Allgemeiner
Stand der Technik
In
vielen PAM-Brennstoffzellensystemen wird ein Brennstoff wie beispielsweise
Methan oder ein ähnlicher
Kohlenwasserstoff-Brennstoff in einen wasserstoffreichen Strom für die Anodenseite
der Brennstoffzelle umgewandelt. In vielen Systemen werden ein befeuchtetes
natürliches
Gas (Methan) und Luft chemisch in einen wasserstoffreichen Strom,
der als Reformat bekannt ist, durch ein Brennstoffverarbeitungs-Teilsystem
des Brennstoffzellensystems umgewandelt. Diese Umwandlung findet
in einem Reformer statt, wo der Wasserstoff katalytisch aus dem
Kohlenwasserstoff-Brennstoff freigesetzt wird. Ein häufiger Typ
eines Reformers ist ein Autothermischer Reaktor (ATR), der Luft
und Dampf als oxidierende Reaktionspartner verwendet. Beim Freisetzen
des Wasserstoffs wird eine erhebliche Menge Kohlenmonoxid (CO) erzeugt,
die auf ein geringes Niveau verringert werden muss (in der Regel
weniger als 10 ppm), um ein Vergiften der Protonenaustauschmembran
zu verhindern.
Der
katalytische Reformierungsprozess besteht aus einer Oxygenolysereaktion
mit einer zugehörigen
Wasser-Gas-Verschiebung
[CH4 + H2O → CO + 3
H2, CO + H2O → CO2 + H2] und einer
teilweisen Oxidationsreakti on [CH4 + ½ O2 → CO
+ 2 H2]. Obgleich die Wasser-Gas-Verschiebungsreaktion
einen Teil des CO aus dem Reformatflussstrom entfernt, enthält der Gesamtreformatstrom
immer eine gewisse Menge an CO, wobei sich die Menge nach der Temperatur
richtet, bei der sich der Reformierungsprozess vollzieht. Nach den
ersten Reaktionen liegt der CO-Wert des Reformatflusses ein ganzes
Stück über dem
akzeptablen Wert für
die PAM-Brennstoffzelle. Um die CO-Konzentration auf akzeptable
Werte zu senken, werden im Allgemeinen verschiedene katalytische
Reaktionen in dem Brennstoffverarbeitungs-Teilsystem verwendet,
um CO in dem Reformatfluss zu entfernen. Zu typischen Reaktionen
zur Reduzierung des CO in dem Reformatfluss gehören die oben erwähnte Wasser-Gas-Verschiebung
sowie eine selektive Oxidationsreaktion über einem Edelmetallkatalysator
(wobei dem Reformatstrom eine geringe Menge Luft beigegeben wird,
um Sauerstoff zuzuführen).
Im Allgemeinen sind mehrere Stufen einer CO-Reinigung erforderlich,
um einen Reformatstrom mit einem akzeptable CO-Wert zu erhalten. Jede
der Stufen der CO-Reinigung erfordert eine Senkung der Reformattemperatur
auf exakte Temperaturbereiche, so dass die gewünschten katalytischen Reaktionen
stattfinden und die Beladungsmenge an Edelmetallkatalysator minimiert
werden kann.
In
dieser Hinsicht werden – aufgrund
ihrer kompakten Größe im Vergleich
zu gasgekühlten Wärmetauschern – häufig flüssigkeitsgekühlte Wärmetauscher
verwendet, um die Reformattemperatur auf jeder Stufe zu steuern.
Weil flüssiges
Wasser, das in das Brennstoffverarbeitungs-Teilsystem eintritt, erwärmt werden
muss, damit es für
die Reformierungsreaktionen in Dampf umgewandelt werden kann, ist
es des Weiteren thermisch effizient, Prozesswasser als das flüssige Kühlmittel
für die
Wärmetauscher
zum Kühlen
des Reformatflusses vor der GO-Entfernung zu verwenden. Eine solche
Lösung kann
allerdings schwierig zu implementieren sein.
Weil
zu Beispiel ein flüssiges
Kühlmittel
allgemein eine weit geringere Temperatur hat als das zu kühlende Reformat,
kann es zum Problem des Kondensierens in dem Reformatfluss kommen,
besonders dann, wenn Prozesswasser das flüssige Kühlmittel ist. Dieses Problem
ist von besonderer Bedeutung, weil kondensierte Flüssigkeiten,
wie beispielsweise Wasser, in dem Reformatstrom den Katalysator,
der zur CO-Entfernung verwendet wird, oder Wasserstoffreinigungseinheiten
in Brennstoffverarbeitungs-Teilsystemen deaktivieren können.
Kurzdarstellung
der Erfindung
Gemäß einer
Form der Erfindung wird ein Kühlmittelkonditionierungssystem
bereitgestellt, um wenigstens einem Brennstoffverarbeitungs-Teilsystem
eines Brennstoffzellensystems ein Kühlmittel zuzuführen. Das
Kühlmittelkonditionierungssystem
enthält
einen Kühlmittelspeichertank
und eine Pumpe zum Zuführen
eines flüssigen
Kühlmittelflusses.
Das Kühlmittelkonditionierungssystem
enthält
des Weiteren wenigstens eine Kühlmittelvorwärmvorrichtung, die
mit einem Reformatfluss verbunden ist, um Wärme von dem Reformatfluss zu
dem Kühlmittelfluss
zu übertragen,
wobei die wenigstens eine Kühlmittelvorwärmvorrichtung
einen Kühlmitteleinlass
und einen Kühlmittelauslass
enthält.
Das Kühlmittelkonditionierungssystem
enthält
außerdem
eine Heizvorrichtung, die mit dem Kühlmittelauslass verbunden ist,
um dem Kühlmittelfluss
selektiv Wärme
hinzuzufügen,
wenn die Temperatur des Kühlmittelflusses
am Kühlmittelauslass
unter eine Mindesttemperatur abfällt,
wobei die Heizvorrichtung einen Heizvorrichtungseinlass für das Kühlmittel
und einen Heizvorrichtungsauslass für das Kühlmittel enthält. Das
Kühlmittelkonditionierungssystem
enthält
des Weiteren wenigstens einen Auslassströmungsweg, um einen Teil des
Kühlmittelflusses
von dem Heizvorrichtungsauslass dem wenigstens einen Brennstoffverarbeitungs-Teilsystem zuzuführen, und
einen Rückflussweg,
um einen Rest des Kühlmittelflusses
von dem Heizvorrichtungsauslass dem Speichertank zuzuführen.
In
einer bevorzugten Form ist das Kühlmittel Wasser.
Gemäß einer
Form leitet der wenigstens eine Auslassströmungsweg einen Teil des Kühlmittelflusses
von dem Heizvorrichtungsauslass zu einem Wärmetauscher des Brennstoffverarbeitungs-Teilsystems.
In
einer Form enthält
das Kühlmittelkonditionierungssystem
des Weiteren wenigstens einen Auslassströmungsweg, um einen Teil des
Kühlmittelflusses
von dem Heizvorrichtungsauslass zu wenigstens einem Verschiebungsreaktor
und/oder zu selektiven Oxidationseinheiten des Brennstoffverarbeitungs-Teilsystems
zu leiten.
Gemäß einer
Form gibt die Pumpe das flüssige
Kühlmittel
mit einer gewünschten
Strömungsrate
ab.
Gemäß einer
Form gibt die Pumpe das flüssige
Kühlmittel
mit einer konstanten Strömungsrate ab.
Gemäß einer
Form ist die Strömungsrate
des Teils des Kühlmittelflusses
unter normalen Betriebsbedingungen geringer als die gewünschte Strömungsrate,
die durch die Pumpe gefördert
wird.
