DE10316709A1

DE10316709A1 - Schnell ansprechendes Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE10316709A1
Application number: DE10316709A
Authority: DE
Inventors: John C Fagley
Original assignee: General Motors Corp
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2002-04-15
Filing date: 2003-04-11
Publication date: 2003-10-30
Anticipated expiration: 2023-04-12
Also published as: US20030194587A1; US6887602B2; DE10316709B4

Abstract

Es ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Lieferung von zusätzlichem bzw. verstärkendem Wasserdampf und/oder Brennstoffdampf an dem Brennstoffprozessor eines Brennstoffzellensystems bei Spitzen in der von der Brennstoffzelle geforderten Leistung offenbart. Heißes Wasser und/oder flüssiger Brennstoff sind bzw. werden unter Druck gespeichert, bis sie benötigt werden. Wenn sie bei Leistungsspitzen benötigt werden, wird der Druck auf die heiße Flüssigkeit bzw. die heißen Flüssigkeiten schnell verringert, was zur Folge hat, dass diese eine Entspannungsverdampfung erfahren und die normale Lieferung von Wasserdampf bzw. Brennstoffdampf an den Brennstoffprozessor im Festzustand ergänzen.

Description

Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verbesserung der Ansprechzeit von Brennstoffzellensystemen bei Zunahmen des Leistungsbedarfs.

Brennstoffzellen sind bei vielen Anwendungen als Energiequelle vorgeschlagen worden. Einige Brennstoffzellen (beispielsweise vom PEM-Typ oder Phosphorsäuretyp) verwenden Wasserstoff, der an die Anode als Brennstoff geliefert wird, und Sauerstoff, der an die Kathode als Oxidationsmittel geliefert wird. Der Wasserstoff kann direkt von verflüssigtem oder komprimiertem Wasserstoff bereitgestellt werden oder kann indirekt von reformierten, wasserstoffhaltigen Brennstoffen bereitgestellt werden, wie beispielsweise Methan, Methanol, Benzin oder dergleichen. Der Sauerstoff wird typischerweise aus Luft vorgesehen.

PEM-Brennstoffzellen sind für Fahrzeuganwendungen (d. h. als Ersatz für Verbrennungsmotoren) infolge ihrer Kompaktheit, ihres Betriebs bei mäßigen Temperaturen und ihrer hohen Leistungsdichte bevorzugt. PEM-Brennstoffzellen umfassen eine Membranelektrodenanordnung (MEA) mit einer dünnen, protonendurchlässigen Festpolymerelektrolyt- Membran (beispielsweise perfluorierte Sulfonsäure) mit einem Anodenkatalysator auf einer ihrer Seiten und einem Kathodenkatalysator auf ihrer gegenüberliegenden Seite. Die MEA ist zwischen einem Paar elektrisch leitfähiger Stromkollektoren schichtartig angeordnet, die die gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle über die Oberflächen der jeweiligen Anode und Kathode verteilen. Siehe beispielsweise die U. S. Patente 5,272,017 und 5,316,871, die am 21. Dezember 1993 bzw. am 31. Mai 1994 erteilt und auf die General Motors Corporation übertragen wurde.

Für Fahrzeuganwendungen ist es erwünscht, einen flüssigen, wasserstoffhaltigen Brennstoff, wie beispielsweise Methanol oder Benzin, als Quelle für Wasserstoff zu verwenden, da diese leicht an Bord zu speichern sind und eine existierende breite Infrastruktur zur Lieferung derartiger Brennstoffe vorhanden ist. Jedoch müssen wasserstoffhaltige Brennstoffe (flüssig oder gasförmig) aufgespalten werden, um ihren Wasserstoffgehalt freizugeben. Diese Aufspaltungsreaktion wird innerhalb eines chemischen Reaktors erreicht, der als ein Brennstoffprozessor bekannt ist. Brennstoff- und Wasserverdampfer, die oberstromig dem Brennstoffprozessor angeordnet sind, wandeln Wasser und flüssigen Brennstoff in Wasserdampf bzw. Brennstoffdampf zur Lieferung zu dem Brennstoffprozessor um. Der Brennstoffprozessor umfasst einen oder mehrere katalytische Reaktoren, in denen verdampfter Brennstoff mit Wasserdampf und manchmal Luft reagiert, um ein wasserstoffreiches Reformatgas zu erzielen, das an die Brennstoffzelle geliefert wird. Bei der Dampfreformierung von Methanol reagieren Methanoldampf und Wasserdampf. Bei der Reformierung von Benzin reagieren Wasserdampf, Luft und Benzindampf in einem Brennstoffprozessor, der als autothermer Reformer (ATR) bekannt ist. Der ATR umfasst zwei Abschnitte, d. h. (1) einen ersten Partialoxidationsabschnitt (POX-Abschnitt), in welchem das Benzin einer exothermen Partialoxidationsreaktion mit Luft unterzogen wird, und (2) einen zweiten Dampfreformerabschnitt (SR-Abschnitt), in dem der Abfluss von dem POX-Abschnitt exotherm mit Wasserdampf reagiert. Die Abflüsse von sowohl dem Methanol- als auch dem Benzinreformierungsprozess umfas- Wasser und CO. Ein Wasser-Gas-Shift-Reaktor (WGS-Reaktor) und/oder ein Reaktor für selektive Oxidation (PROX-Reaktor) können unterstromig des Reformers vorgesehen sein, um den CO-Gehalt des Wasserstoffstromes zu verringern. Siehe die U.S. Patente 6,232,005 (am 15. Mai 2001 erteilt), 6,077,620 (am 20. Juni 2000 erteilt) und 6,238,815 (am 29. Mai 2001 erteilt), von denen jedes der General Motors Corporation übertragen ist.

Bei Fahrzeuganwendungen muss der Brennstoffprozessor in der Lage sein, Wasserstoff abhängig von dem Leistungsbedarf, der an die Brennstoffzelle gestellt wird, über einen breiten Bereich von Raten an die Brennstoffzelle zu liefern. Diesbezüglich muss die Brennstoffzelle in der Lage sein, das Fahrzeug über ein breites Spektrum von Betriebsbedingungen anzutreiben, die von einem stehenden Fahrzeug im Leerlauf (d. h. einen Zustand mit niedrigem Leistungsbedarf) zu einem sich mit hohen Geschwindigkeiten bewegenden Fahrzeug (einem Zustand mit hohem Leistungsbedarf) reichen, wie auch über Übergänge (beispielsweise schnelle Beschleunigung) dazwischen (ein Zustand mit sehr hohem Leistungsbedarf) reichen. Bisher ist die Fähigkeit des Brennstoffprozessors, schnell auf sehr große Übergänge im Leistungsbedarf zwischen Zuständen mit niedrigem und hohem Leistungsbedarf (nachfolgend "Leistungsspitzen") der Brennstoffzelle anzusprechen, durch die Fähigkeit des Systems behindert worden, schnell genug verdampften Brennstoff und/oder Wasserdampf zur Lieferung an den Brennstoffprozessor zu erzeugen. Diesbezüglich hat es sich als nicht praktisch erwiesen, ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug mit Reserven an verdampften Brennstoff und Wasserdampf zu konstruieren, die so bemessen sind, um Leistungsspitzen bewältigen zu können. Vielmehr sind die Systeme typischerweise so bemessen, um im Wesentlichen niedrige und hohe Leistungsbedingungen im Festzustand aber keine Leistungsspitzen dazwischen zu bewältigen. Daher war das Übergangsansprechen beeinträchtigt.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das einen oder mehrere Brennstoff und/oder Dampfpuffer aufweist, die den bzw. die Hauptverdampfer für Brennstoff und/oder Wasser des Systems durch schnelles Ansprechen auf Sprünge in der Leistung, die von der Brennstoffzelle gefordert wird, ergänzen. Der bzw. die Puffer liefern bei Leistungsspitzen benötigten Wasserdampf bzw. Brennstoff-Dampf und ermöglichen dem Hauptverdampfer bzw. den Hauptverdampfern ausreichend Zeit, um seine bzw. ihre Abgabe ausreichend einzuholen oder zu erhöhen und damit die Anforderungen nach Brennstoffdampf und/oder Wasserdampf des Brennstoffprozessors zu erfüllen, nachdem die Leistungsspitze beendet worden ist.

