DE102006020097A1

DE102006020097A1 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben

Info

Publication number: DE102006020097A1
Application number: DE102006020097A
Authority: DE
Inventors: Todd M. Racine Bandhauer; Michael J. Franklin Reinke; Jeroen Muskego Valensa
Original assignee: Modine Manufacturing Co
Current assignee: Bloom Energy Corp
Priority date: 2005-05-09
Filing date: 2006-04-29
Publication date: 2006-11-16
Anticipated expiration: 2026-04-30
Also published as: BRPI0601582A; FR2894390A1; US7858256B2; AU2006201407A1; JP2006318908A; DE102006020097B4; FR2894390B1; CN1862864A; US20060251940A1; CN1862864B

Abstract

Es wird ein Brennstoffzellensystem (1) bereitgestellt, und es enthält einen Brennstoffzellenstack (3) und eine Wärmeübertragungseinrichtung (5), ausgelegt zur Übertragung von Wärme von einer Kathodenabgasströmung des Brennstoffzellenstacks (3) zu Wasser, das zu einer Brennstoffeinlaßströmung geschickt werden soll.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Brennstoffzellen und insbesondere Hochtemperaturbrennstoffzellensysteme und ihren Betrieb.

Brennstoffzellen sind elektrochemische Einrichtungen, die in Brennstoffen gespeicherte Energie mit hoher Effizienz in elektrische Energie umwandeln können. Zu Hochtemperaturbrennstoffzellen zählen Festoxid- und Schmelzcarbonat-Brennstoffzellen (SOFC, MCFC). Diese Brennstoffzellen können unter Verwendung von Wasserstoff- und/oder Kohlenwasserstoffbrennstoffen arbeiten. Es gibt Klassen von Brennstoffzellen wie etwa die regenerativen Brennstoffzellen mit festem Oxid, die auch einen umgekehrten Betrieb gestatten, so daß der oxidierte Brennstoff unter Verwendung von elektrischer Energie als Eingabe zu nichtoxidiertem Brennstoff zurück reduziert werden kann.

Bei einem Hochtemperaturbrennstoffzellensystem wie etwa dem SOFC-System (solid oxide fuel cell) wird ein oxidierender Fluß durch die Kathodenseite der Brennstoffzelle geschickt, während ein Brennstofffluß durch die Anodenseite der Brennstoffzelle geschickt wird. Der oxidierende Fluß ist in der Regel Luft, während der Brennstofffluß in der Regel ein durch Reformieren einer Kohlenwasserstoffbrennstoffquelle erzeugtes wasserstoffreiches Gas ist. Die Brennstoffzelle, die bei einer typischen Temperatur zwischen 750°C und 950°C arbeitet, ermöglicht den Transport negativ geladener Sauerstoffionen von der Kathodenflußströmung zu der Anodenflußströmung, während sich das Ion mit entweder freiem Wasserstoff oder Wasserstoff in einem Kohlenwasserstoffmolekül unter Bildung von Wasserdampf und/oder mit Kohlenmonoxid unter Bildung von Kohlendioxid ver bindet. Die überschüssigen Elektronen von dem negativ geladenen Ion werden zur Kathodenseite der Brennstoffzelle durch einen elektrischen Kreis zurückgeführt, der zwischen Anode und Kathode geschlossen ist, was zu einem elektrischen Stromfluß durch den Kreis führt.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt und enthält einen Brennstoffzellenstack und eine Wärmeübertragungseinrichtung, die dafür ausgelegt ist, Wärme von einer Kathodenabgasströmung des Brennstoffzellenstacks zu Wasser zur Lieferung an eine Brennstoffeinlaßströmung zu übertragen.

In einem Aspekt enthält die Wärmeübertragungseinrichtung einen Wasserverdampfer, der dafür ausgelegt ist, flüssiges Wasser in Dampf umzuwandeln. Der Verdampfer enthält einen ersten Eingang, der im Betrieb mit einem Kathodenabgasauslaß des Brennstoffzellenstacks verbunden ist, einen zweiten Eingang, der im Betrieb mit einer Wasserquelle verbunden ist, und einen ersten Ausgang, der im Betrieb mit einem Brennstoffeinlaß des Brennstoffzellenstacks verbunden ist.

In einem weiteren Aspekt enthält das System weiterhin einen Brennstoffvorerhitzer-Wärmetauscher, der folgendes enthält: einen ersten Eingang, der im Betrieb mit einem Kathodenabgasauslaß des Brennstoffzellenstacks verbunden ist, einen zweiten Eingang, der im Betrieb mit einer Brennstoffquelle verbunden ist, und einen ersten Ausgang, der im Betrieb mit einem Brennstoffzellenstack verbunden ist.

In noch einem weiteren Aspekt ist der Brennstoffvorerhitzer-Wärmetauscher dafür ausgelegt, Wärme von dem Kathodenabgasströmung des Brennstoffzellenstacks zu der zu dem Brennstoffzellenstack zugeführten Brennstoffeinlaßströmung zu übertragen.

Als weiterer Aspekt enthält der Verdampfer einen Gleichstromverdampfer, in dem die Kathodenabgasströmung und das Wasser dafür ausgelegt sind, in eine gleiche Richtung zu fließen, und ein Ausgang des Verdampfers im Betrieb mit einem Einlaß des Brennstoffvorerhitzer-Wärmetauschers so verbunden ist, daß die Kathodenabgasströmung von dem Verdampfer in den Brennstoffvorerhitzer-Wärmetauscher fließt.

Gemäß einem Aspekt enthält das System weiterhin einen Luftvorerhitzer, der dafür ausgelegt ist, eine Lufteinlaßströmung unter Verwendung von Wärme von einer Anodenabgasströmung vorzuerwärmen.

In einem weiteren Aspekt ist der Luftvorerhitzer dafür ausgelegt, den Wasserdampf in der Anodenabgasströmung teilweise zu kondensieren, bevor die Anodenabgasströmung in einen Kondensator eintritt.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung enthält ein Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstack, ein erstes Mittel zum Verdampfen von Wasser zu Dampf unter Verwendung von Wärme von einer Brennstoffzellenstack-Kathodenabgasströmung und ein zweites Mittel zum Liefern des Dampfs in eine in den Brennstoffzellenstack gelenkte Brennstoffeinlaßströmung.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems. Das Verfahren beinhaltet die folgenden Schritte: Betreiben eines Brennstoffzellenstacks zum Erzeugen von Elektrizität, Verdampfen von Wasser zu Dampf unter Verwendung von Wärme von einer Brennstoffzellenstack-Kathodenabgasströmung und Liefern des Dampfs in eine in den Brennstoffzellenstack gelenkten Brennstoffeinlaßströmung.

Gemäß einem Aspekt beinhaltet das Verfahren weiterhin den Schritt des Erwärmens einer Lufteinlaßströmung unter Verwendung der Kathodenabgasströmung vor dem Verdampfen des Wassers.

In einem weiteren Aspekt beinhaltet das Verfahren weiterhin das Erwärmen der Lufteinlaßströmung unter Verwendung einer Brennstoffzellenstack-Anodenabgasströmung vor dem Erwärmen der Lufteinlaßströmung unter Verwendung der Kathodenabgasströmung.

Bei einem weiteren Aspekt beinhaltet das Verfahren weiterhin den Schritt des teilweisen Kondensierens von Wasserdampf in der Anodenabgasströmung während des Erwärmens der Lufteinlaßströmung.