In
einer Form enthält
das Kühlmittelkonditionierungssystem
des Weiteren wenigstens einen Druckregler stromabwärts von
der Heizvorrichtung, um den Teil des Kühlmittelflusses zu dem wenigstens einen
Brennstoffverarbeitungs-Teilsystem auf einem gewünschten Druck zu halten.
Gemäß einer
Form ist die Mindesttemperatur die Tau punkttemperatur des Reformatflusses.
Gemäß einer
Form enthält
das Kühlmittelkonditionierungssystem
des Weiteren einen Temperatursensor zum Messen der Temperatur des
Kühlmittelflusses,
der aus der Vorwärmvorrichtung
austritt.
In
einer Form spricht die Heizvorrichtung auf ein Signal von dem Temperatursensor
an.
Gemäß einer
Form ist die Heizvorrichtung eine elektrische Heizvorrichtung.
In
einer Form enthält
das Kühlmittelkonditionierungssystem
des Weiteren einen Zusatzströmungsweg,
der mit dem Speichertank verbunden ist, um dem Speichertank einen
zusätzlichen
Kühlmittelfluss
von einer Kühlmittelquelle
zuzuführen.
Gemäß einer
Form ist die Kühlmittelquelle ein
Umlauffluss von dem Brennstoffzellensystem.
Gemäß einer
Form wird ein Verfahren zum Betreiben einer Kühlmittel-Druckzufuhr zur Verwendung
mit wenigstens einem Brennstoffverarbeitungs-Teilsystem eines Brennstoffzellensystems
bereitgestellt.
In
einer Form enthält
das Verfahren die folgenden Schritte:
Leiten eines Kühlmittels
von einer Kühlmittelspeicherquelle über einen
ersten Strömungsweg
einer Kühlmittelvorwärmvorrichtung;
Leiten
eines Reformats über
einen zweiten Strömungsweg
der Kühlmittelvorwärmvorrichtung;
Übertragen
von Wärme
von dem Reformat zu dem Kühlmittel in
der Kühlmittelvorwärmvorrichtung;
Leiten
des Kühlmittels
von der Kühlmittelvorwärmvorrichtung
zu einer Heizvorrichtung;
selektives Hinzufügen von Wärme zu dem Kühlmittel an
der Heizvorrichtung, wenn die Temperatur des Kühlmittel unter eine Mindesttemperatur
abfällt;
Leiten
eines Teils des Kühlmittels
zu der wenigstens einen Brennstoffverarbeitungseinheit; und
Zurückführen des
Rests des Kühlmittels
zu der Speicherquelle.
In
einer bevorzugten Form ist das Kühlmittel Wasser.
Gemäß einer
Form wird das Kühlmittel
mit einer gewünschten
Rate über
den ersten Strömungsweg
geleitet.
In
einer Form wird das Kühlmittel
mit einer konstanten Rate über
den ersten Strömungsweg
geleitet.
Gemäß einer
Form ist die Strömungsrate
des Teils des Kühlmittels
unter normalen Betriebsbedingungen geringer als die gewünschte Strömungsrate.
In
einer Form enthält
das Verfahren des Weiteren den Schritt des Regelns des Drucks stromabwärts von
der Heizvorrichtung, um den Teil des Kühlmittels zu dem wenigstens
einen Brennstoffverarbeitungs-Teilsystem auf einem gewünschten
Druck zu halten.
Gemäß einer
Form ist die Mindesttemperatur die Taupunkttemperatur des Reformats.
Gemäß einer
Form enthält
das Verfahren des Weiteren den Schritt des Messens der Temperatur
des Kühlmittels,
das aus der Vorwärmvorrichtung austritt.
In
einer Form enthält
das Verfahren des Weiteren den Schritt, die Heizvorrichtung auf
die Temperatur des Kühlmittels,
das aus der Vorwärmvorrichtung
austritt, reagieren zu lassen.
Gemäß einer
Form enthält
das Verfahren des Weiteren den Schritt des Leitens eines Zusatzflusses
von einer Kühlmittelquelle
zu der Kühlmittelspeicherquelle.
Gemäß einer
Form wird die Kühlmittelquelle von
einem Umlaufstrom des Brennstoffzellensystems zugeleitet.
Weitere
Aufgaben, Vorteile und Merkmale werden aus dem vollständigen Studium
der gesamten Spezifikation, einschließlich der angehängten Ansprüche und
Zeichnungen, deutlich.
Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
1 ist eine schaubildhafte
Darstellung eines Brennstoffverarbeitungs-Teilsystems mit einem Kühlmittelkonditionierungssystem
und einem Verfahren, welche die vorliegende Erfindung verkörpern.
2 ist eine schaubildhafte
Darstellung des Kühlmittelkonditionierungssystems
und Verfahrens von 1.
3 ist eine Kurvendarstellung
eines Temperaturprofils für
den Kühlmittelfluss,
den Reformatfluss und den Reformattaupunkt unter verschiedenen Lastzuständen.
4 ist eine perspektivische
Ansicht einer Ausführungsform
einer Vorwärmvorrichtung,
die in der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Obgleich
die vorliegende Erfindung in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden
kann, werden konkrete Ausführungsformen
der Erfindung in den Zeichnungen gezeigt und im vorliegenden Text detailliert
beschrieben, wobei es sich versteht, dass die vorliegende Offenbarung
als eine Exemplifizierung der Prinzipien der Erfindung zu verstehen
ist und nicht die Erfindung auf die konkreten veranschaulichten
Ausführungsformen
beschränken
soll.
Wie
in 1 zu sehen, ist ein
Kühlmittelkonditionierungssystem 8,
in der bevorzugten Form eines Prozesswasserkonditionierungssystems 8,
zur Verwendung mit einem Brennstoffverarbeitungs-Teilsystem bereitgestellt,
das schematisch mit 12 bezeichnet ist und der Erzeugung
eines Reformatflusses 14 aus einem Kohlenwasserstofffluss 16 und dem
Verringern des Kohlenmonoxidgehalts (CO) in dem Reformatfluss 14 zur
Verwendung in einem (nicht gezeigten) Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellensystem
dient. Im Sinne der vorliegenden Spezifikation meint der Begriff "Brennstofffluss" sowohl den Kohlenwasserstofffluss 16 als
auch den Reformatfluss 14. Das Prozesswasserkonditionierungssystem 8 stellt
einen oder mehrere Prozesswasserauslassströmungswege 17 für das Brennstoffverarbeitungs-Teilsystem 12 bereit.
Die Anzahl der Auslassströmungswege 17 zu
dem Brennstoffverarbeitungs-Teilsystem 12 kann entsprechend
den Erfordernissen des Brennstoffverarbeitungs-Teilsystems 12 variieren
und kann auch nur ein einziger Auslassströmungsweg 17 sein.
Ein
Paar Wärmetauscher 18 ist
zur Verwendung in dem Brennstoffverarbeitungs-Teilsystem 12 bereitgestellt,
um den Reformatfluss 14 auf einen gewünschten Temperaturbereich zur
Verwendung in der nächsten
Komponente in dem Brennstoffverarbeitungs-Teilsystem 12 zu
kühlen.
Obgleich zwei der Wärmetauscher 18 gezeigt
sind, versteht es sich, dass die Wärmetauscher 18 nicht
voneinander abhängen
und unabhängig
arbeiten können.
Außerdem kann
jede beliebige Anzahl von Wärmetauschern 18 verwendet
werden, so wie es den Erfordernissen des Brennstoffverarbeitungs-Teilsystems 12 entspricht. Beispielsweise
können
einige Teilsysteme 12 einen einzigen Wärmetauscher 18 benötigen, während andere
drei oder mehr Wärmetauscher 18 benötigen.