Ein mit der Vorrichtung in Verbindung stehender Aspekt der Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit (1) einer Wasserstoff verbrauchenden Brennstoffzelle, (2) einem Brennstoffprozessor, der den Wasserstoff aus einem wasserstoffhaltigen Brennstoff und Wasserdampf erzeugt, und (3) einem Hauptverdampfer, der den Wasserdampf aus Wasser erzeugt und eine erste Menge des Wasserdampfes bei einem ersten Druck an den Brennstoffprozessor liefert. Die Erfindung stellt eine Verbesserung gegenüber dem Vorhergehenden dar, indem ein Wasserdampfpuffer vorgesehen ist, der mit dem Brennstoffprozessor in Verbindung steht, um eine zweite zusätzliche bzw. verstärkende Wasserdampfmenge an den Brennstoffprozessor bei Spitzen in der elektrischen Leistung, die von der Brennstoffzelle gefordert wird, zu liefern. Der Wasserdampfpuffer umfasst einen Behälter, der ein Becken für Wasser enthält, das unter einem zweiten Druck, der größer als der erste Druck ist, und bei einer erhöhten Temperatur gehalten wird, die größer als der Siedepunkt des Wassers bei dem ersten Druck ist. Eine Pumpe liefert Wasser an den Behälter mit dem zweiten Druck, und ein Wärmetauscher erwärmt das Wasser auf die erhöhte Temperatur. Ein Einlassventil verbindet die Pumpe mit dem Behälter, und ein Auslassventil verbindet den Behälter mit dem Brennstoffprozessor. Eine Steuerung steuert das Schließen des Einlassventils und Öffnen des Auslassventils bei Spitzen in der Leistung, die von der Brennstoffzelle gefordert wird, um den Druck in dem Behälter schnell zu verringern und dadurch zu bewirken, dass das erhitzte Wasser in dem Becken eine Entspannungsverdampfung erfährt und die zweite Menge an Wasserdampf liefert, die von dem Brennstoffprozessor gefordert wird, um mit dem zunehmenden Leistungsbedarf der Brennstoffzelle zu Schritt halten zu können.

Ein ähnlicher Puffer kann auch zur Erzeugung von zusätzlichem wasserstoffhaltigem Brennstoffdampf aus flüssigem wasserstoffhaltigem Brennstoff (beispielsweise Benzin) vorgesehen werden. Bei dieser Ausführungsform wandelt der Hauptbrennstoffverdampfer des Systems flüssigen Brennstoff in Brennstoffdampf um und liefert eine erste Menge des Brennstoffdampfes an den Brennstoffprozessor mit einem ersten Druck. Ein Brennstoffpuffer steht mit dem Brennstoffprozessor in Verbindung, um eine zweite zusätzliche bzw. verstärkende Menge an Brennstoffdampf an den Brennstoffprozessor bei Spitzen in der elektrischen Leistung, die von der Brennstoffzelle gefordert wird, zu liefern. Der Brennstoffpuffer umfasst einen Behälter, der ein Becken an flüssigem wasserstoffhaltigem Brennstoff enthält, das unter einem zweiten Druck, der größer als der erste Druck ist, und bei einer erhöhten Temperatur gehalten wird, die größer als der Blasenpunkt des flüssigen wasserstoffhaltigen Brennstoffs bei dem ersten Druck ist, wobei der Blasenpunkt die Temperatur darstellt, bei der der niedrigstsiedende Bestandteil einer Mischung flüssiger wasserstoffhaltiger Brennstoffe (beispielsweise ist Benzin typischerweise eine Mischung aus niedrigsiedenden Alkanen) zu verdampfen beginnt. Eine Pumpe liefert den flüssigen wasserstoffhaltigen Brennstoff an den Behälter mit dem zweiten Druck, und ein Wärmetauscher erwärmt den flüssigen wasserstoffhaltigen Brennstoff auf die erhöhte Temperatur. Ein Einlassventil verbindet die Pumpe mit dem Behälter, und ein Auslassventil verbindet den Behälter mit dem Brennstoffprozessor. Eine Steuerung steuert ein Öffnen und Schließen der Auslass- und Einlassventile bei Spitzen des Leistungsbedarfs, um den Druck in dem Behälter schnell zu verringern und so zu bewirken, dass der flüssige wasserstoffhaltige Brennstoff in dem Becken eine Entspannungsverdampfung erfährt und damit die zusätzliche bzw. verstärkende zweite Menge an Brennstoffdampf liefert.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb eines mit Wasserstoff belieferten Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoffprozessor, der den Wasserstoff aus einem wasserstoffhaltigen Brennstoffdampf und Wasserdampf erzeugt. Das Verfahren umfasst die Schritte, dass Wasser verdampft wird, um eine erste Menge an Wasserdampf an den Brennstoffprozessor mit einem ersten Druck zu liefern, wenn die Brennstoffzelle bei einem ersten Leistungsniveau betrieben wird, und eine zweite zusätzliche bzw. verstärkende Menge an Wasserdampf an den Brennstoffprozessor geliefert wird, um die erste Menge bei Spitzen in dem elektrischen Leistungsbedarf auf ein höheres Leistungsniveau zu ergänzen. Die zweite zusätzliche bzw. verstärkende Menge an Wasserdampf wird von einem Becken für Wasser vorgesehen, das bei einem zweiten Druck, der größer als der erste Druck ist, und bei einer Temperatur gehalten wird, die größer als der Siedepunkt des Wassers bei dem ersten Druck ist. Wenn eine Leistungsspitze bzw. ein Leistungssprung auftritt, wird der Druck auf das Becken schnell von dem zweiten Druck auf den ersten Druck verringert, damit das Wasser in dem Becken eine Entspannungsverdampfung erfährt und an den Brennstoffprozessor geliefert wird.