Gemäß einem Aspekt beinhaltet das Verfahren weiterhin Vorerwärmen der Brennstoffeinlaßströmung mit der Kathodenabgasströmung nach dem Verdampfen des Wassers.

In einem Aspekt beinhaltet der Schritt des Verdampfens das Fließen der Kathodenabgasströmung und des Wassers in einer gleichen Richtung in einem Verdampfer.

Als ein Aspekt beinhaltet das Verfahren weiterhin das Mischen des Dampfs und der Brennstoffeinlaßströmung, das Erwärmen der Dampf-Brennstoff-Mischung unter Verwendung von Wärme von einer Brennstoffzellenstack-Anodenabgasströmung und das Bereitstellen der Dampf-Brennstoff-Mischung in einen Reformer.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung enthält ein Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstack und einen Gleichstromwasserverdampfer, der dafür ausgelegt ist, Wärme von einer Kathodenabgasströmung zu Wasser zur Lieferung an eine Brennstoffeinlaßströmung zu übertragen.

Als weiterer Aspekt enthält das System weiterhin einen Brennstoffvorerhitzer, wobei ein Kathodenabgasströmungsausgang des Verdampfers im Betrieb mit dem Brennstoffvorerhitzer derart verbunden ist, daß die Kathodenabgasströmung von dem Verdampfer in den Brennstoffvorerhitzer fließt.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung enthält ein Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstack und ein erstes Mittel zum Übertragen von Wärme von einer Kathodenabgasströmung zu Wasser zur Lieferung an eine Brennstoffeinlaßströmung, so daß die Kathodenabgasströmung und das Wasser in dem ersten Mittel in einer gleichen Richtung fließen.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet die folgenden Schritte: Fließen einer Kathodenabgasströmung und einer Wasserströmung in einer Gleichstrombeziehung, Verdampfen des Wassers zu Dampf unter Verwendung von Wärme von der Kathodenabgasströmung beim Fließen in der Gleichstrombeziehung und Liefern des Dampfs in eine Brennstoffeinlaßströmung, der in einen Brennstoffzellenstack gelenkt wird.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung enthält ein Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstack, eine Wärmeübertragungseinrichtung, die dafür ausgelegt ist, Wärme von einer Kathodenabgasströmung des Brennstoffzellenstacks zu Wasser zur Lieferung an eine Brennstoffeinlaßströmung zu übertragen, einen Luftvorerhitzer, der dafür ausgelegt ist, eine Lufteinlaßströmung unter Verwendung von Wärme von einer Anodenabgasströmung vorzuerhitzen, und einen Kathodenrekuperator-Wärmetauscher, der dafür ausgelegt ist, Wärme von der Kathodenabgasströmung zu der Lufteinlaßströmung zu übertragen. Der Kathodenrekuperator ist im Betrieb vor die Wärmeübertragungseinrichtung bezüglich des Kathodenabgasströmungsflusses und hinter den Luftvorerhitzer bezüglich des Lufteinlaßströmungsflusses geschaltet. Weiterhin ist der Kathodenrekuperator-Wärmetauscher so bemessen, daß er eine Kathodenabgasströmung an die Wärmeübertragungseinrichtung liefert, die eine ausreichend hohe Temperatur aufweist, um die Verdampfung des Wassers in der Wärmeübertragungseinrichtung zu gestatten.

Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich bei einer Betrachtung der ganzen Patentschrift einschließlich der beigefügten Ansprüche und Zeichnungen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Kurve der Temperatur über der Wärme für einen Fluidfluß in einem System eines Vergleichsbeispiels.
2 und 3 sind Schemadarstellungen von Brennstoffzellensystemen gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2 ist ein Systemkomponenten- und Flußdiagramm und 3 zeigt die Schemadarstellung des Wärmetauschernetzes für das Brennstoffzellensystem.
4, 5, 6 und 8 sind Kurven der Temperatur über der Wärme für verschiedene Fluidflüsse in Systemen der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
7 zeigt die Schemadarstellung des Wärmetauschernetzes für das Brennstoffzellensystem der dritten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
9 zeigt eine etwas schematische Darstellung einer integrierten Brennstoffbefeuchterbaugruppe der Erfindung.
10 ist eine etwas schematische Darstellung, die die Flußwege der Baugruppe von 9 veranschaulicht.
11 ist eine teilweise auseinandergezogene Perspektivansicht einer Ausführungsform der Baugruppe von 9.
12 ist eine Draufsicht auf eine Wärmetauscherplatte der Baugruppe von 11.
13 ist eine auseinandergezogene Perspektivteilansicht eines Wärmetauscherplattenpaars zur Verwendung in einer Ausführungsform der Baugruppe von 9.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Um die SOFC bei ihrer erhöhten Arbeitstemperatur zu halten, übertragen in der Regel die aus der Brennstoffzelle austretenden Anoden- und Kathodenflußströme Wärme an die ankommenden Flüsse durch eine Reihe von rekuperativen Wärmetauschern. Bei einem Vergleichsbeispiel kann dies den Prozeß des Übertragens von Wärme auf eine Flüssigwasserquelle beinhalten, um Dampf für das Dampfreformieren eines Kohlenwasserstoffbrennstoffs zu erzeugen, um den wasserstoffreichen Reformatfluß zu erzeugen.
Beispielsweise kann die Kathodenwärme rekuperativ von der Kathodenabgasflußströmung zu der ankommenden Kathodenluft übertragen werden, während die Anodenwärme teilweise rekuperativ von dem Anodenabgas zu dem ankommenden befeuchteten Brennstoff wie etwa Erdgas übertragen wird, das den Dampfreformer speist, und teilweise zum Wasser übertragen wird, um den Wasserdampf zu erzeugen, der in den Brennstoff geliefert wird, um den Brennstoff zu befeuchten. Außerdem kann der Wasserdampf innerhalb des Anodenabgases wieder eingefangen werden, um entweder ganz oder teilweise als die Wasserquelle für den Dampfreformer zu dienen.
Die Erfinder haben entdeckt, das eine thermodynamische Analyse des Systems, in dem die Anodenabgasströmung (d.h. brennstoffseitige) verwendet wird, um den befeuchteten Brennstoff zu erwärmen und das Wasser zu verdampfen, offenbart, daß in dem aus der Brennstoffzelle austretenden Anodenabgas mehr Energie zur Verfügung stehen wird als erforderlich ist, um auf den ankommenden befeuchteten Brennstoff (d.h. Wasser und Brennstoff) übertragen zu werden. Ein beträchtlicher Anteil sowohl der im Anodenabgas zur Verfügung stehenden Wärme als auch der für die Speisung erforderlichen Wärme liegt in Form latenter Wärme vor. Das Ergebnis ist, daß zwar im Anodenabgas ausreichend Energie zur Verfügung steht, Versuche jedoch kommerziell nicht praktikabel sind, die Wärme von dem Anodenabgas zu dem Wasser und Erdgas über einen Wärmetauscher zu übertragen, in dem die Wärme durch Konvektion von der Anodenabgasströmung zu einer wärmeleitenden Oberfläche zu übertragen, die die Abgasströmung und eine oder mehrere der ankommenden Fluide trennt, und von der Oberfläche zu der einen oder mehreren der ankommenden Fluide.
Das oben beschriebene Problem ist in 1 dargestellt, die die Kurve der Temperatur über der übertragenen Wärme für das Anodenabgas und das Wasser zeigt. Die Bedingungen in 1 setzen eine Anodenabgastemperatur von 400°C beim Eintritt in einen Verdampfer von einem WGS-Reaktor (WGS – water gas shift) und einen hypothetischen Gegenflußverdampfer, der in der Lage ist, eine vollständige Verdampfung des Wassers zu erzielen, mit minimaler Überhitzung voraus.
Wie man aus 1 erkennen kann, bewirkt das Kondensieren von Wasserdampf aus dem voll gesättigten Anodenabgas und die isotherme Verdampfung des Wassers, daß die Temperatur des wärmeabgebenden Anodenabgases unter die Temperatur des wärmeaufnehmenden Wassers für einen wesentlichen Anteil der Wärmeleistung abfällt (d.h., die Wasserkurve liegt über der Anodenabgaskurve für Q-Werte von etwa 1100 bis etwa 1750 W). Infolgedessen ist für die in 1 vorausgesetzten Bedingungen es möglicherweise nicht durchführbar, die erforderliche Wärmeübertragung zwischen den Fluiden alleine durch die Verwendung typischer Wärmetauscher zu erzielen, da die Übertragung von Wärme in einem typischen Wärmetauscher erfordert, daß die Temperatur des wärmeleitenden Trennmaterials unter der lokalen Volumenfluidtemperatur der wärmeabgebenden Flüssigkeit und über der lokalen Volumenfluidtemperatur des wärmeaufnehmenden Fluids liegt.
Deshalb ist möglicherweise eine zusätzliche Heizquelle erforderlich, um ausreichend Wasser zu verdampfen, um der Dampfmenge zu genügen, die für eine Methanreformation erforderlich ist, die bei einem System mit einer elektrischen Ausgangsleistung von 6,5 kW bis zu 1,5 kW betragen kann. Diese zusätzliche Heizquelle reduziert die Systemeffizienz.
Die Erfinder haben entdeckt, daß das Kathodenabgas (d.h. luftseitige) dazu verwendet werden kann, in den Brennstoff geliefertes Wasser zu verdampfen und/oder den in das System gelieferten Brennstoff zu erwärmen. Durch Verwendung dieses alternativen Ansatzes zur Wiedergewinnung von Wärmeenergie in dem SOFC-Brennstoffzellensystem kann das ganze thermodynamische Potential der Abgase für das Vorerwärmen der Brennstoffzelleneinsatzstoffe ohne Massenübertragungseinrichtungen wie etwa ein Enthalpierad oder zusätzliche Wärmequellen wiedergewonnen werden. In einigen Systemen, die diesen alternativen Ansatz verwenden, kann es jedoch immer noch wünschenswert sein, Massenübertragungseinrichtungen wie etwa ein Enthalpierad oder zusätzliche Wärmequellen einzusetzen. Das System jedoch, bei dem das Kathodenabgas zum Verdampfen von Wasser für das Befeuchten des Brennstoffs und/oder zum Erwärmen von ankommendem Brennstoff verwendet wird, kann auch passiv gesteuert werden. Bei einigen Systemen jedoch, bei denen das Kathodenabgas verwendet wird, um Wasser zum Befeuchten des Brennstoffs und/oder zum Erwärmen von ankommendem Brennstoff verwendet wird, kann es wünschenswert sein, eine aktive Steuerung zu verwenden.