In
der veranschaulichten Ausführungsform enthält das Brennstoffverarbeitungs-Teilsystem 12 einen
autothermischen Reformer 20. Es werden gängige Verfahren,
die Dampfreformierung und katalytische teilweise Oxidation heißen, zur
Erzeugung des Reformatflusses 14 aus dem Kohlenwasserstofffluss 16 in
dem auto-thermischen Reformer 20 verwendet. Die Reaktionen
bestehen aus einer Oxygenolysereaktion, einer teilweisen Oxidation
und einen Wasser-Gas-Verschiebung [CH4 +
H2O → CO
+ 3 H2, CH4 + ½ O2 → CO
+ 2 H2, CO + H2O → CO2 + H2]. Damit diese
katalytischen Reaktionen stattfinden können, müssen die Reaktionspartner auf
eine erhöhte
Temperatur in der Regel über
500°C gebracht
werden. Wie in der ersten Reaktion gezeigt, wird ein supererhitzter
Dampffluss 22 dafür
verwendet, die Temperaturen der Reaktionspartner, die in den autothermischen
Reformer 20 eintreten, teilweise anzuheben. Wie bei den
meisten Brennstoffverarbeitungs-Teilsystemen
für Brennstoffzellensysteme
muss die benötigte
Wärme zum
Erzeugen und/oder Supererhitzen des Dampfflusses 22 von
einer externen Quelle hinzugefügt
werden, wie beispielsweise einer Heizvorrichtung oder, wie in 1 gezeigt, durch Verbrennen
eines Anodenabgasstromes 26 und Übertragen von Wärme in einem
Wärmetauscher 24 zum Erzeugen
des Dampfflusses 22.
Wie
in den oben angesprochenen Reaktionen gezeigt, wird in dem Reformierungsprozess
CO erzeugt. Das erzeugte CO muss vor dem Eintritt in eine Brennstoffzelle
entfernt werden, weil es die Membran vergiftet, was die Leistung
und die Lebensdauer der Brennstoffzelle mindert. Die in den Reformierungsreaktionen
erzeugte Menge CO richtet sich in hohem Maße nach der Reaktionstemperatur.
Bei höheren
Temperaturen erbringen die Reaktionen mehr Wasserstoffgas, das in
der Brennstoffzelle genutzt werden kann, aber auch mehr giftiges
CO. Um das giftige CO aus dem Reformatfluss 14 zu entfernen,
können
CO-Eliminierungsstufen
verwendet werden.
In
der veranschaulichten Ausführungsform von 1 wird, nachdem der Kohlenwasserstofffluss 16 zur
Erzeugung des Reformatflusses 14 in dem auto-thermischen
Reformer 20 verwendet wurde, der Reformatfluss 14 zu
wenigstens einem Wasser-Gas-Verschiebungsreaktor 28 geleitet.
Die Wasser-Gas-Verschiebung 28 dient dem weiteren Entfernen
von giftigem CO aus dem Reformatfluss 14 und dem Erzeugen
von mehr Wasserstoffgas zur Verwendung in dem Brennstoffzellensystem.
Die Wasser-Gas-Verschiebung 28 erfordert Wasser, wie in der
Wasser-Gas-Verschiebungsreaktion [CO + H2O → CO2 + H2] gezeigt.
Bei Bedarf kann bei der Wasser-Gas-Verschiebung 28 zusätzliches
Wasser hinzugegeben werden, um die Wasser-Gas-Verschiebungsreaktion
aufrecht zu halten. Das zusätzliche Wasser
kann von dem Prozesswasserkonditionierungssystem 8 über Auslassströmungswege 17 kommen.
Außerdem
können
mehrere Wasser-Gas-Verschiebungen 28 und 29 eingesetzt
werden, um die Menge an giftigem CO in dem Reformatfluss 14 weiter
zu verringern, wobei Auslassströmungswege 17 in
dem Umfang Wasser zur Verfügung
stellen, wie es von den Reaktionen benötigt wird.
Selbst
nach mehreren Wasser-Gas-Verschiebungsreaktionen 28 und 29 enthält der Reformatfluss 14 in
der Regel immer noch exzessive Mengen an giftigem CO in dem Reformatfluss 14.
Um noch mehr giftiges CO zu eliminie ren, können zusätzliche Wasserstoffreinigungsvorrichtungen
wie beispielsweise wenigstens ein selektiver Oxidator 30 verwendet
werden. Bei selektiven Oxidationsreaktionen muss dem Reformatfluss 14 in
der Regel eine geringe Menge Luft beigegeben werden, um in dem Maße Sauerstoff
zuzuführen,
wie er von den selektiven Oxidationsreaktion [CO + O2 → CO2] benötigt wird.
Selektive Oxidationsreaktionen erfolgen in der Regel über einem
Edelmetallkatalysator. Damit die katalytische Reaktion erfolgen
kann, muss der Reformatfluss 14 durch den zugehörigen Wärmetauscher 18 auf
einen gewünschten
Temperaturbereich gesenkt werden, um den Wirkungsgrad des Edelmetallkatalysators
zu optimieren. In der Regel erfolgt eine selektive Oxidation in
einem Temperaturbereich von 130°C
bis 180°C.
Eine hocheffiziente selektive Oxidation erfolgt je nach dem Katalysator über einen
viel schmaleren Temperaturbereich hinweg.
Es
können
oft mehrere Einheiten erforderlich sein, um genügend CO aus dem Reformatfluss 14 zu entfernen.
Wie in 1 veranschaulicht,
werden mehrere Wärmetauscher 18 und
mehrere selektive Oxidatoren 30, 31 verwendet,
um CO aus dem Reformatfluss 14 zu entfernen. In der Regel
ist in diesem Prozess die Strömungsrate
des Teils des Prozesswasserflusses im stromaufwärtigen Wärmetauscher 18 (in
Bezug auf den Reformatfluss) viel größer als die Strömungsrate
des Teils des Prozesswasserflusses in dem stromabwärtigen Wärmetauscher 18,
weil die Temperatur des Reformatflusses 14, der in den stromaufwärtigen Wärmetauscher 18 eintritt,
viel höheren
ist als die Temperatur des Reformatflusses 14, der in den
stromabwärtigen
Wärmetauscher 18 eintritt.
Für die
thermische Effizienz des Gesamtsystems ist es bedeutungslos, ob
an einem Wärmetauscher 18 mehr
Wärme entzogen
wird als an einem anderen, weil die Anteile des Prozesswasserflusses
vorzugsweise in das Brennstoffverarbeitungs-Teilsystem 12 zurückgeleitet werden,
wie bei 46 gezeigt, und für den Dampffluss 22 in
dem auto-thermischen Reformer 20 verwendet werden.
In
der Ausführungsform
von 1 werden mehrere
selektive Oxidatoren 30 und 31 verwendet und arbeiten
in voneinander verschiedenen gewünschten
Temperaturbereichen, um giftiges CO zu entfernen, vorzugsweise auf
einen Wert von weniger als 10 ppm in dem Reformatfluss 14.
Anteile des Prozesswasserflusses werden über die Auslassströmungswege 17 zu
jedem der Reformatkühlsysteme 18 geleitet,
um den Reformatfluss 14 auf innerhalb des gewünschten
Temperaturbereichs für
die selektiven Oxidatoren 30 bzw. 31 zu kühlen.
