Nun zur Fig. 2 der Zeichnung wechselnd, kann man sehen, daß sie bestimmte Testergebnisse zeigt, die durch die Verwendung einer experimentellen selektiven Kohlenmonoxidoxidationsvorrichtung erhalten werden, welche die Prinzipien der vorliegenden Erfindung verwendet aber als eine Ausführungsform der zuletzt erwähnten Methode in zwei separaten aufeinanderfolgenden Stufen konstruiert ist, von denen die erste über und die zweite unter der Schwellentemperatur von 220ºF (104ºC) gehalten wird. Um gleichmäßige und vergleichbare Ergebnisse zu erhalten, wird durchwegs in solchen Tests ein gasförmiges Medium von einer bekannten und konstanten Zusammensetzung (nach Volumen, 1% Kohlenmonoxid, 29% Kohlendioxid und der Rest Wasserstoff) verwendet, dem 1,35 Vol-% Sauerstoff (was zum 2,7-fachen stöchiometrischen Verhältnis von Sauerstoff zu Kohlenmonoxid führt) zugeführt wurde. Von den 1,35% Sauerstoff wurde das eine Prozent dem gasförmigen Medium vor der ersten Stufe und die verbleibenden 0,35% vor der zweiten Stufe zugeführt. Solche Tests wurden mit unterschiedlichen volumetrischen Raumdurchsatzgeschwindigkeiten (VHSV) durchgeführt, wobei der Begriff als Kubikfuß pro Stunde des gasförmigen Mediums pro Kubikfuß des Katalysators definiert ist; dennoch wird jede VHSV der Einfachheit halber unten nur in Einheiten von "pro Stunde" (h&supmin;¹) ausgedrückt.
Man sieht aus Fig. 2, daß die stromabwärts der zweiten Stufe (durch Kreise in Fig. 2 angedeutet) gemessenen Kohlenmonoxidkonzentrationen beträchtlich unter der gewünschten Obergrenze von 110 ppm und oft unter 5 ppm lagen, wenn die Tests unter Verwendung einer VHSV (4.500 h&supmin;¹) durchgeführt wurden. Es gibt auch eine sichtbare Tendenz für solche Konzentrationen, sich mit zunehmender Betriebszeit der Vorrichtung zu verringern, was für die betriebsmäßige Langlebigkeit einer solchen selektiven Oxidiationsvorrichtung spricht. Auf der anderen Seite kam keine der Kohlenmonoxidmessungsergebnisse unter die gewünschte Obergrenze, wenn andere Tests mit einer niedrigeren VHSV (3.000 h&supmin;¹ in diesem Beispiel) durchgeführt wurden, wie durch Quadrate in Fig. 2 angedeutet ist, so daß dieser spezielle Test jedoch nach einer relativ kurzen Zeitspanne beendet wurde.
Darüber hinaus wurde eine andere Reihe von dazwischenliegenden Kohlenmonoxidkonzentrationsmessungen in (etwa in der Mitte) der zweiten Stufe während der Durchführung von beiden Tests genommen. Die Ergebnisse von solchen Messungen (in Fig. 2 durch Dreiecke angedeutet), waren durchwegs unter jenen, die an oder stromabwärts des Ausgangs der zweiten Stufe erhalten wurden und tatsächlich waren sie so niedrig, daß es mit der begrenzten Empfindlichkeit der Meßvorrichtung unmöglich war, genaue Angaben zu erhalten. Die Schlußfolgerungen, die aus dem Vergleich von solchen Testergebnissen gezogen wurden sind, daß wegen der Reaktion des Kohlendioxids mit Wasserstoff in der zweiten Stufe stromabwärts von der Stelle, an der die dazwischenliegenden Messungen vorgenommen wurden, eine Rückreaktion von Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid stattfindet und daß der Grad einer solchen Rückreaktion mit abnehmender VHSV zunimmt. Dieser begrenzte Kohlenmonoxidregenerierungswert kann in vielen Fällen akzeptabel sein, solange sichergestellt ist, daß die Kohlenrnonoxidkonzentration in dem austretenden gasförmigem Medium immer noch unter der erwünschten Obergrenze liegt.