Die 2 und 3 veranschaulichen ein Brennstoffzellensystem 1 gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Bevorzugt ist das System 1 ein Hochtemperaturbrennstoffzellenstacksystem wie etwa ein SOFC-System (solid oxide fuel cell) oder ein MCFC-System (molten carbonate fuel cell). Das System 1 kann ein regeneratives System sein wie etwa ein SORFC-System (solid oxide regenerative fuel cell), das sowohl im Brennstoffzellenmodus (d.h. Entlademodus) als auch im Elektrolysemodus (d.h. Lademodus) arbeitet, oder es kann ein nicht-regeneratives System sein, das nur im Brennstoffzellenmodus arbeitet.
Das System 1 enthält einen oder mehrere Hochtemperaturbrennstoffzellenstacks 3. Der Stack 3 kann mehrere SOFCs, SORFCs oder MCFCs enthalten. Jede Brennstoffzelle enthält einen Elektrolyten, eine Anodenelektrode auf einer Seite des Elektrolyten in einer Anodenkammer, eine Kathodenelektrode auf der anderen Seite des Elektrolyten in einer Kathodenkammer sowie andere Komponenten wie etwa Separatorplatten/elektrische Kontakte, Brennstoffzellengehäuse und Isolation. In einer im Brennstoffzellenmodus arbeitenden SOFC tritt der Oxidierer wie etwa Luft oder Sauerstoffgas in die Kathodenkammer ein, während der Brennstoff wie etwa Wasserstoff- oder Kohlenwasserstoffbrennstoff in die Anodenkammer eintritt. Beliebige Brennstoffzellendesigns und Komponentenmaterialien können verwendet werden.
Das System 1 enthält außerdem eine Wärmeübertragungseinrichtung 5, die in 2 als ein Brennstoffbefeuchter bezeichnet ist. Die Einrichtung 5 ist dafür ausgelegt, Wärme von einem Kathodenabgas auf den Brennstoffzellenstack 3 zu übertragen, um Wasser zur Lieferung an die Brennstoffeinlaßströmung zu verdampfen und auch um die Brennstoffeinlaßströmung mit Dampf (d.h. dem verdampften Wasser) zu vermischen. Bevorzugt enthält die Wärmeübertragungseinrichtung 5 einen Wasserverdampfer (d.h. Verdampfer) 6, der dafür ausgelegt ist, Wasser unter Verwendung der Wärme von der Kathodenabgasströmung zu verdampfen. Der Verdampfer 6 enthält einen ersten Eingang 7, der im Betrieb mit einem Kathodenabgasauslaß 9 des Brennstoffzellenstacks 3 verbunden ist, einen zweiten Eingang 11, der im Betrieb mit einer Wasserquelle 13 verbunden ist, und einen ersten Ausgang 15, der im Betrieb mit einem Brennstoffeinlaß 17 des Stacks 3 verbunden ist. Die Wärmeübertragungseinrichtung 5 enthält auch einen Brennstoff-Dampf-Mischer 8, der den Dampf oder Wasserdampf, von dem ersten Ausgang 15 des Verdampfers 6 durch Leitung 10 in den Mischer 8 geliefert, und den eingegebenen Brennstoff wie etwa Methan oder Erdgas, von einem Brennstoffeinlaß 19 geliefert, mischt, wie in 3 gezeigt.
Der Ausdruck "im Betrieb verbunden" bedeutet, daß Komponenten, die im Betrieb verbunden sind, direkt oder indirekt miteinander verbunden sein können. Beispielsweise können zwei Komponenten direkt miteinander durch eine Fluidleitung (d.h. Gas und/oder Flüssigkeit) verbunden sein. Alternativ können zwei Komponenten indirekt miteinander derart verbunden sein, daß eine Fluidströmung zwischen der ersten Komponente zu der zweiten Komponente durch eine oder mehrere zusätzliche Komponenten des Systems passiert.
Das System 1 enthält bevorzugt auch einen Reformer 21 und einen Brenner 23. Der Reformer 21 ist dafür ausgelegt, einen Kohlenwasserstoffbrennstoff in ein wasserstoffhaltiges Reaktionsprodukt zu reformieren und das Reaktionsprodukt an den Brennstoffzellenstack 3 zu liefern. Der Brenner 23 ist bevorzugt thermisch mit dem Reformer 21 integriert, um Wärme an den Reformer 21 zu liefern. Der Kathodenabgasauslaß 9 des Brennstoffzellenstacks 3 ist bevorzugt im Betrieb mit einem Einlaß 25 des Brenners 23 verbunden. Zudem ist auch eine Kohlenwasserstoffbrennstoffquelle 27 im Betrieb mit dem Einlaß 25 des Brenners 23 verbunden.
Bei dem Kohlenwasserstoffbrennstoffreformer 21 kann es sich um eine beliebige geeignete Einrichtung handeln, die in der Lage ist, einen Kohlenwasserstoffbrennstoff ganz oder teilweise zu reformieren, um ein kohlenstoffhaltiges und freien Wasserstoff enthaltenden Brennstoff zu bilden. Beispielsweise kann es sich bei dem Brennstoffreformer 21 um eine beliebige geeignete Einrichtung handeln, die ein Kohlenwasserstoffgas in eine Gasmischung aus freiem Wasserstoff und einem kohlenstoffhaltigen Gas reformieren kann. Beispielsweise kann der Brennstoffreformer 21 ein befeuchtetes Biogas wie etwa Erdgas reformieren, um freien Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserdampf und wahlweise eine Restmenge an unreformiertem Biogas durch eine Dampfmethanreformierungsreaktion (SMR-Reaktion) zu bilden. Der freie Wasserstoff und das Kohlenmonoxid werden dann in den Brennstoffeinlaß 17 des Brennstoffzellenstacks 3 geschickt. Bevorzugt ist der Brennstoffreformer 21 thermisch mit dem Brennstoffzellenstack 3 integriert, um die endotherme Reaktion in dem Reformer 21 zu unterstützen und den Stack 3 zu kühlen. Der Ausdruck "thermisch integriert" bedeutet in diesem Kontext, daß die Wärme von der Reaktion in den Brennstoffzellenstack 3 die endotherme Nettobrennstoffreformierung in dem Brennstoffreformer 21 antreibt. Der Brennstoffreformer 21 kann thermisch mit dem Brennstoffzellenstack 3 integriert werden, indem der Reformer und der Stack in der gleichen Hotbox 37 und/oder in Wärmekontakt miteinander plaziert werden oder indem eine Wärmeleitung oder ein wärmeleitendes Material bereitgestellt wird, das den Stack mit dem Reformer verbindet.
Der Brenner 23 liefert ergänzende Wärme an den Reformer 21, um die SMR-Reaktion während eines eingeschwungenen Betriebs durchzuführen. Bei dem Brenner 23 kann es sich um einen beliebigen Brenner handeln, der mit dem Reformer 21 thermisch integriert ist. Der Brenner 23 erhält den Kohlenwasserstoffbrennstoff wie etwa Erdgas und einen Oxidierer (d.h. Luft oder anderes sauerstoffhaltiges Gas) wie etwa die Kathodenabgasströmung des Stacks 3 durch den Einlaß 25. Es können jedoch neben der Kathodenabgasströmung andere Oxidiererquellen in den Brenner geschickt werden. Der Brennstoff und die Kathodenabgasströmung (d.h. heiße Luft) werden im Brenner verbrannt, um Wärme zum Erwärmen des Reformers 21 zu erzeugen. Der Brennerauslaß 26 ist im Betrieb mit dem Einlaß 7 der Wärmeübertragungseinrichtung 5 verbunden, um das mit den verbrannten Brennstoffkomponenten gemischte Kathodenabgas von dem Brenner zu der Wärmeübertragungseinrichtung 5 zu schicken. Während das dargestellte System 1 einen Kathodenabgasfluß in der Wärmeübertragungseinrichtung 5 verwendet, das durch einen Brenner hindurchgetreten ist, kann es in einigen Systemen wünschenswert sein, in der Wärmeübertragungseinrichtung 5 einen Kathodenabgasfluß zu verwenden, der nicht durch einen Brenner hindurchgeschickt worden ist.