Obgleich
es optimal ist, große
Temperaturgradienten zwischen dem Reformatfluss 14 und
den Anteilen des Prozesswasserflusses von den Auslassströmungswegen 17 zu
haben, ist es wünschenswert,
um die Anteile des Prozesswasserflusses von den Auslassströmungswegen 17 auf
oder über
einer Mindesttemperatur zu halten, ein Kondensieren von Wasser in
dem Reformatfluss 14 zu verhindern. Dieser Aspekt ist notwendig,
weil flüssiges Wasser
den Katalysator deaktiviert, der allgemein in den selektiven Oxidatoren 30 und 31 verwendet
wird. Wenn flüssiges
Wasser mit dem Katalysator, der sich in den selektiven Oxidatoren 30 und 31 befindet,
in Berührung
kommen sollten, so würde
darum die Leistung der CO-Entfernungsreaktionen beeinträchtigt werden.
Um
dabei zu helfen, den gewünschten
Temperaturbereich für
die Anteile des Prozesswasserflusses von den Auslassströmungswegen 17 aufrecht
zu erhalten, werden das Prozesswasserkonditionierungssystem 8 und
das Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet. Ein eingehendere
Darstellung des Prozesswasserkonditionierungssystems 8 ist
in 2 gezeigt.
In
einer bevorzugten Ausführungsform
stelle eine Pro zesswasserquelle 80 einen Zusatzströmungsweg 82 für flüssiges Prozesswasser
zu einer geeigneten Prozesswasserspeicherquelle, wie beispielsweise
einem Prozesswasserspeichertank 84, bereit. Ein Prozesswasserfluss 85 fließt von dem
Prozesswasserspeichertank 84 zu einem Pumpeneinlass 86,
wobei eine Pumpe 88 den Prozesswasserfluss 85 über einen
Pumpenauslass 90 pumpt. Der Prozesswasserfluss 85 fließt von dem
Pumpenauslass 90 zu einem Wasservorwärmvorrichtungseinlass 92 einer
Wasservorwärmvorrichtung 94.
Der Prozesswasserfluss 85 fließt von dem Vorwärmvorrichtungseinlass 92 über einen
Prozesswasserströmungsweg 95,
wo er durch den Reformatfluss 14A, der über einen Reformatflussweg 96 fließt, erwärmt wird.
Der Prozesswasserfluss 85 verlässt dann die Vorwärmvorrichtung 94 über einen
Vorwärmvorrichtungsauslass 97.
Von dem Vorwärmvorrichtungsauslass 97 fließt der Prozesswasserfluss 85 zu
einem Heizvorrichtungseinlass 98 einer Heizvorrichtung 100,
die dem Prozesswasserfluss 85 selektiv Wärme hinzufügt, wenn
die Temperatur des Prozesswasserflusses 85 unter eine gewünschte Mindesttemperatur abfällt. In
dieser Hinsicht ist in einer bevorzugten Ausführungsform ein Temperatursensor 99 vorhanden,
um die Temperatur des Prozesswasserflusses 85 entweder
stromaufwärts
oder stromabwärts
der Heizvorrichtung 100 zu erfassen, um der Heizvorrichtung 100 ein
Temperatursignal zuzusenden, um zu signalisieren, wenn zusätzliche
Wärme für den Prozesswasserfluss 85 benötigt wird.
Alternativ kann die Heizvorrichtung 100 anstelle des Temperatursensors 99 einen
(nicht gezeigten) internen Thermostat enthalten, um die Prozesswassertemperatur
durch selektives Hinzufügen
von Wärme
zu dem Prozesswasserfluss 85 zu regeln. Nach dem Durchfluss
durch die Heizvorrichtung 100 verlässt der Prozesswasserfluss 85 die
Heizvorrichtung 100 über
einen Heizvorrichtungsauslass 102. Von dem Heizvorrichtungsauslass 102 kann
der Prozesswasserfluss 85 in wenigstens einen Teil 101 und
einen Rest 103 aufgeteilt werden. In den Ausführungsformen, die
in den 1 und 2 gezeigt sind, wird der
Prozesswasserfluss 85 über Auslassströmungswege 17 in
fünf Anteile 101 aufgeteilt,
und der Rest 103 wird über
einen Rückflussweg 104 zu
dem Tank 84 zurückgeleitet.
Es versteht sich, dass der Teil 101 des Prozesswasserflusses 85 über einen
Auslassströmungsweg 17,
einen Auslassströmungsweg 17,
der sich weiter in mehrere Auslassströmungswege 17 aufteilt,
oder sogar über
mehrere Auslassströmungswege 17,
die sich weiter in zusätzliche
Auslassströmungswege 17 aufteilen,
zu dem Brennstoffverarbeitungs-Teilsystem 12 geleitet werden
kann. Wie in 2 veranschaulicht,
fließt
der Rest 103 des Prozesswasserflusses 85 vorzugsweise
durch einen Staudruckregler 106, um den Druck der Anteile 101 in
den Auslassströmungswegen 17 auf
einem gewünschten
Wert zu halten. Der Rückflussweg 104 leitet
den Rest 103 des Prozesswasserflusses 85 von dem
Staudruckregler 106 zurück
zu dem Prozesswasserspeichertank 84, wo er mit zusätzlichem
Prozesswasser von der Prozesswasserquelle 80 kombiniert
wird.
Die
Position der Vorwärmvorrichtung 94 relativ
zu dem Reformatfluss 14 kann je nach den Wärmeanforderungen
des Brennstoffverarbeitungs-Teilsystems 12 und dem physischen
Aufbau des Prozesswasserkonditionierungssystems 8 verändert werden.
Wie zum Beispiel in 1 veranschaulicht, befindet
sich die Vorwärmvorrichtung 94 stromabwärts von
dem zweiten selektiven Oxidator 31 relativ zu dem Reformatfluss 14A,
der zur besseren Verständlichkeit
mit 14A bezeichnet wird, wenn er den selektiven Oxidator 31 verlässt. Diese
Position ist für diese
Ausführungsform
optimal. Nach dem selektiven Oxidator 31 fließt der Reformatfluss 14A zu
dem (nicht gezeigten) Brennstoffzellensystem, wofür der Reformatfluss 14A eine
niedrigere Temperatur haben muss als die Temperatur des Reformatflusses 14A, das
den selektiven Oxidator 31 verlässt, weshalb ungeachtet der
Wärmeanforderungen
des Prozesswasserkonditionierungs systems 8 Wärme aus
dem Reformatfluss 14A abgezogen werden muss. Außerdem liegt
die Temperatur des Reformatflusses 14A beim Verlassen des
selektiven Oxidators 31 im Bereich von 130–180°C, was ein
geeigneter Temperaturbereich zum Erwärmen des Prozesswasserflusses 85 ist.
Des Weiteren ist die Position der Vorwärmvorrichtung 94 stromabwärts eines
Katalysators bevorzugt, weil es in der Vorwärmvorrichtung 94 zu
Kondensation kommen kann, wenn die Prozesswasserflusseinlasstemperatur
zur Vorwärmvorrichtung 94 unter
dem Taupunkt des Reformatflusses 14A, der in die Vorwärmvorrichtung 94 einströmt, liegt.
Obgleich 1 eine bevorzugte
Position für
die Vorwärmvorrichtung 94 relativ
zu dem Reformatfluss 14 des Brennstoffverarbeitungs-Teilsystems 12 zeigt,
sind auch andere Positionen möglich.
Zum Beispiel kann sich die Vorwärmvorrichtung 94 vor
oder hinter dem selektiven Oxidator 30, vor oder hinter
einem der Wärmetauscher 18,
vor oder hinter einem der Wasser-Gas-Verschiebungsreaktoren 28 und 29 oder
vor oder hinter dem auto-thermischen Reformer 20 befinden.