Wenigstens wenn die Oxidationsvorrichtung verwendet werden soll, welche die oben vorgestellte Methode verwendet, um Brenngas, das einer Brennstoffzellenvorrichtung zugeführt werden soll, von Kohlenmonoxid zu befreien, muß sie nun derart entworfen werden, um in der Lage zu sein, das ganze Brenngas zu behandeln, das während des Betriebs der Brennstoffzellenvorrichtung bei der Nenn- oder Höchsleistungstufe (oder elektrischen Leistungsabgabe) benötigt wird. Das bedeutet, daß die Menge des in der Oxidationsvorrichtung vorhandenen Katalysators bezüglich der volumetrischen Strömungsgeschwindigkeit des Brenngases, das von der Birennstoffzellenvorrichtung bei dieser Leistungsstufe verlangt wird, hoch genug sein muß, um eine VHSV zu erreichen, die hoch genug ist, um in dem stromabliegenden Abschnitt der zweiten Katalysatorstufe ein nicht akzeptables hohes Rückformierungsniveau von Kohlenmonoxid zu vermeiden. Weniger zu tun würde zu einer Situation führen, wo das Brenngas die Katalysatormenge vor der Vollendung der Oxidationsreaktion verlassen würde; mehr zu tun würde eine erhöhte Rückformierung von Kohlenmonoxid in dem stromabwärts liegenden Abschnitt wenigstens der zweiten Katalysatorstufe bedeuten.
In vielen Fällen, obwohl der Bedarf an elektrischer Leistung an der Brennelementvorrichtung zeitlich variiert, wird er manchmal auf so wenig wie 20% der Nennleistung oder sogar weniger hinauslaufen, was bedeutet, daß die zur Brennelementvorrichtung gespeiste Brenngasesmenge demgemäß angepaßt werden muß. Dies bedenkend und basierend auf der obigen Realisierung, wurde das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung in einer Weise weiter abgeändert, die unten in Verbindung mit Fig. 3 der Zeichnung erörtert wird, in der dieselben Bezugszahlen wie zuvor verwendet wurden, um entsprechende Teile zu identifizieren, die in der oben beschriebenen Art und Weise angeordnet sind und funktionieren, so daß sie nicht detailliert erörtert werden brauchen und werden.
Hier ist wiederum gezeigt, daß die selektive Oxidationsvorrichtung 10 zwei aufeinanderfolgende Stufen 20 und 30 umfaßt. Diesmal ist jedoch die Innenkammer des Behälters 31 durch jeweilige Trennwände wie z. B. 38.1 in einzelne Abteilungen unterteilt und die Verbindungsrohrleitung 18 äst stromabwärts des Wärmetauschers 40 in eine Mehrzahl von einzelnen Verbindungsrohrleitungsabzweigungen gegabelt, von denen jede mit einer dieser Abteilungen verbunden ist. In ähnlicher Weise weist die Austragsrohrleitung 15 dieselbe Zahl von Austragsrohrleitungsabzweigungen auf, wobei jede zum Austragen des gasförmigen Mediums aus einer anderen der Abteilungen in einen gemeinsamen Abschnitt der Rohrleitung 15 dient. Jeweilige fernsteuerbare An-/Aus- oder Steuerventile 39.1 bis 31.n (wobei n die Anzahl der Abteilungen und der damit zugeordneten Komponenten ist) sind in den jeweiligen Verbindungsrohrleitungsabzweigungen dazwischengeschaltet.
Jeweilige Betten 32.1 bis 32.n eines Katalysators, der in der Lage ist, Kohlenmonoxid in Anwesenheit von gasförmigem Sauerstoff selektiv zu oxidieren, sind in den inneren Abteilungen des Behälters 31 enthalten, wobei gezeigt ist, daß sie auf jeweiligen perforierten oder auf andere Weise gasdurchlässigen Trägerelementen 33.1 bis 33.n getragen sind, welche die Verteilung des gasförmigen Brennstoffs in alle Bereiche des jeweiligen Katalysatorbetts 32.1 bis 32.n fördern und die so gleichmäßig wie möglich macht. Der in den Betten 32.1 bis 32.n enthaltene Katalysator ist einmal mehr von der Art, die dafür bekannt ist, für Kohlenmonoxid höchst selektiv zu sein und er kann derselbe sein, der in dem Bett 22 vorhanden ist. Wenigstens ein Teil des gasförmigen Sauerstoffs, der für die Durchführung der selektiven Oxidationsreaktion in den Katalysatorbetten 32. 1 bis 32.n benötigt wird, kann wiederum direkt in den Behälter 31 entweder nur stromaufwärts der Katalysatorbetten 32.1 bis 32.n oder zusätzlich in die jeweiligen Betten 32.1 bis 32.n selbst eingeleitet werden.