Bevorzugt wird die ergänzende Wärme für den Reformer 21 sowohl von dem Brenner 23, der im eingeschwungenen Zustand des Reformers (und nicht nur während des Hochfahrens) arbeitet, und von der Kathodenabgasströmung (d.h. Luft) des Stacks 3 geliefert. Ganz besonders bevorzugt steht der Brenner 23 in direktem Kontakt mit dem Reformer 21, und der Kathodenaustritt des Stacks 3 ist so konfiguriert, daß die Kathodenabgasströmung den Reformer 21 kontaktiert und/oder sich um den Reformer 21 wickelt, um eine zusätzliche Wärmeübertragung zu erleichtern. Dies senkt die Verbrennungswärmeanforderung für SMR.
Bevorzugt ist der Reformer 21 zwischen dem Brenner 23 und einem oder mehreren Stacks 3 geschichtet, um die Wärmeübertragung zu unterstützen. Wenn von dem Reformer keine Wärme benötigt wird, wirkt die Brennereinheit als ein Wärmetauscher. Somit kann der gleiche Brenner 23 sowohl beim Hochfahren als auch beim eingeschwungenen Zustand des Systems 1 verwendet werden.
Das System 1 enthält außerdem einen Brennstoffvorerhitzer-Wärmetauscher (d.h. Anodenrekuperator) 29, der dafür ausgelegt ist, die Brennstoffeinlaßströmung unter Verwendung von Wärme von der aus dem Anodenabgasauslaß 31 des Stacks 3 austretenden Anodenabgasströmung des Brennstoffzellenstacks 3 zu erwärmen. Das System 1 enthält weiterhin einen Kathodenrekuperator-Wärmetauscher 33, der dafür ausgelegt ist, eine Lufteinlaßströmung von einem Luftgebläse 35 unter Verwendung von Wärme von der aus dem Kathodenabgasauslaß 9 des Stacks 3 austretenden Kathodenabgasströmung zu erwärmen. Bevorzugt wird die mit den verbrannten Brennstoffkomponenten von dem Auslaß 26 des Brenners 23 gemischte Kathodenabgasströmung in den Kathodenrekuperator 33 geschickt, um die Lufteinlaß strömung zu erwärmen. Die mit den verbrannten Brennstoffkomponenten gemischte Kathodenabgasströmung wird dann an den Verdampfer 6 der Wärmeübertragungseinrichtung 5 geschickt, um das Wasser zu Dampf zu verdampfen, der dann in die sich in den Reformer 21 bewegende Brennstoffeinlaßströmung geschickt wird.
Bevorzugt befinden sich der Brennstoffzellenstack 3, der Reformer 21, der Brenner 23, der Brennstoffvorerhitzer-Wärmetauscher 29 und der Kathodenrekuperator-Wärmetauscher 33 in einer Hotbox 37. Bevorzugt ist der Kathodenrekuperator-Wärmetauscher 33 absichtlich unterbemessen, um sicherzustellen, daß die Temperatur der aus dem Wärmetauscher 33 austretenden Kathodenabgasströmung ausreichend hoch ist, damit die Wärmeübertragungseinrichtung 5 das Wasser über eine Übertragung von Wärme von der Kathodenabgasströmung verdampfen kann. Beispielsweise weist der Kathodenrekuperator-Wärmetauscher 33 bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform eine Größe unter einer vorbestimmten Größe derart auf, daß die Kathodenabgasströmung den Kathodenrekuperator-Wärmetauscher mit einer Temperatur von mindestens 200°C verläßt, wie etwa 200°C bis 230°C, beispielsweise etwa 210°C. Bei dieser besonders bevorzugten Ausführungsform kann die Kathodenabgasströmung in den Kathodenrekuperator-Wärmetauscher 33 mit einer Temperatur von mindestens 800°C eintreten, wie etwa 800°C bis etwa 850°C, beispielsweise etwa 820°C. Der Kathodenrekuperator-Wärmetauscher 33 ist absichtlich unterbemessen, damit er eine Austauschrate von etwa 10 bis 12 kW aufweist, wie etwa 11 kW für diese besonders bevorzugte Ausführungsform. Im Gegensatz dazu kann ein unverkleinerter Wärmetauscher für die besonders bevorzugte Ausführungsform eine Austauschrate von etwa 16 kW aufweisen. Während spezifische Temperaturen und Wärmetauschraten für eine besonders bevorzugte Ausführungsform beschrieben worden sind, versteht sich, daß die Austritts- und Eintrittstemperaturen und Wärmetauschraten stark von den jeweiligen Parametern jeder spezifischen Anwendung abhängen, und dementsprechend versteht sich, daß keine Beschränkungen für spezifische Austritts- und Eintrittstemperaturen bei den Wärmetauschraten beabsichtigt sind, soweit nicht spezifisch in den Ansprüchen angeführt.
Das System 1 enthält bevorzugt auch einen Luftvorerhitzer-Wärmetauscher 39, der dafür ausgelegt ist, die Lufteinlaßströmung aus dem Luftgebläse 35 unter Verwendung von Wärme von einer aus dem Stackanodenauslaß 31 austretenden Anodenabgasströmung vor zu erwärmen. Bevorzugt stellt das Luftgebläse eine Lufteinlaßströmung in das System 1 bereit, die mindestens 2,5mal wie etwa 2,5 bis 6,5mal, bevorzugt 3 bis 4,5mal, so viel Luft wie erforderlich für den Brennstoffzellenstack 3 bereitstellt, um Elektrizität zu erzeugen. Beispielsweise kann das Gebläse 35 die Lufteinlaßströmung auf etwa 50°C vorerwärmen. Die geringfügig vorerwärmte Lufteinlaßströmung wird dann von dem Gebläse in den Luftvorerhitzer-Wärmetauscher 39 geschickt, wo sie auf etwa 100°C bis etwa 150°C, wie etwa beispielsweise 140°C, vorerwärmt wird. Diese vorerwärmte Lufteinlaßströmung tritt dann mit etwa 100°C bis etwa 150°C in den Kathodenrekuperator-Wärmetauscher 33 ein und tritt aus dem Wärmetauscher 33 mit etwa 700°C bis etwa 750°C, wie etwa 720°C, aus. Da die vorerwärmte Lufteinlaßströmung in den Kathodenrekuperator-Wärmetauscher 33 mit einer über der Raumtemperatur liegenden Temperatur eintritt, kann die Kathodenabgasströmung aus dem Wärmetauscher 33 mit einer Temperatur über 200°C austreten. Somit erwärmt der Vorerhitzer-Wärmetauscher 39 die Lufteinlaßströmung ausreichend vor, um die Verwendung eines unterbemessenen Kathodenrekuperator-Wärmetauschers 33 zu gestatten, was die Gesamtsystemherstellungskosten reduziert.
Bevorzugt befindet sich der Luftvorerhitzer 39 außerhalb der Hotbox 37 und vor dem Kathodenrekuperator 33 derart, daß die Lufteinlaßströmung zuerst von der Anodenabgasströmung in dem Luftvorerhitzer 39 erwärmt und danach von der Kathodenabgasströmung in dem Kathodenrekuperator 33 erwärmt wird. Somit wird die in den Kathodeneinlaß 41 des Stacks 3 gelieferte Lufteinlaßströmung sowohl von der Anoden- als auch der Kathodenabgasströmung von dem Stack 3 erwärmt.
Das System 1 enthält wahlweise einen WGS-Reaktor 43, der dafür ausgelegt ist, mindestens einen Teil des Wasserdampfs in der Brennstoffzellenstack-Anodenabgasströmung in freien Wasserstoff umzuwandeln. Somit ist der Einlaß 45 des Reaktors 43 im Betrieb mit dem Stackanodenauslaß 31 und der Auslaß 47 des Reaktors 43 im Betrieb mit einem Einlaß 49 des Luftvorerhitzers 39 verbunden. Der WGS-Reaktor 43 kann eine beliebige geeignete Einrichtung sein, die mindestens einen Teil des aus dem Brennstoffabgasauslaß 31 des Brennstoffzellenstacks 3 austretenden Wassers in freien Wasserstoff umwandelt. Beispielsweise kann der Reaktor 43 ein Rohr oder eine Leitung umfassen, das oder die einen Katalysator enthält, der das Kohlenmonoxid und den Wasserdampf in der Anodenabgasströmung ganz oder teilweise in Kohlendioxid und Wasserstoff umwandelt. Der Katalysator kann ein beliebiger geeigneter Katalysator wie etwa ein Eisenoxidkatalysator oder ein Chrombeschleunigter Eisenoxidkatalysator sein.