Ähnlich wie
bei der Vorwärmvorrichtung 94 kann
die Position der Heizvorrichtung 100 entsprechend den Anforderungen
jedes einzelnen Brennstoffverarbeitungs-Teilsystems 12 und des Prozesswasserkonditionierungssystems 8 verändert werden, oder
sie kann die Vorwärmvorrichtung 94 ganz
und gar ersetzen. Wie in 2 veranschaulicht,
befindet sich die Heizvorrichtung 100 unmittelbar stromabwärts von
der Vorwärmvorrichtung 94,
aber die Heizvorrichtung 100 könnte sich auch stromaufwärts von der
Vorwärmvorrichtung 94 oder
hinter beliebigen anderen (nicht gezeigten) Einheiten befinden,
solange die Heizvorrichtung 100 zwischen dem Tank 84 und den
Auslassströmungswegen 17 angeordnet
ist. Vorzugsweise braucht die Heizvorrichtung 100 unter normalen
stabilen Betriebsbedingungen dem Prozesswasserfluss 85 keine
Wärme hinzuzufügen, und der
Reformatfluss 14A überträgt genügend Wärme in der
Vorwärmvorrichtung 94, um
den Prozesswasserfluss 85 bei oder über der gewünschten Mindesttemperatur zu
halten. Somit muss in der bevorzugten Ausführungsform die Heizvorrichtung 100 dem
Prozesswasserfluss 85 zusätzliche Wärme nur unter instabilen Betriebsbedingungen
hinzuzufügen.
Zu solchen instabilen Bedingungen gehört zum Beispiel, wenn das Brennstoffverarbeitungs-Teilsystem 12 zu Beginn
gestartet wird und wenn das Brennstoffverarbeitungs-Teilsystem 12 zwischen
einer höheren
Lasteinstellung und einer niedrigeren Lasteinstellung wechselt.
Außerdem ist
der Staudruckregler 106 lediglich ein Beispiel für Druckregelmittel,
die in der Lage sind, den Teil 101 des Prozesswasserflusses 85 mit einem
gewünschten
Druck zu versehen. Bei dem Staudruckregler 106 kann es
sich um eine beliebige, einschlägig
bekannte geeignete Vorrichtung handeln, die in der Lage ist, den
Teil 101 des Prozesswasserflusses 85 mit einem
gewünschten
Druck zu versehen. Obgleich der Staudruckregler 106 in 2 stromabwärts der
Auslassströmungswege 17 dargestellt
ist, kann des Weiteren die Position des Staudruckreglers 106 ebenfalls
entsprechend den Anforderungen jedes einzelnen Brennstoffverarbeitungs-Teilsystems 12 und
des Prozesswasserkonditionierungssystems 8 verändert werden.
In
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verleiht die Pumpe 88 dem Prozesswasserfluss 85 eine
gewünschte
Strömungsrate,
bei der es sich vorzugsweise um eine konstante Strömungsrate
handelt, wobei die Pumpe 88 eine Konstantförderpumpe
ist. In dieser Ausführungsform
ist unter normalen Betriebsbedingungen die konstante Strömungsrate
größer als
die kombinierten Strömungsraten über die
Auslassströmungswege 17,
wodurch gewährleistet
wird, dass der Rest 103 des Prozesswasserflusses 85 über den
Rückflussweg 104 geleitet werden
kann. Während
des Betriebes des Prozesswasserkonditionierungssystems 8 können die
Erfordernisse der Auslassströmungswege 17 schwanken. Um
schwankende Strömungsraten
auszugleichen, schwankt die Strömungsrate
des Rests 103 des Prozesswasserflusses 85 entsprechend.
Zum Beispiel nimmt mit zunehmender Gesamtströmungsrate der Anteile 101 die
Strömungsrate
des Rests 103 des Prozesswasserflusses 85 um eine
entsprechende Menge ab, weil die Pumpe 88 den Prozesswasserfluss 85 mit
einer konstanten Strömungsrate
abgibt. Es versteht sich, dass die Pumpe 88 den Prozesswasserfluss 85 mit
jeder beliebigen geeigneten Strömungsrate
erzeugen kann, die größer ist
als die kombinierte Strömungsrate,
die von den Auslassströmungswegen 17 unter
normalen Betriebsbedingungen benötigt
wird. Es versteht sich, dass es bei einigen Anwendungen wünschenswert
sein kann, dass die Strömungsrate,
die durch die Pumpe 88 erzeugt wird, nicht konstant ist
und sich mit wechselnden Anforderungen des Brennstoffverarbeitungs-Teilsystems 12 hinsichtlich
des Prozesswasserflusses 85 ebenfalls ändert.
In
dem Maße,
wie der Teil 101 des Prozesswasserflusses 85 in
dem Brennstoffverarbeitungs-Teilsystem 12 über die
Auslassströmungswege 17 verwendet
wird, muss dem Prozesswasserkonditionierungssystem 8 zusätzliches
Prozesswasser hinzugefügt
werden. Zusätzliches
Prozesswasser wird dem Prozesswasserspeichertank 84 von
der Prozesswasserquelle 80 über den Zusatzströmungsweg 82 hinzugefügt. Bei
der Prozesswasserquelle 80 handelt es sich um eine beliebige
Prozesswasserquelle, die in der Lage ist, genügend Prozesswasser zu liefern,
um den benötigten
Prozesswasserfluss 85 zu dem unter Volllast arbeitenden
Brennstoffverarbeitungs-Teilsystem 12 aufrecht zu erhalten.
Vorzugsweise ist die Temperatur dieses Zusatz-Prozesswasserflusses über den
Strömungsweg 82 niedriger
als die gewünschte
Mindesttemperatur des Prozesswasserflusses 85, das zu den
Auslassströmungswegen 17 geleitet
wird. Zu geeigneten Prozesswasserquellen können gehören: ein Umlauffluss von dem Brennstoffzellensystem,
eine Wasserleitung, jede sonstige geeignete Kühlmittelquelle oder eine Kombination daraus.
Wenden
wir uns wieder 1 zu,
wo gezeigt ist, dass zwei Auslassströmungswege 17 Anteile 101 des
Prozesswasserflusses 85 zu zwei Wärmetauschern 18 leiten.
Wie zuvor besprochen, wird der Teil 101 des Prozesswasserflusses 85,
der den Wärmetauschern 18 zugeleitet
wird, erwärmt,
um den Teil 101 bei oder über einer Mindesttemperatur
zu halten, um zu verhindern, dass der Reformatfluss 14 kondensiert
und dadurch den Katalysator in den selektiven Oxidatoren 30 und 31 deaktiviert.