Rohrkühler 34.1 bis 34.n sind dargestellt, wie sie in den jeweiligen Katalysatorbetten 32.1 bis 32.n eingebettet sind, die mit einem Kühlmittel durch jeweilige Kühlmittelversorgungsrohrleitungen 35.1 bis 35.n versorgt werden, wobei das Kühlmittel aus den jeweiligen Rohrkühlern 34.1 bis 34.n ausgetragen wird, nachdem es über eine jeweilige Kühlmittelaustragsrohrleitung 36.1 bis 36.n für verbrauchtes Kühlmittel hindurchgeströmt ist. Die Strömungsgeschwindigkeit des frischen Kühlmittels in den jeweiligen Rohrkühler 34.1 bis 34.n wird durch ein jeweiliges Kühlmittelstromsteuerventil 37.1 bis 37.n gesteuert.
Die Steuervorrichtung 50, welche von der oben beschriebenen Art ist, aber in der Konstruktion und Operation geeignet modifiziert ist, um die geänderten Umstände in Betracht zu ziehen, steuert die Operation der Ventile 39.1 bis 39.n und genauso die Ventile 39.1 bis 39.n. Basierend auf der Information, die von den Temperaturmeßvorrichtungen 51 und 52 herstammt, gibt sie zusätzliche Steuersignale an Steuerleitungen 55.1 bis 55.n aus, um die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels durch die jeweiligen Ventile 37.1 bis 37.n derart zu steuern, was dazu führt, daß die von der Temperaturmeßvorrichtung 52 abgetasteten Temperaturen sich dem gewünschten Wert nähern oder diesen erreichen. Die Steuervorrichtung 50 ist auch betätigbar, um die Verstellung oder das Schalten der Steuerventile 39.1 bis 39.n zwischen ihren offenen und geschlossenen Positionen durch Ausgeben geeigneter Steuersignale zu steuern, die über die einzelnen Steuerleitungen 58.1 bis 58.n an die Steuerventile 39.1 bis 39.n übertragen werden.
Wie ebenfalls gezeigt ist, wird die Steuervorrichtung 50 ferner mit Informationen über die zu einem bestimmten Zeitpunkt der Operation der Brennstoffzellenvorrichtung 12 und somit von der Oxidationsvorrichtung 10 und der gasförmigen Brennstoffquelle 11 einzuhaltenden oder vorhandenen Belastungsbedingungen versehen. Diese Information wird über eine Leitung 59 von einem Amperemeter 62, das in der Anschlußleitung 60 dazwischengeschaltet ist und die Menge des elektrischen Stroms mißt, der durch eine solche Anschlußleitung 60 fließt, als ein auf einen solchen gemessenen Wert hindeutendes elektrisches Signal der Steuervorrichtung 50 zugeführt. Dieses elektrische Signal deutet auch (und wird typischerweise zur Steuerung verwendet) auf die Erzeugungsgeschwindigkeit des gasförmigen Brennstoffs in der gasförmigen Brennstoffquelle 1 l hin und somit auf die volumetrische Strömungsgeschwindigkeit von solchem Brennstoff aus der Quelle 11 und durch die Oxidationsvorrichtung 10 zur Brennstoffzellenvorrichtung, um deren Bedarf zu decken.
Nun, da die Konstruktion der modifizierten Kohlenmonoxidoxidationsvorrichtung 10 der vorliegenden Erfindung und die Umgebung, in welcher sie zum Vorteil verwendet wird, beschrieben worden ist, ist es Zeit, die Operation einer solchen modifizierten Vorrichtung 10 im einzelnen, immer noch im Zusammenhang mit Fig. 3 aber zusammen mit Fig. 4 der Zeichnung betrachtet, zu diskutieren.