Die Erfindung ist auch auf ein Verfahren zum Liefern von Brennstoffdampf an den Brennstoffprozessor anwendbar. Diese Ausführungsform umfasst die Schritte, dass flüssiger Brennstoff verdampft wird, um eine erste Menge an Brennstoffdampf an den Brennstoffprozessor bei einem ersten Druck zu liefern, wenn die Brennstoffzelle bei einem ersten Leistungsniveau betrieben wird, und eine zweite zusätzliche bzw. verstärkende Menge an Brennstoffdampf an den Brennstoffprozessor geliefert wird, um die erste Menge bei Spitzen in dem elektrischen Leistungsbedarf auf ein höheres Leistungsniveau zu ergänzen. Die Erfindung sieht ein Becken für flüssigen wasserstoffhaltigen Brennstoff bei einem zweiten Druck, der größer als der erste Druck ist, und bei einer Temperatur vor, die größer als der Blasenpunkt des flüssigen Brennstoffes bei dem ersten Druck ist. Wenn hinsichtlich des Leistungsbedarfs eine Spitze auftritt, wird der Druck auf das Becken schnell von dem zweiten Druck auf den ersten Druck verringert, damit der Brennstoff in dem Becken eine Entspannungsverdampfung erfährt und an den Brennstoffprozessor geliefert wird.

Bevorzugt wird das Wasser oder der Brennstoff, wie es geeignet erscheint, bei oder in der Nähe seines Siede- oder Blasenpunktes bei dem zweiten Druck gehalten, um die größtmöglichste Menge an zusätzlichem bzw. verstärkendem Wasserdampf bzw. Brennstoffdampf schnell zu erzeugen, wenn der Druck in dem Behälter verringert wird. Ein bevorzugtes Merkmal der Erfindung betrifft das Wiederauffüllen des Beckens durch Lieferung einer Zweiphasenmischung aus Wasser/Wasserdampf oder flüssigem Brennstoff/Brennstoffdampf, wie es geeignet erscheint, an den Behälter zwischen Leistungsspitzen, wenn das System unter Bedingungen im Wesentlichen im Festzustand bei entweder hohen oder niedrigen Leistungsniveaus arbeitet.