Es ist darum wünschenswert,
die Mindesttemperatur auf die – oder
nahe der – Taupunkttemperatur
des Wassers in dem Reformatfluss 14 einzustellen, um örtliche
Kältepunkte
in den Wärmetauschern 18,
die zu einem Kondensieren des Wassers in dem Reformatfluss 14 führen können, zu
verhindern oder zu verringern. In besonders bevorzugten Ausführungsformen
wird die Mindesttemperatur auf nicht viel weniger als den Taupunkt
des Reformatflusses 14 in der Komponente, wie beispielsweise
dem selektiven Oxidator 30, eingestellt, die den Teil 101 des
Prozesswasserflusses 85 erhält. Wie oben besprochen, kann
flüssiges
Wasser den Katalysator, der in den selektiven Oxidatoren 30 und 31 verwendet
wird, deaktivieren. Außerdem ist
es auch erwünscht,
den Prozesswasserfluss 85 auf einer genügend niedrigen Temperatur zu
halten, um effektiv Wärme
aus dem Reformatfluss 14 abzuziehen. Wenn der Temperaturgradient
zwischen dem Reformatfluss 14 und den Anteilen 101 des
Prozesswasserflusses 85 in den Wärmetauschern 18 nicht groß genug
ist, so kann es sein, dass der Reformatfluss 14 vor dem
Verlassen der Wärmetauscher 18 nicht
genügend
gekühlt
wird. Wenn der Reformatfluss 14 nicht genügend gekühlt wird,
so kann es sein, dass die selektiven Oxidatoren nicht in der Lage sind,
effizient CO aus dem Reformatfluss 14 zu entfernen, weil
der Katalysator für
ausgewählte
Tempe raturbereiche optimiert ist. Darum ist es bei der in den 1 und 2 veranschaulichten Ausführungsform nicht
nur erwünscht,
den Prozesswasserfluss 85 bei oder über einer Mindesttemperatur
zu halten, sondern auch, den Prozesswasserfluss 85 nicht
zu überhitzen,
wodurch Wärme
vergeudet wird. In besonders bevorzugten Ausführungsformen zieht die Vorwärmvorrichtung 94 genügend Wärme aus
dem Reformatfluss 14A ab, um zu gewährleisten, dass eine PAM-Brennstoffzelle,
sofern eine solche verwendet wird, nicht durch den Reformatfluss 14A infolge
zu hoher Temperaturen beschädigt
wird. Darum dient in diesen besonders bevorzugten Ausführungsformen die
Vorwärmvorrichtung 94 dem
doppelten Zweck des Erwärmens
des Prozesswasserflusses 85 und des Kühlens des Reformatflusses 14A auf
eine geeignete Temperatur zur Verwendung in einer PAM-Brennstoffzelle,
wobei das Kühlen
des Reformatflusses 14A für das Gesamtsystem möglicherweise
von größerer Bedeutung
ist als das Vorwärmen des
Prozesswasserflusses 85, so dass die Vorwärmvorrichtung 94 anhand
der Kühlanforderungen
für den
Reformatfluss 14A konstruiert werden kann.
In 3 sind eine Kurvendarstellung
der Temperaturprofile des Prozesswasserflusses 85, des Reformatflusses 14A und
des Reformattaupunktes gemäß einer
Simulation durch ein Computermodell einer bevorzugten Form des Systems 8 veranschaulicht.
Die Simulation nimmt an, dass die Temperatur des Zusatzprozesswasserflusses über den
Zusatzströmungsweg 82 45°C beträgt, dass
die Massenströmungsrate
des Prozesswasserflusses 85 26,7 g/s bei Volllast und 10
% Last beträgt,
dass die Massenströmungsrate
für alle
Anteile 101 zusammen 20,7 g/s bei Volllast und 2 g/s bei
2 % Last beträgt, dass
die Massenströmungsrate
des Reformats 55,5 g/s bei Volllast und 5,55 g/s bei 10 % Last beträgt, dass
sich das Brennstoffzellensystem bei t = 0 Sekunden in einem stabilen
Betriebszustand bei Volllast befindet, dass die Flüsse und
die Reformattemperatur bei t = 200 Sekunden auf ihre 10 %-igen Lastwerte reduziert
sind, wobei angenommen wird, dass sich der übrige Teil des Brennstoffverarbeitungssystems spontan ändert, und
dass die Flüsse
und die Reformattemperaturen bei t = 2000 Sekunden in ihre Volllastzustände zurückkehren,
wobei auch hier wieder angenommen wird, dass sich der übrige Teil
des Brennstoffverarbeitungssystems spontan ändert. Das Temperaturprofil
des Prozesswasserflusses 85 vor dem Eintreten in die Vorwärmvorrichtung 94 ist durch
die Linie A veranschaulicht, d. h. die Temperatur des Prozesswassers
im Tank 84. Das Temperaturprofil des Prozesswasserflusses 85 nach
dem Verlassen der Heizvorrichtung 100 ist durch die Linie
B veranschaulicht. Die Linie C stellt das Temperaturprofil des Reformatflusses 14A vor
dem Eintreten in die Vorwärmvorrichtung 94 dar,
und die Linie D stellt das Temperaturprofil des Reformatflusses 14A unmittelbar
nach dem Verlassen der Vorwärmvorrichtung 94 dar.
Das Reformattaupunkttemperaturprofil (der Taupunkt von Wasser in
dem Reformatfluss 14A) ist durch die Linie E veranschaulicht.
Oben in 3 ist die Betriebslast
des Brennstoffverarbeitungs-Teilsystems 12 entweder als
Volllast oder als 10 % Last über
den angegebenen Zeiträumen
angezeigt.
Wie
in 3 veranschaulicht,
arbeitet das Brennstoffverarbeitungs-Teilsystem 12 während des Zeitraums
t1 unter Volllast. Für diese Ausführungsform
ist die Heizvorrichtung 100 dafür konfiguriert, dem Prozesswasserfluss 85 Wärme hinzuzufügen, sobald
die Temperatur TB des Prozesswasserflusses 85,
der die Heizvorrichtung 100 verlässt, unter 80°C liegt.
Während
des Betriebes unter Volllast liegt die Temperatur des Prozesswasserflusses 85 nach
dem Verlassen der Heizvorrichtung 100 über der Mindesttemperatur von
80°C, weshalb
an der Heizvorrichtung 100 keine Wärme hinzugefügt wird.
Dies zeigt an, dass der Reformatfluss 14A genügend Wärme zu dem
Prozesswasserfluss 85 in der Vorwärmvorrichtung 94 überträgt, um den
Prozesswasser fluss 85 bei oder über der Mindesttemperatur zu
halten.
Bei
t = 200 Sekunden wechselt das Brennstoffverarbeitungs-Teilsystem 12 vom
Betrieb unter Volllast zum Betrieb unter 10 % Last. Die Temperatur des
Reformatflusses 14A, der in die Vorwärmvorrichtung 94 eintritt
(Linie C) und aus der Vorwärmvorrichtung 94 austritt
(Linie D), sinkt sofort deutlich. Darum fällt die Temperatur TB des Prozesswasserflusses 85, der
aus der Heizvorrichtung 100 austritt, aufgrund des Sinkens
der Temperatur des Reformatflusses 14A und somit des Absinkens
der Wärme,
die in der Vorwärmvorrichtung 94 von
dem Reformatfluss 14A zu dem Prozesswasserfluss 85 übertragen
wird. Sofort erkennt die Heizvorrichtung 100, dass die
Temperatur TB des Prozesswasserflusses 85,
der aus der Vorwärmvorrichtung 94 austritt,
unter die Mindesttemperatur (80°C)
abgefallen ist, und die Heizvorrichtung 100 beginnt mit
dem Hinzufügen
von Wärme
zu dem Prozesswasserfluss 85. Während des Zeitraums t2 fügt
die Heizvorrichtung 100 dem Prozesswasserfluss 85 Wärme hinzu,
bis die Temperatur TB des Prozesswasserflusses 85,
der aus der Heizvorrichtung 100 austritt, über der
Mindesttemperatur liegt, woraufhin die Heizvorrichtung 100 deaktiviert wird
und keine Wärme
mehr hinzufügt.
Wie
in 3 gezeigt, ist, wenn
das Brennstoffverarbeitungs-Teilsystem 12 die Betriebslast ändert, die Änderung
der Temperatur ΔTC des Reformatflusses 14A, der in
die Vorwärmvorrichtung 94 eintritt,
nicht so groß wie
die Änderung
der Temperatur ΔTD des Reformatflusses 14A, der aus
der Vorwärmvorrichtung 94 austritt.
Das liegt daran, dass die Strömungsrate
des Reformatflusses 14A aufgrund der geringeren Betriebslast
deutlich gesunken ist (ungefähr
eine Größenordnung).