Das System 1 enthält wahlweise auch einen Kondensator 51, der dafür ausgelegt ist, Wasserdampf in der Anodenabgasströmung bevorzugt unter Verwendung eines Umgebungsluftflusses als Kühlkörper in flüssiges Wasser umzuwandeln. Das System 1 enthält wahlweise auch ein Wasserstoffrückgewinnungssystem 53, das dafür ausgelegt ist, Wasserstoff aus der Anodenabgasströmung zurück zugewinnen, nachdem die Anodenabgasströmung durch den Kondensator 51 hindurchgetreten ist. Das Wasserstoffrückgewinnungssystem kann ein Druckwechseladsorptionssystem oder ein anderes geeignetes Gastrennungssystem sein (als Beispiel). Bevorzugt kondensiert der Luftvorerhitzer 39 den Wasserdampf in der Anodenabgasströmung teilweise vor dem Eintritt der Anodenabgasströmung in den Kondensator 51, um die Last auf den Kondensator 51 zu reduzieren. Somit ist der Auslaß 55 des Luftvorerhitzers 39 im Betrieb mit dem Einlaß 57 des Kondensators 51 verbunden. Ein erster Auslaß 59 des Kondensators 51 liefert Wasserstoff und andere aus dem Wasser abgetrennte Gase an das Wasserstoffrückgewinnungssystem 53. Ein zweiter Auslaß 61 des Kondensators 51 liefert Wasser an ein fakultatives Wasserreinigungssystem 63. Das Wasser von dem Reinigungssystem 63 wird durch Einlaß 11 an den Verdampfer 6 geliefert, der einen Teil der Wärmeübertragungseinrichtung 5 umfaßt.
Das System 1 enthält fakultativ auch einen Entschwefler 65, der sich im Weg der Brennstoffeinlaßströmung von der Brennstoffquelle 27 befindet. Der Entschwefler 65 entfernt den Schwefel ganz oder teilweise aus der Brennstoffeinlaßströmung. Der Entschwefler 65 umfaßt bevorzugt den Katalysator wie etwa Co-Mo oder andere geeignete Katalysatoren, die CH₄- und H₂S-Gase aus hydriertem schwefelhaltigem Erdgasbrennstoff erzeugen, und ein Sorbensbett wie etwa ZnO oder andere geeignete Materialien zum Entfernen des H₂S-Gases aus der Brennstoffeinlaßströmung. Somit verläßt ein Kohlenwasserstoffbrennstoff wie etwa Methan oder Erdgas ohne Schwefel oder mit reduziertem Schwefel den Entschwefler 65.
Ein Verfahren zum Betreiben des Systems 1 gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die 2 und 3 beschrieben.
Die Lufteinlaßströmung wird von dem Luftgebläse 35 durch Leitung 101 in den Luftvorerhitzer 39 geschickt. Die Lufteinlaßströmung wird in dem Luftvorerhitzer 39 durch Austauschen von Wärme mit der von dem WGS-Reaktor 43 kommenden Anodenabgasströmung vorerwärmt. Die vorerwärmte Lufteinlaßströmung wird dann durch Leitung 103 in den Kathodenrekuperator 33 geschickt, wo die Lufteinlaßströmung durch Austauschen von Wärme mit der Kathodenabgasströmung auf eine höhere Temperatur erwärmt wird. Die Lufteinlaßströmung wird dann durch Leitung 105 in den Kathodeneinlaß 41 des Stacks 3 geschickt.
Die Luft tritt dann als die Kathodenabgasströmung aus dem Kathodenauslaß 9 des Stacks 3 aus. Die Kathodenabgasströmung hüllt sich um den Reformer 21 herum und tritt durch Leitung 107 und Einlaß 25 in die Verbrennungszone des Brenners 23 ein. Entschwefeltes Erdgas oder ein anderer Kohlenwasserstoffbrennstoff wird ebenfalls von dem Brennstoffeinlaß 27 durch Leitung 109 zur zusätzlichen Erwärmung in den Einlaß 25 des Brenners 23 geschickt. Die Abgasströmung von dem Brenner 23 (d.h. Kathodenabgasströmung) tritt dann durch Leitung 111 in den Kathodenrekuperator ein, wo sie mit der ankommenden Luft Wärme austauscht.
Die Kathodenabgasströmung wird dann durch Leitung 113 in den Verdampfer 6 der Wärmeübertragungseinrichtung 5 geschickt. Der Rest der in der Kathodenabgasströmung zurückbleibenden Wärme wird dann in dem Verdampfer 6 extrahiert zum Verdampfen von Wasser zur Dampf-Methan-Reformierung vor dem Ablassen durch die Abgasleitung 115.
Auf der Brennstoffseite tritt die Kohlenwasserstoffbrennstoffeinlaßströmung von der Brennstoffquelle 27 wie etwa einem Gastank oder einem Erdgasrohr mit Ventil in den Entschwefler 65 ein. Die entschwefelte Brenn stoffeinlaßströmung (d.h. entschwefeltes Erdgas) tritt dann in den Brennstoffmischer 8 der Wärmeübertragungseinrichtung 5 durch Leitung 117 ein. In dem Mischer 8 wird der Brennstoff mit gereinigtem Dampf aus dem Verdampfer 6 gemischt.
Die Dampf-Brennstoff-Mischung wird dann durch Leitung 119 in den Brennstoffvorerhitzer 29 geschickt. Die Dampf-Brennstoff-Mischung wird dann durch Austauschen von Wärme mit der Anodenabgasströmung in dem Brennstoffvorerhitzer 29 erwärmt, bevor sie durch Leitung 121 in den Reformer eintritt. Das Reformat tritt dann von dem Reformer 21 aus durch Leitung 123 in den Anodeneinlaß 17 des Stacks 3 ein.
Die Stackanodenabgasströmung tritt aus dem Anodenauslaß 31 aus und wird durch Leitung 125 in den Brennstoffvorerhitzer 29 geschickt, wo sie die ankommende Brennstoff-Dampf-Mischung erwärmt. Die Anodenabgasströmung aus der Hotbox 37 tritt dann durch Leitung 127 in den WGS-Reaktor 43 ein. Die Anodenabgasströmung vom Reaktor 43 wird dann durch Leitung 129 in den Luftvorerhitzer 39 geschickt, wo sie mit der Lufteinlaßströmung Wärme austauscht. Die Anodenabgasströmung wird dann durch Leitung 131 in den Kondensator 51 geschickt, wo Wasser aus der Anodenabgasströmung entfernt und recycelt oder abgelassen wird. Beispielsweise kann das Wasser durch Leitung 133 in den Wasserreiniger 63 geschickt werden, von wo aus es durch Leitung 135 in den Verdampfer geschickt wird. Alternativ kann Wasser durch einen Wassereinlaß 137 wie etwa ein Wasserrohr in den Reiniger 63 geschickt werden. Das wasserstoffreiche Anodenabgas wird dann von dem Kondensator 51 durch Leitung 139 in das Wasserstoffreinigungssystem 53 geschickt, wo Wasserstoff von anderen Gasen in der Strömung getrennt wird. Die anderen Gase werden durch eine Abführleitung 141 abgeführt, während Wasserstoff für andere Zwecke oder Speicherung durch Leitung 143 bereitgestellt wird.
Somit tauschen wie oben beschrieben die Fluidströmungen in dem System 1 Wärme an mehreren verschiedenen Stellen aus. Die Kathodenabgasströmung wird um den Dampf-Methan-Reformer 21 herumgewickelt, um die für die Reformierung erforderliche endotherme Wärme zu liefern. Dann wird Erdgas oder anderer Kohlenwasserstoffbrennstoff wie benötigt direkt der durch den Brenner 23 hindurchtretenden Kathodenabgasströmung zugesetzt, um der Gesamtwärmeanforderung für die Reformierung zu genügen. Wärme von dem aus dem Brenner 23 austretenden Hochtemperaturabgas (das die Kathodenabgasströmung und die verbrannten Brennstoffkomponenten enthält, als "Kathodenabgasströmung" bezeichnet) wird in dem Kathodenrekuperator 33 zu der ankommenden Kathodenluft (d.h. Lufteinlaßströmung) zurück gewonnen. Die Wärme von der auf der Anodenseite des Brennstoffzellenstacks 3 austretenden Abgasströmung wird zuerst zu dem ankommenden Anodeneinsatzstoff (d.h. der Brennstoffeinlaßströmung) in dem Brennstoffvorerhitzer 29 zurück gewonnen und dann zu dem ankommenden Kathodeneinsatzstoff (d.h. der Lufteinlaßströmung) in dem Luftvorerhitzer 39 zurück gewonnen.