Die Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft anhand 3 einer Ausführungsform unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung beschrieben, in der schematisch ein Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt ist.
Die Figur zeigt ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle 2 und einem Brennstoffprozessor 4 zur Lieferung von Wasserstoff an die Brennstoffzelle 2. Der Brennstoffprozessor 4 unterzieht den wasserstoffhaltigen Brennstoff 6 einer katalytischen Reaktion mit Wasserdampf 12 und möglicherweise Luft 22, um den Wasserstoff zu bilden. Wenn der wasserstoffhaltige Brennstoff 6 eine Flüssigkeit ist, wird dieser zunächst in einem Hauptverdampfer 8 verdampft, bevor er über das Rohr 10 an den Brennstoffprozessor 4 geliefert wird. Wenn der wasserstoffhaltige Brennstoff ein Gas (beispielsweise Methan) ist, wird der Hauptbrennstoffverdampfer 8 weg gelassen und der gasförmige Brennstoff direkt an den Brennstoffprozessor 4 zugeführt. Der Hauptbrennstoffverdampfer 8 ist derart bemessen, um den Brennstoffbedarf des Brennstoffprozessors 4 zu erfüllen, wenn der Brennstoffprozessor unter Bedingungen mit niedriger und hoher Leistung im Wesentlichen im Festzustand (d. h. zwischen Leistungsspitzen) arbeitet. Jedoch ist das zeitliche Ansprechen eines derartigen Hauptverdampfers 8 während einer Spitze im Leistungsbedarf relativ langsam, die beispielsweise während der schnellen Beschleunigung eines mit Brennstoffzelle betriebenen Fahrzeugs auftreten kann. Ähnlicherweise wird auch Wasserdampf 12 an den Brennstoffprozessor 4 von einem Verdampfer 14 geliefert, der Wasser 16 verdampft. Wie bei dem Brennstoffverdampfer 8 ist der Wasserverdampfer 14 derart bemessen, um die Bedingungen mit hoher und niedriger Leistung im Festzustand zu bewältigen, aber sein Ansprechen ist bei Übergangsspitzen in der Leistung zwischen den Bedingungen mit niedriger und hoher Leistung langsam. Abhängig von der Beschaffenheit des Brennstoffes 6 kann auch Luft 22 an den Brennstoffprozessor 4 geliefert werden. Diesbezüglich ist, wenn der Brennstoff 6 Methanol ist, keine Luft erforderlich. Wenn aber der Brennstoff 6 Benzin ist, würde dieser typischerweise in einem Brennstoffprozessor 4 vom ATR-Typ behandelt, der für die POX-Reaktion Luft erfordert, wie oben beschrieben ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird zusätzlicher Brennstoff und/oder Wasserdampf, die von dem Brennstoffprozessor 4 bei Spitzen erforderlich sind, über und oberhalb demjenigen, der von den Hauptverdampfern 8 und 14 verfügbar ist, durch ein Brennstoffpuffersystem 18 und/oder ein Wasserdampfpuffersystem 20 vorgesehen.
Der Wasserdampfpuffer 20 umfasst einen Druckbehälter 24 mit einem Becken für Wasser 26, einen Wärmetauscher 28 zum Erwärmen des Wassers 26, eine Pumpe 32 zum Pumpen von Wasser unter Druck in den Behälter 24, ein Einlassventil 30, das die Pumpe 32 mit dem Wärmetauscher 28 und dem Behälter 24 verbindet, und ein Auslassventil 34, das den Behälter 24 über das Rohr 36 mit dem Brennstoffprozessor 4 verbindet. Der Wärmetauscher 28 kann entweder ein einzelner Wärmetauscher sein, wie gezeigt ist, oder kann in dem Behälter 24 integriert sein (nicht gezeigt). Die Einlass- und Auslassventile 30 und 34 werden in Ansprechen auf Steuersignale 31 und 55, die von einer Steuerung 38 stammen, über Motor betätigt, wie nachfolgend detaillierter beschrieben wird. Ein Flüssigkeitsniveausensor 40 in Verbindung mit dem Behälter 24 erfasst das Niveau der Flüssigkeit in dem Becken 26 und berichtet dieses über Signal 41 an die Steuerung 38. Es kann jeglicher herkömmliche Typ von Flüssigkeitsniveausensor oder -messeinrichtung (beispielsweise Schwimmerschalter oder Schalter vom Typ mit elektrischem Widerstand) verwendet werden. Ein Thermoelement 32 und ein Drucksensor 44 an dem oberen Bereich des Behälters 24 werden dazu verwendet, die Temperatur und den Druck des Fluides dort zu messen, wo es den Behälter 24 verlässt, und um diese Messungen an die Steuerung 38 über Signale 43 bzw. 45 zu berichten. Es können zusätzliche Thermoelemente (nicht gezeigt) an unterschiedlichen Niveaus innerhalb des Behälters 24 über der Oberfläche des Beckens 26 vorgesehen sein, um die Temperaturen dort anzugeben. Ein Thermoelement 46, das in dem unteren Abschnitt des Behälters 24 vorgesehen ist, gibt die Temperatur des Wassers in dem Becken 26 an und berichtet diese an die Steuerung 38 über Signal 35.
Bei einer kompakteren alternativen Anordnung ist der Hauptwasserdampfverdampfer 14 in den Wärmetauscher 28 integriert, so dass der gesamte Wasserdampf, der erzeugt wird, durch das Becken 26 geführt wird.
Beim Betrieb des Wasserdampfpuffers 20 wird der Behälter 24 mit Wasser 26 befüllt, das auf eine Temperatur erwärmt und auf einen Druck mit Druck beaufschlagt worden ist, die durch die Betriebsbedingungen des Brennstoffprozessors 4 bestimmt sind. Wenn beispielsweise der Hauptverdampfer 14 Wasserdampf an den Brennstoffprozessor 4 bei einem Druck P₁ liefert, wird der Druck P₂ in dem Behälter 24 erheblich höher als der Druck P₁ gehalten, und die Temperatur des Wassers in dem Becken 26 in dem Behälter 24 wird über dem Siedepunkt des Wassers bei Druck P₁ gehalten. Bevorzugt liegt die Temperatur des Wassers in dem Becken 26 bei oder in der Nähe des Siedepunktes von Wasser bei Druck P₂ zur optimalen Wassserdampfpufferung. Wenn die Brennstoffzelle bei Bedingungen im Wesentlichen im Festzustand (d. h. zwischen Leistungsspitzen) arbeitet, ist das Einlassventil 30 größtenteils offen (beispielsweise 95%), das Auslassventil 34 ist größtenteils geschlossen (beispielsweise 95%) und die Pumpe 32 pumpt das Wasser in den Behälter 24 bei Druck P₂. Wenn die Brennstoffzelle in einem im Wesentlichen festen Zustand arbeitet und das Niveau des Wassers in dem Becken 26 in dem Behälter 24 unterhalb eines vorgeschriebenen Niveaus liegt, wird dem Becken 26 frisches Wasser hinzugefügt, bis das vorgeschriebene Niveau erreicht ist. Zu diesem Zweck pumpt die Pumpe 32 mehr Wasser durch den Wärmetauscher 28 als der Wärmetauscher 28 vollständig verdampfen kann, so dass eine zweiphasige Wasser-Dampf-Mischung den Wärmetauscher 28 verlässt. Wenn die Brennstoffzelle in einem im Wesentlichen festen Zustand arbeitet, sammelt sich erwärmtes Wasser in dem Becken 26, während sich der Dampf über dem Becken 26 ansammelt und langsam an dem Ventil 34 vorbei in den Brennstoffprozessor 4 zusammen mit dem Dampf von dem Hauptwasserdampfverdampfer 14 ausgetragen wird. Wenn das Wasser in dem Becken 26 das vorgeschriebene Niveau erreicht, wird die Strömungsrate von Wasser zu dem Wärmetauscher 28 auf den Punkt verlangsamt, bei dem nur Wasserdampf den Wärmetauscher 28 verlässt. Der Wasserdampf; der den Wärmetauscher verlässt, steigt durch das Becken 26 auf, um das Wasser darin zu erhitzen. Daher wird sowohl Wasser als auch Wärme zurück in das Becken 26 und in den Behälter 24 zugesetzt, um den Wasser- und Wärmeverlust während einer Leistungsspitze und eines entsprechenden Pufferereignisses zu kompensieren. Der Druck P₂ liegt unmittelbar nach einer Leistungsspitze unterhalb seines vorgeschriebenen Niveaus, wird aber zwischen Spitzen wiederum zurück aufgebaut.
Die Steuerung 38 überwacht (1) den Ausgang (d. h. den Strom und die Spannung) von der Brennstoffzelle 2 über Signal 37, (2) die Temperatur und den Druck an dem oberen Bereich des Behälters 24 über Signale 43 und 45 von Sensoren 42 und 44, (3) das Niveau des Wassers in dem Becken 26 über Signal 41 von dem Niveausensor 40 und (4) die Temperatur des Beckens 26 über Signal 35 von dem Thermoelement 46. Wenn der Ausgang von der Brennstoffzelle 2 eine Spitze in der Leistung angibt, die von der Brennstoffzelle 2 gefordert wird, und daher einen erhöhten Bedarf nach Wasserstoff von dem Brennstoffprozessor angibt, wird je nach Bedarf das Einlassventil 30 geschlossen (beispielsweise 95%), und das Auslassventil 34 wird geöffnet (beispielsweise 95%), um zu bewirken, dass der Druck P₂ in dem Behälter 24 schnell auf ein Niveau absinkt, das näher an P₁, dem Druck des Wasserdampfes, der in dem Brennstoffprozessor 4 eintritt, liegt. Wenn der Druck P₂ in dem Behälter 24 schnell auf P₁ oder in die Nähe von P₁ abfällt, erfährt das Wasser 26, das sich bei Druck P₁ bei einer Temperatur oberhalb seines Siedepunktes . befindet, in dem Behälter 24 eine Entspannungsverdampfung und strömt über die Auslassleitung 36 zu dem Brennstoffprozessor 4. Die latente Wärme (Umwandlungswärme), die erforderlich ist, um den Wasserdampf zu verdampfen, kommt von einem empfindlichen Temperaturabfall in der verbleibenden Flüssigkeit und in den Konstruktionsmaterialien des Behälters 24. Die Steuerung 38 löst den Puffer 20 aus, um zusätzlichen bzw. verstärkenden Dampf zu erzeugen, wenn diese eine Aufwärtsspitze in dem Strom und gleichzeitig einen Abfall der Anschlussspannung der Brennstoffzelle erfasst. Gleichzeitig signalisiert (39) die Steuerung 38 dem Hauptwasserverdampfer 14, seinen Ausgang zu erhöhen, damit dieser in der Lage ist, das höhere Leistungsniveau zu bewältigen, das von der Brennstoffzelle gefordert wird, nachdem die Spitze auf dieses Niveau vorüber gegangen ist.