Eine in Fig. 4 erscheinende Kurve 70 ist kennzeichnend für die Abhängigkeit der Kohlenmonoxidkonzentration am Ausgang der Vorrichtung 10 von der relativen Hindurchströmungsgeschwindigkeit (VHSV) des gasförmigen Brennstoffs, wobei der Wert von 1 an der relativen Strömungsgeschwindigkeitsskala auf die beabsichtigen oder maximal erwarteten Strömungsgeschwindigkeitszustände hindeutet, die nicht oder nur geringfügig überschritten werden sollen, so daß die Oxidationsreaktion mit der verbundenen Kohlenmonoxidkonzentrationszunahme kurz vor der Vollendung abfällt. Nimmt man an, daß die Brennstoffzellenvorrichtung 12 zu einem bestimmten Zeitpunkt nur mit 20% ihrer Kapazität betrieben werden soll, so daß die Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Brennstoffs entsprechend vermindert wird. Wenn dieser Kraftstoffmenge erlaubt wäre, durch alle Abteilungen (Katalysatorbetten 32.1 bis 32.n) zu strömen, würden die Zustände vorherrschen, denen man am Punkt 71 der Kurve 70 begegnet, d. h. der austretende gasförmige Brennstoff würde eine Kohlenmonoxidkonzentration aufweisen, welche 25 ppm übersteigt, was ein unannehmbar hohes Niveau ist.
Nimmt man ferner an, daß n 6 bedeutet, bedeutet das, daß es sechs getrennte Teilbetten 32.1 bis 32.6 in der zweiten Stufe 30 gibt; dann verdoppelt das Abtrennen von drei solchen Betten 32.1 bis 32.6 wie z. B. 32.4 bis 32.6 aus der Strömungsbahn des gasförmigen Brennstoffs durch die Oxidationsvorrichtung 10 die Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Brennstoffs durch die verbleibenden Teilbetten 32.1 bis 32.3 was die Zustände zum Punkt 72 auf der Kurve 70 bringt, was durch die Steuervorrichtung 50 erreicht wird, die die vollständige Schließung der Kontrollventile 39.4 bis 39.6 bewirkt, während die Steuerventile 39.1 bis 39.3 völlig offen bleiben. Es kann gesehen werden, daß unter diesen Bedingungen (bei dieser VHSV) die austretende Kohlenmonoxidkonzentration etwa bei der noch annehmbaren oberen Grenze liegt. Wenn jedoch ein anderes der Teilbetten 31.1 bis 31.3 z. B. 31.2 durch die Steuervorrichtung 50, welche das Steuerventil 39.2 schließt, außer Betrieb genommen wird, entspricht die VHSV durch die verbleibenden zwei Teilbetten 32.1 und 32.3 dem Punkt 73 auf der Kurve 70, bei dem die Kohlenmonoxidkonzentration in dem die Vorrichtung 10 verlassenden gasförmigen Brennstoff auf einem fast vernachlässigbaren Niveau liegt. Während 6 der Bequemlichkeit halber als ein Wert von n verwendet wurde, besteht normalerweise keine Notwendigkeit für n, 2 oder 3 zu übersteigen.
Es ist selbstverständlich, daß die oben in Verbindung mit Fig. 1 erwähnten zusätzlichen Modifikationen und strukturellen Änderungen in der in Fig. 4 dargestellten Vorrichtung ebenso übernommen oder gemacht werden können. Zusätzlich, eher als nur die zweite Stufe 30 abzuteilen, könnte die erste Stufe 20 in ähnlicher Weise genauso unterteilt werden, wobei die Trennung in parallele Abzweigungen mit individueller Steuerung des Durchflusses vor der ersten Stufe 20 stattfinden würde, wobei einzelne Verbindungsrohrleitungen die entsprechenden Abteile der ersten und zweiten Stufen 20 und 30 verbinden.
Während die vorliegende Erfindung dargestellt und beschrieben wurde, wie sie in einer speziellen Konstruktion einer selektiven Oxidationsvorrichtung zur Verwendung bei der Kohlenmonoxidentfernung aus einem gasförmigen Brennstoff aufgenommen ist, der einer Brennstoffzelle unter wechselnden Belastungszuständen zuzuführen ist, ist offensichtlich die vorliegende Erfindung nicht auf dieses spezielle Beispiel begrenzt; vielmehr soll der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung allein aus den beigefügten Ansprüchen bestimmt werden.