Bevorzugt wird die dem Brennstoffzellenstack 3 von dem Luftgebläse 35 zugeführte Luft über der stöchiometrischen Menge geliefert, die für Brennstoffzellenreaktionen erforderlich ist, um den Stack zu kühlen und die vom Stack erzeugte Wärme abzuführen. Das typische Verhältnis von Luftfluß zu stöchiometrischer Menge liegt über 4, wie etwa 4,5 bis 6, bevorzugt etwa 5. Dies führt zu einem erheblich höheren Massenfluß von Kathodenluft als Anodengas (d.h. Brennstoff). Wenn die Kathodenabgasströmung nur die Lufteinlaßströmung erwärmt, dann ist folglich die zwischen der Kathodenabgasströmung und der Lufteinlaßströmung übertragene Wärme signifikant höher als die, die zwischen der Anodenabgasströmung und der Brennstoffeinlaßströmung übertragen wird, und zwar in der Regel um einen Faktor von etwa 3.
Die Erfinder haben entdeckt, daß, anstatt alle Wärme, die von der Kathodenabgasströmung zurückgewonnen wird, direkt zu der ankommenden Luft zu übertragen, das System 1 nur einen Teil der Kathodenabgasströmungswärme zu der ankommenden Lufteinlaßströmung überträgt und den Rest der verfügbaren Kathodenabgasströmungswärme zur vollständigen Verdampfung des Wassers im Verdampfer 6 verwendet.
Bevor die Lufteinlaßströmung auf die entsprechende Brennstoffzellentemperatur erwärmt wird, wird sie somit von der Anodenabgasströmung in dem Luftvorerhitzer 39 vorerwärmt. Diese Vorerwärmung stellt sicher, daß die Lufteinlaßströmung bei Eintritt in den Kathodenrekuperator 33 eine ausreichend hohe Temperatur aufweist, um sicherzustellen, daß der Rekuperator 33 die Temperatur der Lufteinlaßströmung auf die entsprechende Brennstoffzellentemperatur anheben kann.
Die 4 und 5 zeigen Kurven der Fluidtemperatur über der für den Verdampfer 6 (d.h. den Wasserverdampfer) übertragenen Wärme bzw. den Luftvorerhitzer 39 für eine analysierte Ausführungsform. Wie man aus den Kurven in 4 und 5 erkennen kann, entfällt die in 1 gezeigte thermodynamische Überkreuzung. Dadurch entfällt die Notwendigkeit entweder für einen Feuchtigkeitstauscher oder eine ergänzende Heizvorrichtung, die zusätzlichen Brennstoff verbraucht.
Bei einem Wärmetauscher ist der "Temperaturunterschied" definiert als die kleinste Temperaturdifferenz zwischen den beiden Fluidströmungen an einer beliebigen Stelle im Wärmetauscher. Wie man aus den 4 und 5 erkennen kann, weisen beide der Wärmetauscher (d.h. der Verdampfer 6 und der Luftvorerhitzer 39) einen sehr kleinen Temperaturunterschied auf, der von beiden Enden des Wärmetauschers weg an dem Punkt liegt, wo das Zweiphasengebiet beginnt. Es ist vorteilhaft, den Temperaturunterschied in jedem Wärmetauscher zu maximieren, da die Rate der Wärmeübertragung zwischen den Fluiden mit der lokalen Temperaturdifferenz zwischen den Strömungen abnimmt, was zu einer Notwendigkeit für einen größeren Wärmetauscher zum Übertragen der erforderlichen Wärme führt.
Wenn der Teil der Gesamtkathodenluftvorerhitzung, zu der es im Kathodenrekuperator 33 kommt, verringert wird, nimmt der Temperaturunterschied in dem Verdampfer 6 zu. Der Temperaturunterschied nimmt jedoch in dem Luftvorerhitzer 39 ab. Wenn der Anteil der Gesamtkathodenluftvorerhitzung, zu der es in dem Kathodenrekuperator 33 kommt, erhöht wird, nimmt umgekehrt der Temperaturunterschied im Luftvorerhitzer 39 zu. Der Temperaturunterschied nimmt jedoch im Verdampfer 6 ab. Von der Gesamtkathodenwärmenutzleistung wird es dann einen gewissen optimalen Prozentsatz geben, der innerhalb des Kathodenrekuperators 33 übertragen werden sollte, um den Temperaturunterschied sowohl im Verdampfer 6 als auch im Luftvorerhitzer 39 zu maximieren.
Die Erfinder entdeckten außerdem, daß bei Verwendung der Kathodenabgasströmung zum Verdampfen des Wassers das Ausmaß an Überhitze in dem aus dem Verdampfer 6 austretenden Dampf sehr empfindlich gegenüber der Temperatur und dem Massendurchsatz der in den Verdampfer eintretenden Kathodenabgasströmung ist. Dies ist aus 6 ersichtlich, die die Auswirkung einer 4,5%igen Erhöhung des Kathodenabgasströmungsmassenflusses (wobei die Kathodenabgasströmungstemperatur in den Verdampfer unverändert bleibt) auf die resultierende Temperatur des befeuchteten Erdgases hat.
Die Temperatur des in den Brennstoffvorerhitzer 29 eintretenden befeuchteten Erdgases steigt aufgrund dieser geringfügigen Erhöhung der Kathodenabgasströmungsflußrate wie ersichtlich um 28°C an. Diese Temperaturerhöhung führt zu einer höheren aus dem Brennstoffvorerhitzer austretenden Anodenabgasströmungstemperatur und folglich zu einer aus dem WGS-Reaktor 43 austretenden und in den Luftvorerhitzer 39 eintretenden höheren Temperatur. Dies führt wiederum zu einer Erhöhung bei der Kathodenluftvorerhitzung, was im allgemeinen die Temperatur der in den Verdampfer 6 eintretenden Kathodenabgasströmung erhöht, wodurch das Problem erschwert wird. Die Temperatur des befeuchteten Erdgases steigt weiter an, was zu Systemstabilitätsproblemen führt, sofern nicht die Einlaßströmungsflußrate gesteuert wird. Somit muß die Kathodenluftflußrate (d.h. Einlaßluftflußrate) gesteuert werden, weil sie eines der primären Mittel zum Steuern des Systems 1 ist.
Bei einer zweiten bevorzugten Ausführungsform können die oben erwähnten potentiellen Stabilitätsprobleme reduziert oder eliminiert werden, indem man einen einstellbaren Kathodenabgasbypass um den Verdampfer 6 herum hat, durch den ein kleiner Teil der Kathodenabgasströmung umgelenkt werden könnte, um die Kathodenabgasflußrate durch den Verdampfer 6 zu steuern. Diese Lösung nutzt eine aktive Steuerung der Fluidflußrate.
Bei einer dritten bevorzugten Ausführungsform wird ein passiver Ansatz verwendet, um die oben erwähnten potentiellen Stabilitätsprobleme ohne Notwendigkeit für zusätzliche Überwachung und Steuerung zu reduzieren oder zu eliminieren. Die Erfinder haben entdeckt, daß eine Temperatur des in den Brennstoffvorerhitzer 29 eintretenden befeuchteten Erdgases relativ unempfindlich gegenüber Änderungen in der Kathodenabgasströ mungsflußrate und/oder der Kathodenabgasströmungstemperatur gemacht werden kann, indem das Potential für erhöhte Überhitze in dem Verdampfer durch eine Temperatureinschränkung begrenzt wird.
7 zeigt den Wärmetauscheranteil des Systems der dritten bevorzugten Ausführungsform. Die anderen Teile des Systems der dritten bevorzugten Ausführungsform sind die gleichen wie jene der in den 2 und 3 gezeigten ersten bevorzugten Ausführungsform.