Die Drehzahl der Pumpe 32 und daher die Strömungsrate des Wassers von dieser wird über Signal 33 von der Steuerung 38 gesteuert, um sicherzustellen, dass ausschließlich Wasserdampf den Behälter 24 verlässt und in den Brennstoffprozessor eintritt. Alternativ dazu kann die Betriebstemperatur des Wärmetauschers 28 erhöht werden, um sicherzustellen, dass ausschließlich Wasserdampf den Behälter 24 verlässt. Zu diesem Zweck messen das Thermoelement 42 und der Drucksensor 44 an dem oberen Ende des Behälters 24 die Temperatur und den Druck des Fluides dort und berichten die Messungen an die Steuerung 38 über Signale 43 und 45. Wenn die von dem Thermoelement 42 gemessene Temperatur den Siedepunkt des Wassers bei dem Druck, der durch Sensor 44 an diesem Ort gemessen wird, überschreitet, dann kann daraus gefolgert werden, dass das Fluid dort insgesamt Dampf ist (d. h. kein flüssiges Wasser vorhanden ist) und keine Einstellungen bezüglich der Strömungsrate oder der Temperatur des Wärmetauschers erforderlich sind. Wenn andererseits die Temperatur an dem oberen Ende des Behälters 24 (gemessen durch das Thermoelement 42) bei dem Druck, der von dem Drucksensor 44 gemessen wird, an dem Siedepunkt des Wassers ist, kann daraus gefolgert werden, dass das Fluid an dem oberen Ende des Behälters 24 eine zweiphasige Mischung aus Wasser und Wasserdampf ist, und dass Einstellungen erforderlich sind, um ausschließlich Wasserdampf zu erzielen. Das Thermoelement 46 misst die Temperatur des Wassers in dem Becken 26 und berichtet diese Messung an die Steuerung 38 über Signal 35. Die Temperatur des Wassers befindet sich auf einem vorgeschriebenen Niveau oberhalb des Siedepunktes von Wasser bei Druck P₁. Wenn die Temperatur des Wassers unter diese vorgeschriebene Temperatur abfällt, wird die Pumpe 32 verlangsamt, um heißeren Wasserdampf in dem Wärmetauscher 28 zu erzeugen, was seinerseits das Wasser in dem Becken 26 erhitzt, wenn dieser durch dieses aufsteigt. Alternativ dazu kann die Betriebstemperatur des Wärmetauschers 28 erhöht werden, um die Wärme zu liefern, die dazu erforderlich ist, die Temperatur des Wassers in dem Becken 26 zu erhöhen.
Der Brennstoffpuffer 18 ist ähnlich dem Wasserdampfpuffer 20 aufgebaut und wird ähnlich diesem betrieben und umfasst einen Druckbehälter 48 mit einem Becken für flüssigen wasserstoffhaltigen Brennstoff 47, einen Flüssigkeitsniveausensor 50, einen Wärmetauscher 52, ein Einlassventil 54, eine Pumpe 56, ein Auslassventil 58, ein Thermoelement 60 für die Flüssigkeit, ein Thermoelement 62 an dem oberen Bereich des Behälters 48 und einen Drucksensor 64 ebenfalls an dem oberen Bereich des Behälters 48 benachbart des Auslasses 51 des Behälters. Der Brennstoffpuffer 18 wird durch dieselbe Steuerung 38 wie bei dem Wasserdampfpuffer 20 gesteuert. Bei einer kompakteren jedoch nicht gezeigten alternativen Anordnung ist der Hauptbrennstoffverdampfer 8 in den Wärmetauscher 52 integriert, so dass der gesamte erzeugte Brennstoffdampf durch das Becken 47 gelangt.
Der Brennstoffpuffer 18 funktioniert auf dieselbe Art und Weise wie der Wasserdampfpuffer 20 mit der Ausnahme, dass die Temperatur des Brennstoffbeckens 48 über dem Blasenpunkt des Brennstoffs bei Druck PS, dem Druck, bei dem der Brennstoffdampf dem Brennstoffprozessor 4 zugeführt wird, gehalten wird. Genauer wird bei dem Betrieb des Brennstoffpuffers 18 der Behälter 48 mit flüssigem Brennstoff 47 befüllt, der auf eine Temperatur erhitzt und auf einen Druck unter Druck gesetzt worden ist, die durch die Betriebsbedingungen des Brennstoffprozessors 4 bestimmt sind. Wenn beispielsweise der Hauptverdampfer 8 Brennstoffdampf an den Brennstoffprozessor 4 mit einem Druck P₃ liefert, wird der Druck P₄ in dem Behälter 48 erheblich höher als der Druck P₃ gehalten, und die Temperatur des Brennstoffes in dem Becken 47 in dem Behälter 48 wird über dem Blasenpunkt des Brennstoffs bei Druck P₃ gehalten. Bevorzugt liegt zur optimalen Brennstoffpufferung die Temperatur des Brennstoffes in dem Becken 47 bei oder nahe des Blasenpunktes des Brennstoffes bei Druck P₄. Wenn die Brennstoffzelle unter Bedingungen im Wesentlichen im Festzustand (d. h. zwischen Leistungsspitzen) arbeitet, ist das Einlassventil 54 größtenteils offen (beispielsweise 95%), das Auslassventil 58 ist größtenteils geschlossen (beispielsweise 95%) und die Pumpe 56 pumpt den Brennstoff bei Druck P₄ in den Behälter 48. Wenn die Brennstoffzelle im Wesentlichen im Festzustand arbeitet und das Niveau des flüssigen Brennstoffes in dem Becken 47 in dem Behälter 48 unterhalb eines vorgeschriebenen Niveaus liegt, wird dem Becken 47 frischer Brennstoff hinzugesetzt, bis das vorgeschriebene Niveau erreicht ist. Zu diesem Zweck pumpt die Pumpe 56 mehr flüssigen Brennstoff in den Wärmetauscher 52 als der Wärmetauscher 52 vollständig verdampfen kann, so dass eine zweiphasige Mischung aus flüssigem Brennstoff und Brennstoffdampf den Wärmetauscher 52 verlässt. Wenn die Brennstoffzelle im Wesentlichen im Festzustand betrieben wird, sammelt sich erhitzter flüssiger Brennstoff in dem Becken 47, während der Brennstoffdampf sich über dem Becken 47 sammelt und langsam an dem Auslassventil 58 vorbei in den Brennstoffprozessor 4 zusammen mit dem Brennstoffdampf von dem Hauptbrennstoffverdampfer 8 austritt. Wenn der flüssige Brennstoff in dem Becken 47 das vorgeschriebene Niveau erreicht, wird die Strömungsrate von flüssigem Brennstoff zu dem Wärmetauscher 52 auf einen Punkt verlangsamt, bei dem ausschließlich Brennstoffdampf den Wärmetauscher 52 verlässt. Der Brennstoffdampf, der den Wärmetauscher 52 verlässt, steigt durch das Becken 47 auf, um den flüssigen Brennstoff darin zu erwärmen. Daher werden sowohl flüssiger Brennstoff als auch Wärme zurück in das Becken 47 und den Behälter 48 eingeführt, um den Verlust an flüssigem Brennstoff und Wärme während einer Leistungsspitze zu kompensieren. Der Druck P₄ liegt unmittelbar nach einer Leistungsspitze unterhalb eines vorgeschriebenen Niveaus, baut sich aber zwischen den Spitzen wieder zurück auf.
Die Steuerung 38 überwacht (1) den Ausgang (d. h. Strom und Spannung) von der Brennstoffzelle 2 über Signal 37, (2) die Temperatur und den Druck an dem oberen Bereich des Behälters 48 über Signale 63 und 65 von den Sensoren 62 und 64, (3) den Niveau des Wassers in dem Becken 47 über Signal 61 von dem Niveausensor 50 und (4) die Temperatur des Beckens 47 über Signal 49. Wenn der Ausgang von der Brennstoffzelle eine Spitze in der von der Brennstoffzelle 2 angeforderten Leistung angibt und daher ein erhöhter Bedarf nach Wasserstoff von dem Brennstoffprozessor 4 besteht, wird das Einlassventil 54 in Ansprechen auf das Signal 68 von der Steuerung 38 größtenteils geschlossen (beispielsweise 95%) und das Auslassventil 58 wird in Ansprechen auf das Signal 68 von der Steuerung 38 größtenteils geöffnet (beispielsweise 95%), wie es erforderlich ist, um zu bewirken, dass der Druck P₄ in dem Behälter 48 schnell auf ein Niveau abfällt, das näher an P₃, dem Druck des Brennstoffdampfes, der von dem Hauptverdampfer 8 in dem Brennstoffprozessor 4 eintritt, liegt. Wenn der Druck P₄ in dem Behälter 48 schnell auf PS abfällt, erfährt der flüssige Brennstoff 47, der sich bei einer Temperatur oberhalb seines Blasenpunktes bei Druck P₃ befindet, in dem Behälter 48 schnell eine Entspannungsverdampfung und strömt zu dem Brennstoffprozessor 4 über die Auslassleitung 59. Die latente Wärme, die erforderlich ist, um den flüssigen Brennstoff zu verdampfen, kommt von einem sensiblen Temperaturabfall in der verbleibenden Flüssigkeit und in den Konstruktionsmaterialien des Behälters 48. Die Steuerung 38 löst den Brennstoffpuffer 18 aus, um zusätzlichen bzw. verstärkenden Brennstoffdampf zu erzeugen, wenn sie eine Aufwärtsspitze in dem Strom und einen gleichzeitigen Abfall der Anschlussspannung der Brennstoffzelle erfasst. Gleichzeitig signalisiert (53) die Steuerung 38 dem Hauptbrennstoffverdampfer 8, seinen Ausgang zu erhöhen, damit dieser in die Lage versetzt wird, mit der zusätzlichen Wasserdampferzeugung von dem Wasserdampfpuffer 20 Schritt zu halten und das höhere Leistungsniveau zu bewältigen, das von der Brennstoffzelle gefordert wird, nachdem die Spitze auf dieses Niveau vorüber gegangen ist.