Claims

1. Verfahren zur Reduzierung der Kohlenmonoxidkonzentration in einem auch wenigstens Wasserstoff enthaltenden gasförmigen Medium auf ein gewünschtes Mindestniveau durch selektive katalytische Oxidation in Anwesenheit von gasförmigem Sauerstoff unter Verwendung eines Katalysators, welcher in der Lage ist, Kohlenmonoxid in einer exothermen Reaktion bei einer Temperatur innerhalb eines gegebenen Temperaturbereichs zu oxidieren, der aber schnell inaktiviert wird, wenn er hohen Kohlenmonoxidkonzentrationen unter einer Schwellentemperatur innerhalb des gegebenen Temperaturbereichs ausgesetzt wird und unfähig ist, die Kohlenmonoxidkonzentration auf das gewünschte Mindesniveau zu reduzieren, wenn er dem Kohlenmonoxid über der Schwellentemperatur ausgesetzt ist, umfassend die Schritte:

Einschließen einer Menge des Katalysators, um einen Einlaßabschnitt (22) und einen Auslaßabschnitt (32) der Katalysatormenge auszubilden;

Leiten des gasförmigen Mediums durch die eingeschlossene Katalysatormenge von dem Einlaßabschnitt (22) zu dessen Auslaßabschnitt (32);

Einleiten von gasförmigem Sauerstoff in wenigstens den Einlaßabschnitt (22) der eingeschlossenen Katalysatormenge; und

Steuern der in der eingeschlossenen Katalysatormenge auftretenden Temperaturen, derart, daß die exotherme Reaktion im Einlaßabschnitt über der Schwellentemperatur und im Auslaßabschnitt unter der Schwellentemperatur stattfindet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schwellentemperatur etwa 220 ºF (104ºC) beträgt und die in dem Einlaßabschnitt auftretenden Temperaturen über etwa 320ºF (160ºC) liegen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Einschließungsschritt das Ausbilden von wenigstens zwei separaten Katalysatorbetten umfaßt, wobei das eine den Einlaßabschnitt (22) und das andere den Auslaßabschnitt (32) der eingeschlossenen Katalysatormenge bildet; und wobei der Steuerschritt das Kühlen des gasförmigen Mediums nach dem Verlassen des einen Katalysatorbetts und vor dem Eintreten in das andere Katalysatorbett umfaßt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Steuerschritt das Entfernen der Wärme umfaßt, die aus der exothermen Reaktion von der eingeschlossenen Katalysatormenge resultiert, mit Geschwindigkeiten, die ausreichen, um die in den Einlaß- und Auslaßabschnitten auftretenden Temperaturen über bzw. unter der Schwellentemperatur zu halten.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Einleitungsschritt das Zuführen des gasförmigen Sauerstoffs zum gasförmigen Medium wenigstens vor der Durchführung des Leitungsschritts umfaßt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend die Schritte:

Unterteilen wenigstens des Auslaßabschnitts der eingeschlossenen Katalysatormenge in eine Mehrzahl separater Katalysatorbetten (32.n); Bestimmen der Menge des an einen speziellen Zeitpunkt zu behandelnden gasförmigen Mediums; und

Leiten des gasförmigen Mediums durch die eingeschlossene Katalysatormenge von dem Einlaßabschnitt zu dessen Auslaßabschnitt auf eine solche Art, daß die so bestimmte Menge des gasförmigen Mediums nur durch so viele adressierte der separaten Katalysatorbetten wie benötigt dirigiert wird, um eine Durchströmungsgeschwindigkeit des gasförmigen Mediums zu erreichen, die ausreichend horch ist, um wenigstens in dem jeweiligen adressierten Bett des Auslaßabschnitts infolge der Reaktion mit Wasserstoff eine signifikante Umkehrreaktion des Kohlendioxids zu Kohlenmonoxid, zu vermeiden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Einschließungsschritt das Ausbilden wenigstens eines ersten Katalysatorbetts umfaßt, das den Einlaßabschnitt bildet und einer Mehrzahl von zweiten Katalysatorbetten, die voneinander und von dem ersten Katalysatorbett getrennt sind und zusammen den Auslaßabschnitt der eingeschlossenen Katalysatormenge bilden; und wobei der Dirigierungsschritt stromabwärts des ersten Katalysatorbetts und stromaufwärts der zweiten Katalysatorbetten stattfindet.