Unter der geringeren Betriebslast braucht das Brennstoffverarbeitungs-Teilsystem 12 keine
so große
Strömungsrate des
Reformatflusses 14A wie unter höheren Lastzuständen zu
erzeugen. Darum nimmt die Menge der Wärme, die durch den Reformatfluss 14A transportiert
wird, unter geringeren Lastzuständen
ab. Die geringere Strömungsrate
und damit die geringere Wärmemenge
wird immer noch dazu verwendet, die gleiche Menge Prozesswasserfluss 85 in
der Vorwärmvorrichtung 94 zu
erwärmen,
weil die Pumpe 88 eine konstante Strömungsrate des Prozesswasserflusses 85 abgibt.
Darum ist die Änderung
der Temperatur ΔTD des Reformatflusses 14, der aus
der Vorwärmvorrichtung 94 austritt,
größer als
die Änderung
der Temperatur ΔTC des Reformatflusses 14, der in
die Vorwärmvorrichtung 94 eintritt.
Außerdem nimmt,
wie in 3 angedeutet, während des
Zeitraums t2 die Temperatur TB des
Prozesswasserflusses 85, der aus der Heizvorrichtung 100 austritt,
zu, weil die Heizvorrichtung 100 dem Prozesswasserfluss 85 Wärme hinzufügt. Unter
10 % Last braucht das Brennstoffverarbeitungs-Teilsystem 12 keinen
so großen
Teil 101 des Prozesswasserflusses 85, weshalb
der Teil 101 des Prozesswasserflusses 85, der über die
Auslassströmungswege 17 fließt, im Vergleich
zum Betrieb unter Volllast deutlich abnimmt (ungefähr eine
Größenordnung).
In der veranschaulichten Ausführungsform
liefert die Pumpe 88 den Prozesswasserfluss 85 mit
einer konstanten Strömungsrate,
weshalb die Strömungsrate
des Rests 103 des Prozesswasserflusses 85 aufgrund des
weniger gewordenen Teils 101 des Prozesswasserflusses 85 während t2 und t3 (10 % Last)
zunimmt. Weil eine größere Menge
des Prozesswasserflusses 85 zum Speichertank 84 als
ein Rest 103 über
den Rückflussweg 104 zurückkehrt,
wird eine geringere Menge des Prozesswasserflusses 85 von
der Prozesswasserquelle 80 benötigt. Darum steigt die Temperatur
TA des Prozesswasserflusses 85 in
dem Tank 84 relativ rasch, wenn die Heizvorrichtung 100 Wärme hinzufügt. Infolge
dessen steigt (während
t2) die Temperatur TD des
Reformatflusses 14A, der aus der Vorwärmvorrichtung 94 austritt,
weil weniger Wärme zu
dem Prozesswasserfluss 85 übertragen wird, wenn die Tempe ratur
TA des Prozesswasserflusses 85,
der in die Vorwärmvorrichtung
eintritt, zunimmt.
Sobald
die Temperatur TB des Prozesswasserflusses 85,
der aus der Heizvorrichtung 100 austritt, über der
Mindesttemperatur liegt, beendet die Heizvorrichtung 100 das
Zuführen
von Wärme
zu dem Prozesswasserfluss 85. Wie in 3 gezeigt, schließt die Heizvorrichtung 100 bei
ungefähr
t = 390 Sekunden. Während
des Zeitraums t3 arbeitet das Brennstoffverarbeitungs-Teilsystem 12 weiter
unter 10 % Last. Die Heizvorrichtung 100 liefert während dieses
Zeitraums keine Wärme
mehr, weil der Reformatfluss 14, der in die Vorwärmvorrichtung 94 eintritt, genügend Wärme liefert,
um den Prozesswasserfluss 85 über der Mindesttemperatur zu
halten.
Wie
in 3 zu sehen, ist die Änderung
der Temperatur ΔTR1 des Reformatflusses 14A, während er
sich in der Vorwärmvorrichtung 94 befindet,
von der gleichen Größenordnung
wie ΔTC1 des Prozesswasserflusses, während er
sich in der Vorwärmvorrichtung 94 befindet.
Sehen wir uns Zeitraum t3 an, wo die Änderung
der Temperatur ΔTR3 des Reformatflusses 14A, während er
sich in der Vorwärmvorrichtung 94 befindet,
deutlich größer ist
als ΔTC3 des Prozesswasserflusses, während er
sich in der Vorwärmvorrichtung 94 befindet.
Das liegt daran, dass das Verhältnis
der Strömungsrate
des Reformatflusses 14A zu der Strömungsrate des Prozesswasserflusses 85 im
Vergleich von Volllast zu 10 % Last deutlich geringer geworden ist.
Bei
ungefähr
t = 2000 Sekunden wird das Brennstoffverarbeitungs-Teilsystem 12 wieder
unter volle Betriebslast gesetzt. Wie in 3 zu sehen, steigt die Temperatur des
Reformatflusses 14A, der in die Vorwärmvorrichtung 94 eintritt
(TC) und aus der Vorwärmvorrichtung 94 austritt
(TD), rasch und nimmt stabile Tempera turzustände an,
wenn die Strömungsrate
des Reformatflusses 14A mit dem Lastwechsel größer wird.
Die Temperatur TB des Prozesswasserflusses 85,
der aus der Heizvorrichtung 100 austritt, steigt ebenfalls
rasch für
einen kurzen Zeitraum, wenn die Temperaturen des Reformatflusses 14A steigen,
aber fällt
auf einen stabilen Temperaturzustand über der Mindesttemperatur ab,
wenn die Temperatur TA des Prozesswasserflusses 85,
der in die Vorwärmvorrichtung 94 eintritt,
abnimmt. Zu dem drastischen Abfall der Temperatur TA des
Prozesswasserflusses 85, der in die Vorwärmvorrichtung 94 eintritt,
kommt es aufgrund der Änderung
der Strömungsraten
des Teils 101 des Prozesswasserflusses 85, der über die
Auslassströmungswege 17 zu
dem Brennstoffverarbeitungs-Teilsystem 12 fließt, und des
Rests 103 des Prozesswasserflusses 85, der über den
Rückflussweg 104 zu
dem Speichertank 80 fließt. Wenn die Pumpe 88 eine
konstante Strömungsrate
des Prozesswasserflusses 85 fördert, benötigt das Brennstoffverarbeitungs-Teilsystem 12 eine
größere Strömungsrate
des Teils 101 des Prozesswasserflusses 85, was
zu einer gleich großen Abnahme
der Strömungsrate
des Rests 103 des Prozesswasserflusses 85 zu dem
Speichertank 84 führt. Wenn
die Temperatur TB des Rests 103 des
Prozesswasserflusses 85, der zu dem Speichertank 88 fließt, während verschiedener
Lastzustände
(d. h. Volllast – 10
% Last, wie in 3 gezeigt)
auf ungefähr
der gleichen Temperatur bleibt, so sinkt die Temperatur TA des Prozesswasserflusses 85, der
in die Vorwärmvorrichtung 94 eintritt,
unter höheren
Lastzuständen aufgrund
der Zunahme der Strömungsrate
des Zusatzprozesswassers von der Speicherquelle 80 (solange
die Temperatur des Prozesswassers, das von der Speicherquelle 80 her
eintritt, geringer ist als die Temperatur TB des
Rests 103 des Prozesswasserflusses 85).
Man
kann also sehen, dass das Prozesswasserkonditionierungssystem 8 in
seinen bevorzugten Formen so konzi piert ist, dass es genügend Wärme aus
dem Reformatfluss 14A zu dem Prozesswasserfluss 85 überträgt, um die
Mindesttemperatur aufrecht zu erhalten, ohne zusätzliche Wärme von der Heizvorrichtung 100 nutzen
zu müssen,
während
das Brennstoffverarbeitungssystem 12 unter stabilen Lastzuständen arbeitet,
und dass das Prozesswasserkonditionierungssystem 8 des
Weiteren so konzipiert ist, dass es dem Prozesswasserfluss 85 unter Übergangszuständen des
Brennstoffverarbeitungs-Teilsystems 12 selektiv Wärme über die
Heizvorrichtung 100 hinzufügt, um die Mindesttemperatur des
Prozesswasser 85 zu erreichen.