Die Drehzahl der Pumpe 56 und daher die Strömungsrate des Brennstoffes durch diese wird über Signal 67 gesteuert, um so sicherzustellen, dass ausschließlich Brennstoffdampf den Behälter 48 verlässt und in den Brennstoffprozessor 4 eintritt. Alternativ dazu kann die Betriebstemperatur des Wärmetauschers 52 erhöht werden, um sicherzustellen, dass ausschließlich Brennstoffdampf den Behälter 48 verlässt. Zu diesem Zweck misst das Thermoelement 62 und der Drucksensor 64 an dem oberen Ende des Behälters 48 die Temperatur und den Druck des Fluides dort und berichtet die Messungen an die Steuerung 38 über Signale 63 und 65. Wenn die von dem Thermoelement 62 gemessene Temperatur den Taupunkt des Brennstoffes bei dem Druck, der von Sensor 64 an diesem Ort gemessen wird, überschreitet, kann daraus gefolgert werden, dass das Fluid dort insgesamt Dampf ist (d. h. kein flüssiger Brennstoff vorhanden ist), wobei der "Taupunkt" die Temperatur darstellt, bei der der Brennstoffdampf zu kondensieren beginnt (d. h. die höchstsiedenden Bestandteile des Brennstoffdampfes scheiden sich ab). Alternativ dazu kann der "Taupunkt" als die Temperatur betrachtet werden, bei der das letzte Stückchen flüssiger Brennstoff verdampft. Ungeachtet der Betrachtungsweise sind oberhalb des Taupunktes keinerlei Einstellungen der Strömungsrate oder der Temperatur des Wärmetauschers erforderlich. Wenn andererseits die Temperatur an dem oberen Ende des Behälters 48 (gemessen von dem Thermoelement 62) zwischen dem Blasenpunkt und dem Taupunkt des Brennstoffes bei dem Druck, der von dem Drucksensor 64 gemessen wird, liegt, kann gefolgert werden, dass das Fluid an dem oberen Ende des Behälters 48 eine zweiphasige Mischung aus flüssigem Brennstoff und Brennstoffdampf ist, und es sind Einstellungen bezüglich der Pumpendrehzahl und/oder der Temperatur des Wärmetauschers erforderlich, um einen Austritt von ausschließlich Brennstoffdampf zu erreichen.
Zwischen Leistungsspitzen wird das Wasser in dem Becken 26 und/oder der flüssige Brennstoff in dem Becken 47 wieder aufgefüllt, indem die Durchflussrate zu den Wärmetauschern 28 und/oder 52 und- /oder die auf diese aufgebrachte Wärme eingestellt wird, so dass die Abflüsse von jedem eine zweiphasige Mischung aus Wasser und Wasserdampf von dem Wärmetauscher 28 und/oder aus flüssigem Brennstoff und Brennstoffdampf von dem Wärmetauscher 52 sind, wie es geeignet ist. Die Flüssigkeitsniveausensoren 40 und 50 signalisieren (d. h. 41 und 61), wenn das Flüssigkeitsniveau niedrig ist und wenn es seine vorgeschriebene obere Grenze erreicht hat. Wenn die vorgeschriebene obere Grenze erreicht ist, löst der Sensor Einstellungen bezüglich der Durchflussrate und/oder des Wärmetauschers aus, die ausschließlich Wasserdampf von dem Wärmetauscher 28 und/oder Brennstoffdampf von dem Wärmetauscher 52 erzeugen. Die Flüssigkeitsniveausensoren 40 und 50 signalisieren der Steuerung 38 auch, wenn die Flüssigkeitsniveaus in den Behältern 24 und 48 vollständig entleert sind. Diese Intelligenz ist insbesondere wichtig zum Betrieb des Wasserdampfpuffers 20, um sicherzustellen, dass das Verhältnis von Wasserdampf zu Kohlenstoff der Reaktanden, die in den Brennstoffprozessor 4 eintreten, nicht unter ein vorgeschriebenes Niveau abfällt, was auftreten könnte, wenn nur unzureichend Wasserdampf mit zusätzlichem Brennstoff reagiert, der bei Leistungsspitzen an den Brennstoffprozessor geliefert wird. Das tolerierbare Wasserdampf-Kohlenstoff-Verhältnis variiert für ein gegebenes System als eine Funktion der Temperatur, des Druckes und des Verhältnisses von Sauerstoff zu Kohlenstoff in dem Brennstoffprozessor. Wenn das Verhältnis von Wasserdampf zu Kohlenstoff zu niedrig ist, kann sich Ruß bilden und den Brennstoffprozessor beschädigen. Daher wird, wenn das Wasser in dem Becken 26 entleert ist, die Steuerung 38 die Durchflussrate von Brennstoff zu dem Brennstoffprozessor zurücknehmen, um das Wasserdampf- Kohlenstoff-Verhältnis über einem Ruß bildenden Niveau zu halten. Bevorzugt wird die Menge an erzeugtem Wasserdampf bestimmt und die Durchflussrate des Brennstoffs (und Luft, wenn anwendbar) in direktem Verhältnis zu der Wasserdampfrate moduliert, um über den gesamten Betriebsbereich des Brennstoffprozessors ein vorgeschriebenes Wasserdampf-Kohlenstoff-Verhältnis beizubehalten.
Die Steuerung kann entweder eine Steuerung sein, die streng auf die Wasserdampf/Brennstoff-Pufferung der vorliegenden Erfindung gerichtet ist, oder ist bevorzugt Teil einer zentralen Steuerung, die dazu verwendet wird, viele Aspekte des gesamten Brennstoffzellensystems zu steuern. Eine derartige zentrale Steuerung 38 enthält die erforderliche Hardware und Software zum Empfang von Eingaben, zum Umwandeln von Eingaben in andere Werte, die mit den Eingaben korreliert sind, zum Summieren von Eingaben, zum Erzeugen interner Signale basierend auf diesen Eingaben, zum Aufbereiten (d. h. Integrieren/Differenzieren) der internen Signale, um glatte Ausgabesignale zu liefern, und was immer auch für andere Funktionen erforderlich sein können, um das Brennstoffzellensystem zu steuern. Die Steuerung 38 kann die Form einer herkömmlichen digitalen, auf Computer basierenden Mehrzwecksteuerung annehmen, die so programmiert ist, um den vorgeschriebenen Prozess in vorbestimmten Intervallen (beispielsweise alle 10 ms) periodisch auszuführen. Die Steuerung 38 umfasst gut bekannte Elemente wie (1) eine Zentralverarbeitungseinheit (CPU) mit geeigneten arithmetischen und logischen Schaltungen zur Ausführung von arithmetischen, logischen und steuernden Funktionen, (2) einen Nurlesespeicher (ROM), (3) einen Schreib-Lese- Speicher (RAM), (4) einen elektronisch programmierbaren Nurlesespeicher (EPROM) und (5) Eingabe- und Ausgabeschaltungen, die mit der Brennstoffzelle und den verschiedenen Sensoren, Ventilen und Pumpen der Wasserdampf/Brennstoffdampf-Puffer usw. über Schnittstellen in Verbindung stehen. Der ROM enthält die Anweisungen, die von der CPU gelesen und ausgeführt werden, um die verschiedenen Prozesse zu implementieren, die von der Steuerung 38 einschließlich der Wasserdampf/Brennstoff-Puffertechnik der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden. Der EPROM umfasst geeignete Nachschlagetabellen und jegliche erforderlichen Kalibrierungskonstanten zur Umwandlung und zum Vergleichen geeigneter Eingaben bzw. Ausgaben. Es kann ein spezifisches Programm zur Ausführung der Erfindung durch Fachleute unter Verwendung herkömmlicher Informationsverarbeitungssprachen hergestellt werden.
Die Steuerung 38 enthält eine erste Nachschlagetabelle, die die Anforderungen hinsichtlich Wasserdampf und Brennstoffdampf für den Brennstoffprozessor bei verschiedenen Leistungsspitzenraten und -dauern korreliert, und die Einlass-/Auslassventileinstellungen, um diese Anforderungen zu erzielen. Die Werte für die erste Nachschlagetabelle werden empirisch im Labor durch eine Serie von Experimenten bestimmt, bei denen ein Brennstoffzellensystem, das mit dem Brennstoffzellensystem, das gemäß der vorliegenden Erfindung betrieben werden soll, identisch ist, unter verschiedenen Bedingungen im Festzustand und Bedingungen mit Leistungsspitzen betrieben wird, die Wasserdampf- und Brennstoffdampf-Anforderungen für diese Bedingungen bestimmt werden und die Einlass- und Auslassventileinstellungen entsprechend diesen Anforderungen bestimmt und tabellarisch aufgelistet werden. Die Steuerung 38 enthält eine zweite Nachschlagetabelle, die die Menge an Brennstoff (und Luft, wenn anwendbar) korreliert, die an den Brennstoffprozessor für eine gegebene Menge an Wasserdampf geliefert werden muss, der an den Brennstoffprozessor geliefert wird, um das Verhältnis von Wasserdampf zu Kohlenstoff über einem Ruß bildenden Verhältnis zu halten. Die Steuerung 38 enthält eine dritte Nachschlagetabelle, die (1) die verschiedenen Kombinationen von Temperatur und Druck an den Ausgängen der Behälter 24 und 48 korreliert, die ausschließlich Wasserdampf und/oder Brennstoffdampf erzielen, und (2) die Drehzahlen der Pumpen 32 und 56 (auch empirisch bestimmt) korreliert, die erforderlich sind, um dort ausschließlich Wasserdampf und Brennstoffdampf für die verschiedenen Betriebstemperaturen des Wärmetauschers zu erzielen.