8. Vorrichtung zur Reduzierung der Kohlenmonoxidkonzentration in einem auch wenigstens Wasserstoff enthaltenden gasförmigem Medium durch die selektive katalytische Oxidation in Anwesenheit von gasförmigem Sauerstoff auf ein gewünschtes Mindestniveau, indem ein Katalysator verwendet wird, der in der Lage ist, Kohlenmonoxid in einer exothermen Reaktion bei Temperaturen innerhalb eines gegebenen Temperaturbereichs zu oxidieren, der aber schnell inaktiviert wird, wenn er hohen Kohlenmonoxidkonzentrationen unter einer Schwellentemperatur innerhalb des gegebenen Temperaturbereichs ausgesetzt wird und unfähig wird, die Kohlenmonoxidkonzentration auf das Mindestniveau zu reduzieren, wenn er dem Kohlenmonoxid über der Schwellentemperatur ausgesetzt ist, im wesentlichen bestehend aus:

Mitteln (21, 31) zum Einschließen einer Menge des Katalysators, um einen Einlaßabschnitt (22) und einen Auslaßabschnitt (32) der Katalysatormenge zu bilden;

Mitteln (17, 18) zum Leiten des gasförmigen Mediums durch die eingeschlossene Katalysatormenge von dem Einlaßabschnitt (22) zu dessen Auslaßabschnitt (32);

Mitteln (19) zum Einleiten von gasförmigem Sauerstoff in wenigstens den Einlaßabschnitt der eingeschlossenen Katalysatormenge; und

Mitteln (50) zur Steuerung der in der eingeschlossenen Katalysatormenge auftretenden Temperaturen" derart, daß die exotherme Reaktion über der Schwellentemperatur im Einlaßabschnitt und unter der Schwellentemperatur im Auslaßabschnitt stattfindet.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Schwellentemperatur etwa 220ºF (104ºC) beträgt und die in dem Einlaßabschnitt auftretenden Temperaturen über etwa 320º F (160ºC) liegen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Einschließungsmittel Mittel umfassen, um wenigstens zwei getrennte Katalysatorbetten auszubilden, wobei eines den Einlaßabschnitt (22) und das andere den Auslaßabschnitt (32) der eingeschlossenen Katalysatormenge ausbildet; und wobei die Steuermittel Mittel (40) umfassen, um das gasförmige Medium nach dem Verlassen des einen Katalysatorbetts und vor dem Einströmen in das andere Katalysatorbett zu kühlen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, 9 oder 10, wobei die Steuermittel Mittel (24, 34) umfassen, um die aus der exothermen Reaktion von der eingeschlossenen Katalysatormenge herstammende Wärme mit einer Geschwindigkeit zu entfernen, die ausreicht, um die Temperaturen, die in den Einlaß- und Auslaßabschnitten auftreten, über bzw. unter der Schwellentemperatur zu halten.

12. Vorrichtung nach Anspruch 8, 9, 10 oder 11, wobei die Einleitemittel (19) Mittel umfassen, um dem gasförmigem Medium wenigstens vor dessen Eintritt in den Einlaßabschnitt den gasförmigen Sauerstoff zuzusetzen.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12 ferner umfassend:

Mittel (38.n) zum Unterteilen wenigstens des Auslaßabschnitts der eingeschlossenen Katalysatormenge in eine Mehrzahl getrennter Katalysatorbetten (32.n);

Mittel (62) zum Bestimmen der Menge des zu einem bestimmten Zeitpunkt zu behandelnden gasförmigen Mediums; und wobei das Mittel zum Leiten des gasförmigen Mediums durch die eingeschlossene Katalysatormenge von dem Einlaßabschnitt zu dessen Auslaßabschnitt Mittel (39.n) zum Leiten der so bestimmten Menge des gasförmigen Mediums umfaßt, um nur durch soviele adressierte der separaten Katalysatorbetten wie benötigt zu strömen, um eine Hindurchströmungsgeschwindigkeit des gasförmigen Mediums zu erreichen, die ausreichend hoch ist, um wenigstens irr dem jeweiligen adressierten Bett des Auslaßabschnitts wegen der Reaktion mit Wasserstoff eine signifikante Umkehrreaktion des Kohlendioxids zu Kohlenmonoxid zu verhindern.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Begrenzungsmittel Mittel umfassen, um wenigstens ein erstes Katalysatorbett auszubilden, das den Einlaßabschnitt bildet und eine Mehrzahl von zweiten Katalysatorbetten, die voneinander und von dem ersten Katalysatorbett getrennt sind und zusammen den Auslaßabschnitt der eingeschlossenen Katalysatormenge bilden; und wobei das Leitungsmittel zwischen dem ersten Katalysatorbett und dem zweiten Katalysatorbetten zwischengeschaltet ist.