Das
Prozesswasserkonditionierungssystem 8 der vorliegenden
Erfindung ist zum dynamischen Betrieb befähigt, um sich an die verschiedenen Lastanforderungen
anzupassen, denen das Brennstoffverarbeitungs-Teilsystem 12 unterworfen
ist. Obgleich die Strömungsrate
des Reformatflusses 14A drastisch abfallen kann, ist das
Prozesswasserkonditionierungssystem 8 in der Lage, die
Temperatur des Prozesswasserflusses 85 über die Heizvorrichtung 100 zu
justieren, um die Mindesttemperatur zu erreichen. Überdies
wird der Rest 103 des Prozesswasserflusses 85 über den
Rückflussweg 104 zurückgeführt, um
die hinzugefügte
Wärme effektiv
innerhalb des Prozesswasserkonditionierungssystems 8 zu halten,
anstatt die Wärme
zu vergeuden, wenn sich die Flussanforderungen in dem Brennstoffverarbeitungs-Teilsystem 12 ändern.
Eine
besonders bevorzugte Ausführungsform
für die
Vorwärmvorrichtung 94 ist
in 4 gezeigt. In dieser
bevorzugten Ausführungsform
ist die Vorwärmvorrichtung
ein zweireihiger Querstromwärmetauscher
mit mehreren parallelen Röhren 120,
die den Strömungsweg 95 für den Prozesswasserfluss 85 durch
den Wärmetauscher 94 von
einem zylindrischen Einlasskopfstück 122 zu einem zylindrischen Auslasskopfstück 124 definieren.
Schlan genformrippen 126 erstrecken sich zwischen jeder
der Röhren 120 und
definieren den Strömungsweg 96 für den Reformatfluss 14A über die
Außenseite
der Röhren 120 durch
den Wärmetauscher 94.
Jede des Röhren 120 hat
ein Paar Stege 130, die durch ein Krümmungsstück 132 über ein
Paar 90°-Windungen 134 in
der Röhre 120 verbunden
sind. Aufgrund der relativ niedrigen Strömungsrate des Prozesswasserflusses 85,
der normalerweise bei dem Wärmetauscher 94 ankommt,
kann es schwierig werden, den Prozesswasserfluss 85 gleichmäßig über die
mehreren parallelen Röhren 120 zu
verteilen. In dieser Hinsicht ist es zweckmäßig, Durchflusskanäle mit sehr
kleinem hydraulischen Durchmesser (ungefähr 810 μm) zu verwenden. Darum ist in
der besonders bevorzugten Form jede der Röhren 120 ein extrudiertes
Aluminiumrohr mit vier kreisförmigen
Kanälen
von eben dieser Größe, die
gleichmäßig entlang
der Hauptachse der Röhre
verteilt sind. Diese kleinen Durchflusskanäle ermöglichen einen ausreichenden
Druckabfall entlang jedem der parallelen Kanäle, um eine gleichmäßige Verteilung
des Prozesswasserflusses 85 zu erzwingen, während gleichzeitig
die Strömungsgeschwindigkeit
innerhalb der Röhre
unter den Werten gehalten wird, bei denen Röhrenerosion zu einem Problem
werden könnte.
Außerdem
ermöglichen
die kleinen Durchflusskanäle
einen kleinen Kerndurchmesser jeder Röhre 120, wodurch eine
große
Oberfläche
auf der Reformatseite des Wärmetauschers 94 entsteht,
was eine überaus
kompakte Bauweise ermöglicht.
Obgleich 4 eine besonders bevorzugte Ausführungsform
für den
Wärmetauscher 94 zeigt, versteht
es sich, dass jeder geeignete Wärmetauscher
als Wärmetauscher 94 verwendet
werden kann und dass in einigen Anwendungen auch andere Typen und
Bauweisen für
den Wärmetauscher 94 zweckmäßig sein
können.
Dementsprechend ist keine Beschränkung
der in 4 gezeigten Bauweise beabsichtigt,
sofern in den Ansprüchen
nicht ausdrücklich
etwas anderes ausgesagt ist.
Es
versteht sich, dass, obgleich das Kühlmittelkonditionierungssystem 8 im
vorliegenden Text in Verbindung mit einem Brennstoffverarbeitungs-Teilsystem 12 beschrieben
ist, das sich besonders vorteilhaft für ein Brennstoffzellensystem
und insbesondere für
Brennstoffzellensysteme vom Protonenaustauschmembran-Typ eignet,
das Kühlmittelkonditionierungssystem 8 in
einer beliebigen Anzahl von Brennstoffverarbeitungs-Teilsystemen
verwendet werden kann, einschließlich Brennstoffverarbeitungs-Teilsystemen,
die nicht speziell zur Verwendung mit einem Brennstoffzellensystem
oder einem Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellensystem vorgesehen
sind. Zum Beispiel kann das Kühlmittelkonditionierungssystem 8 in
Verbindung mit einem Brennstoffverarbeitungssystem verwendet werden,
dessen Hauptfunktion darin besteht, Wasserstoff zur Verwendung in
einer Wasserstoffzufuhrstation zu erzeugen. Dementsprechend ist
keine Beschränkung
auf eine Verwendung mit Brennstoffzellensystemen beabsichtigt, sofern
in den Ansprüchen nicht
ausdrücklich
etwas anderes ausgesagt ist.
Zusammenfassung
Die
Erfindung betrifft ein Kühlmittelkonditionierungssystem
(8) zum Zuführen
eines Kühlmittels zu
wenigstens einem Brennstoffverarbeitungs-Teilsystem (12),
wobei das Kühlmittelkonditionierungssystem
Folgendes aufweist: einen Kühlmittelspeichertank
(84);
eine Pumpe (88) zum Erzeugen eines
Kühlmittelflusses
(85), wobei die Pumpe einen Pumpeneinlass (86) und
einen Pumpenauslass (90) enthält;
wenigstens eine Kühlmittelvorwärmvorrichtung
(94), die mit einem Reformatfluss (14) verbunden
ist, um Wärme
von dem Reformatfluss (14) zu dem Kühlmittelfluss (85)
zu übertragen,
wobei die wenigstens eine Kühlmittelvorwärmvorrichtung
(94) einen Kühlmitteleunlass
(92) enthält,
der mit dem Pumpenauslass (90) und einem Kühlmittelauslass
(97) verbunden ist;
eine Heizvorrichtung (100),
die mit dem Kühlmittelauslass
(97) verbunden ist, um dem Kühlmittelfluss selektiv Wärme hinzuzufügen, wenn
die Temperatur des Kühlmittelflusses
(85) am Kühlmittelauslass
(97) unter eine Mindesttemperatur abfällt, wobei die Heizvorrichtung
(100) einen Heizvorrichtungseinlass (98) für das Kühlmittel
und einen Heizvorrichtungsauslass (102) für das Kühlmittel
enthält;
wenigstens
einen Auslassströmungsweg
(17), um einen Teil des Kühlmittelflusses von dem Heizvorrichtungsauslass
(102) zu dem wenigstens einen Brennstoffverarbeitungs-Teilsystem
(12) zu leiten; und
einen Rückflussweg, um einen Rest (103)
des Kühlmittelflusses
(85) von dem Heizvorrichtungsauslass (102) zu
dem Speichertank (84) zurückzuführen.