BEISPIEL

Unter Verwendung herkömmlicher Wasserdampftabellen ist ein Wasserdampfpuffer 20 so ausgebildet, um Wasserdampf an einen Brennstoffprozessor 4 bei einem Druck (P₁) von 2,8 bar zu liefern. Die Pumpe 32 pumpt Wasser von atmosphärischem Druck (1 bar) auf einen Druck von 4 bar. Bei Bedingungen im Festzustand mit niedriger Leistung (beispielsweise weniger als 20% der vollen Leistung) besitzt der Behälter einen Innendruck (P₂) von 3,9 bar, wodurch ein Druckabfall (ΔP) von 0,1 bar über das größtenteils geöffnete Einlassventil 30 und den Wärmetauscher 28 zugelassen wird und ein Druckabfall von 1,1 bar über das größtenteils geschlossene Auslassventil 34 zugelassen wird. Bei Bedingungen im Festzustand enthält der Behälter 24 flüssiges Wasser bei seinem Siedepunkt von 144°C bei Druck P₂. Wenn eine Leistungsspitze auftritt, besteht ein erhöhter Bedarf nach Dampf bei 2,8 bar (P₁). Das Einlassventil 30 wird in eine geschlossenere Stellung bewegt, während das Auslassventil 34 in eine offenere Stellung bewegt wird, so dass der Druck P₂ in dem Behälter 24 schnell von 3,9 bar auf 2,9 bar abfällt (wobei ein ΔP von 0,1 bar für Ventil 34 zugelassen wird). Dieser Druckabfall von 1 bar resultiert in einer Entspannungserzeugung von 20,5 g Wasserdampf für jeden Liter flüssigem Wasser, das bei seinem Siedepunkt von 144°C gehalten wird. Größere Mengen an Wasserdampf pro Liter Wasser können dadurch erhalten werden, dass mit höheren Drücken gearbeitet wird. Beispielsweise resultiert eine Entspannung von einem Liter Wasser von 5,9 bar bei seinem Siedepunkt von 159°C abwärts auf 2,9 bar in der Erzeugung von 51,5 g Wasserdampf, und eine Entspannung von 9,9 bar auf 2,9 bar mit Wasser bei 180°C resultiert in der Erzeugung von 94,6 g Wasserdampf.
Zusammengefasst ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Lieferung von zusätzlichem bzw. verstärkendem Wasserdampf und/oder Brennstoffdampf an den Brennstoffprozessor eines Brennstoffzellensystems bei Spitzen in der von der Brennstoffzelle geforderten Leistung offenbart. Heißes Wasser und/oder flüssiger Brennstoff sind bzw. werden unter Druck gespeichert, bis sie benötigt werden. Wenn sie bei Leistungsspitzen benötigt werden, wird der Druck auf die heiße Flüssigkeit bzw. die heißen Flüssigkeiten schnell verringert, was zur Folge hat, dass diese eine Entspannungsverdampfung erfahren und die normale Lieferung von Wasserdampf bzw. Brennstoffdampf an den Brennstoffprozessor im Festzustand ergänzen.

Claims

1. Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, die Wasserstoff bei der elektrochemischen Erzeugung von Elektrizität verbraucht, einem Brennstoffprozessor zur Erzeugung des Wasserstoffes aus einem wasserstoffhaltigen Brennstoff und Wasserdampf, einem ersten Verdampfer zum Umwandeln von Wasser in den Wasserdampf und zur Lieferung einer ersten Menge des Wasserdampfes an den Brennstoffprozessor bei einem ersten Druck, wobei ferner ein Wasserdampfpuffer vorgesehen ist, der mit dem Brennstoffprozessor in Verbindung steht, um eine zweite Menge an Wasserdampf bei Spitzen in der elektrischen Leistung, die von dem Brennstoffzellensystem gefordert wird, an den Brennstoffprozessor zu liefern, wobei der Wasserdampfpuffer umfasst: einen Behälter, der ein Becken für Wasser unter einem zweiten Druck, der größer als der erste Druck ist, und bei einer Temperatur umfasst, die größer als der Siedepunkt des Wassers bei dem ersten Druck ist, eine Pumpe zur Lieferung von Wasser an den Behälter bei dem zweiten Druck, einen Wärmetauscher zum Erwärmen des Wassers auf die Temperatur, einem Einlassventil, das die Pumpe mit dem Behälter verbindet, einem Auslassventil, das den Behälter mit dem Brennstoffprozessor verbindet, und eine Steuerung zum Schließen des Einlassventils und zum Öffnen des Auslassventils während der Spitzen, um den Druck in dem Behälter schnell zu verringern und somit zu bewirken, dass das Wasser in dem Becken eine Entspannungsverdampfung erfährt und die zweite Menge vorsieht.

2. Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, die Wasserstoff bei der elektrochemischen Erzeugung von Elektrizität verbraucht, einem Brennstoffprozessor zur Erzeugung des Wasserstoffes aus einem flüssigen wasserstoffhaltigen Brennstoff und Wasser, einem ersten Verdampfer zum Umwandeln des wasserstoffhaltigen Brennstoffs in einen Dampf und zur Lieferung einer ersten Menge des Dampfes an den Brennstoffprozessor bei einem ersten Druck, wobei ferner ein Brennstoffpuffer vorgesehen ist, der mit dem Brennstoffprozessor in Verbindung steht, um eine zweite Menge an Brennstoffdampf bei Spitzen in der elektrischen Leistung, die von dem Brennstoffzellensystem gefordert wird, an den Brennstoffprozessor zu liefern, wobei der Brennstoffpuffer umfasst: einen Behälter, der ein Becken für den flüssigen wasserstoffhaltigen Brennstoff unter einem zweiten Druck, der größer als der erste Druck ist, und bei einer Temperatur umfasst, die größer als der Taupunkt des wasserstoffhaltigen Brennstoffes bei dem ersten Druck ist, eine Pumpe zur Lieferung des flüssigen wasserstoffhaltigen Brennstoffs an den Behälter bei dem zweiten Druck, einen Wärmetauscher zum Erwärmen des flüssigen wasserstoffhaltigen Brennstoffs auf die Temperatur, einem Einlassventil, das die Pumpe mit dem Behälter verbindet, einem Auslassventil, das den Behälter mit dem Brennstoffprozessor verbindet, und eine Steuerung zum Schließen des Einlassventils und zum Öffnen des Auslassventils während der Spitzen, um den Druck in dem Behälter schnell zu verringern und somit zu bewirken, dass der flüssige wasserstoffhaltige Brennstoff in dem Becken eine Entspannungsverdampfung erfährt und die zweite Menge vorsieht.

3. Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelle, die Wasserstoff bei der elektrochemischen Erzeugung von Elektrizität verbraucht, und einem Brennstoffprozessor zur Erzeugung des Wasserstoffes von einem wasserstoffhaltigen Brennstoff und Wasser, mit den Schritten, dass: das Wasser verdampft wird, um eine erste Menge an Wasserdampfes an den Brennstoffprozessor bei einem ersten Druck zu liefern, wenn die Brennstoffzelle auf einem ersten Leistungsniveau arbeitet, und eine zweite Menge an Wasserdampf an den Brennstoffprozessor zu liefern, um die erste Menge bei Spitzen in der elektrischen Leistung auf ein höheres Leistungsniveau als das erste Leistungsniveau zu ergänzen, indem ein Becken für Wasser bei einem zweiten Druck, der größer als der erste Druck ist, und bei einer Temperatur vorgesehen wird, die größer als der Siedepunkt des Wassers bei dem ersten Druck ist, und der Druck auf das Becken während der Spitzen von dem zweiten Druck auf den ersten Druck schnell verringert wird, damit das Wasser in dem Becken eine Entspannungsverdampfung erfährt und an den Brennstoffprozessor geliefert wird.

4. Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelle, die Wasserstoff bei der elektrochemischen Erzeugung von Elektrizität verbraucht, und einem Brennstoffprozessor zur Erzeugung des Wasserstoffes von einem flüssigen wasserstoffhaltigen Brennstoff und Wasser, mit den Schritten, dass:
der Brennstoff verdampft wird, um eine erste Menge an Brennstoffdampf an den Brennstoffprozessor bei einem ersten Druck zu liefern, wenn die Brennstoffzelle auf einem ersten Leistungsniveau arbeitet, und
eine zweite Menge an Brennstoffdampf an den Brennstoffprozessor zu liefern, um die erste Menge während der Spitzen in der elektrischen Leistung auf ein höheres Leistungsniveau als das erste Leistungsniveau zu ergänzen, indem ein Becken für den flüssigen wasserstoffhaltigen Brennstoff bei einem zweiten Druck, der größer als der erste Druck ist, und bei einer Temperatur vorgesehen wird, die größer als der Taupunkt des Brennstoffs bei dem ersten Druck ist, und der Druck auf das Becken von dem zweiten Druck auf den ersten Druck schnell verringert wird, damit der Brennstoff in dem Becken eine Entspannungsverdampfung erfährt und an den Brennstoffprozessor geliefert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Siedepunkt der Siedepunkt bei etwa dem zweiten Druck ist.

6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Blasenpunkt der Blasenpunkt bei etwa dem zweiten Druck ist.

7. Verfahren nach Anspruch 3, ferner umfassend, dass das Becken wieder aufgefüllt wird, indem eine zweiphasige Mischung aus Wasser und Wasserdampf zwischen den Spitzen an den Behälter geliefert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 4, ferner umfassend, dass das Becken wieder aufgefüllt wird, indem eine zweiphasige Flüssigkeit-Dampf-Mischung des Brennstoffes zwischen den Spitzen an dem Behälter geliefert wird.