Wie in 7 gezeigt verläuft die Richtung des Wasserflusses durch den Verdampfer 6 gleich zu anstatt entgegengesetzt des Flusses der Kathodenabgasströmung durch den Verdampfer 6. Anstatt daß sich der Temperaturunterschied in dem Verdampfer 6 beim Einsetzen des Zweiphasenflußgebiets befindet, ist er zum Ende des Wärmeübertragungsgebiets des Verdampfers 6 verschoben, wo der Temperaturunterschied auf einen Wert von Null oder sich Null nähernd "eingeschränkt" wird. Nach diesem Punkt kommt es zu keiner Wärmeübertragung zwischen den Strömungen, und die beiden Fluide treten bei oder in der Nähe einer gemeinsamen Temperatur aus. Die Kathodenabgasströmungsflußrate muß möglicherweise geringfügig erhöht werden, um sicherzustellen, daß die Wärmekapazität in der Kathodenabgasströmung ausreicht, um im Wasser vollständige Dampfqualität zu erzielen. Das Wasser (d.h. der Dampf) tritt dann mit einem gewissen Ausmaß an Überhitze aus dem Verdampfer 6 aus. Die aus dem Verdampfer 6 austretende Kathodenabgasströmung kann dann zum Vorerwärmen des Brennstoffs wie etwa des Erdgases in einem zweiten Brennstoffvorerhitzer 67 verwendet werden. Da die Brennstoffeinlaßströmung im Vergleich zur Kathodenabgasströmung eine sehr kleine Flußrate aufweist, ist es recht einfach, eine 100 effektive Wärmeübertragung zu erzielen und die Brennstoffeinlaßströmung auf die gleiche Temperatur wie die aus dem Verdampfer austretende Wasserdampf- und Kathodenabgasströmung vorzuerwärmen.
Somit enthält, wie in 7 gezeigt, das System der dritten bevorzugten Ausführungsform auch den zweiten Brennstoffvorerhitzer 67. Der Brennstoffvorerhitzer 67 enthält einen im Betrieb mit einem Kathodenabgasauslaß 9 des Brennstoffzellenstacks 3 verbundenen ersten Eingang 69, einen im Betrieb mit der Brennstoffquelle 27 verbundenen zweiten Eingang 71 und einen im Betrieb mit der Brennstoffeinlaßleitung 17 verbundenen ersten Ausgang 73. Der zweite Brennstoffvorerhitzer 67 ist dafür ausgelegt, Wärme aus der Kathodenabgasströmung des Brennstoffzellenstacks an die zu dem Brennstoffzellenstack 3 geschickte Brennstoffeinlaßströmung zu übertragen. Der Verdampfer 6 in der dritten bevorzugten Ausführungsform umfaßt einen Verdampfer mit gleicher Strömung bzw. einen Gleichstrom-Verdampfer, bei dem die Kathodenabgasströmung und das Wasser so ausgelegt sind, daß sie in einer gleichen Richtung fließen, und ein Ausgang des Verdampfers ist im Betrieb derart mit einem Einlaß des Brennstoffvorerhitzers 67 verbunden, daß die Kathodenabgasströmung von dem Verdampfer 6 in den zweiten Brennstoffvorerhitzer 67 fließt.
Somit werden das Wasser und die Kathodenabgasströmung bevorzugt in die gleiche Seite des Verdampfers geschickt und fließen gleich zueinander. Das Wasser wird in dem Verdampfer 6 in Dampf umgewandelt und in den Dampf-Brennstoff-Mischer 8 geschickt. Die Kathodenabgasströmung wird von dem Verdampfer in den zweiten Brennstoffvorerhitzer-Wärmetauscher 67 geschickt, wo sie den Einlaßbrennstofffluß erwärmt, der dann durch den Mischer 8 und den ersten Brennstoffvorerhitzer-Wärmetauscher (Anodenrekuperator 29) in den Stack 3 geschickt wird.
Das System der dritten bevorzugten Ausführungsform ist gegenüber Variationen bei der Temperatur und dem Massenfluß der Kathodenabgasströmung im wesentlichen unempfindlich. 8 zeigt, daß die Temperatur des in den Anodenrekuperator (d.h. den ersten Brennstoffvorerhitzer) 29 eintretenden befeuchteten Erdgases für eine analysierte Ausführungsform aufgrund einer 6,8%igen Erhöhung in dem Kathodenabgasströmungsmassenfluß in dem System der dritten bevorzugten Ausführungsform um weniger als 7°C ansteigt. Ein derartiger kleiner Temperaturanstieg sollte nicht das oben beschriebene Hochfahren der Temperatur verursachen und führt deshalb zu einer Systemstabilität ohne Notwendigkeit für eine aktive Steuerung des Einlaßluft- und/oder Kathodenabgasströmungsflusses.
Somit wird bei den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Wasser unter Verwendung der Wärme aus der Kathodenabgasströmung verdampft. Der Luftwärmetauscher (d.h. Kathodenrekuperator) ist derart unterbemessen, daß die heiße Strömung aus ihm mit einer hohen Temperatur von mindestens 200°C, wie etwa 200°C bis 230°C, austritt. Luft wird mit einem stöchiometrischen Verhältnis von 2,5 und darüber in das System eingespeist, damit es ausreichend Abgaswärme aufweist für das Verdampfen von Wasser, das für die Dampf-Methan-Reformierung benötigt wird. Bevorzugt wird zwischen 2,5 und 6,5mal, besonders bevorzugt zwischen 3 und 4,5mal so viel Luft in den Brennstoffzellenstack geliefert wie erforderlich ist, damit der Brennstoffzellenstack Elektrizität erzeugt. Die in den Kathodenrekuperator eintretende Einlaßluft wird in dem Luftvorerhitzer unter Verwendung der Anodenabgasströmung vorerwärmt, um die Last auf dem Kathodenrekuperator zu reduzieren. Wasser aus der Anodenabgasströmung wird teilweise in dem Luftvorerhitzer kondensiert, um die Last in dem Anodenkondensator zu reduzieren.
Unter Bezugnahme auf 9 wird der Brennstoffbefeuchter 5 bevorzugt in Form einer integrierten Baugruppe 200 bereitgestellt, die als einzelne integrierte Einheit den Wasserverdampfer 6, einen Brennstofferhitzer oder -vorerhitzer wie etwa den Brennstoffvorerhitzer 67 und einen Brennstoff-Dampf-Mischer 8 enthält, der sowohl an den Wasserverdampfer 6, um von dort Dampf zu empfangen, als auch an den Brennstofferhitzer 67, um erwärmten Brennstoff von dort zu empfangen, angeschlossen ist. Der Wasserverdampfer 6 enthält bevorzugt einen Wasserflußweg 202 in Wärmeübertragungsrelation mit einem Wärmeführungsfluidflußweg 204, was in dem dargestellten System ein Kathodenabgasflußweg ist, während der Brennstofferhitzer einen Brennstoffflußweg 206 ebenfalls in einer Wärmeübertragungsrelation mit dem Wärmeführungsfluidflußweg 204 enthält, der wieder der Kathodenabgasflußweg 204 für das dargestellte System ist. Der Brennstoff-Dampf-Mischer 8 ist sowohl an den Wasserflußweg 202, um Dampf von dort zu empfangen, als auch an den Brennstoffflußweg 206, um erwärmten Brennstoff von dort zu empfangen, angeschlossen. Wie in 9 zu sehen befindet sich der Brennstoffvorerhitzer 67 bevorzugt hinter dem Wasserverdampfer 6 bezüglich des Wärmeführungsfluidflußwegs 204. Bei einigen Anwendungen kann es jedoch wünschenswert sein, daß sich der Brennstoffvorerhitzer 67 vor dem Wasserverdampfer 6 bezüglich des Wärmeführungsfluidflußwegs 204 befindet.
Unter Bezugnahme auf 10 enthält der Wasserflußweg 202 bei einer bevorzugten Ausführungsform bevorzugt mehrere parallele Wasserflußpassagen 210, der Brennstoffflußweg 206 enthält mehrere parallele Brennstoffflußpassagen 212 und der Wärmeführungsfluidflußweg 204 enthält mehrere parallele Wärmeführungsfluidflußpassagen 214, die mit den Wasserflußpassagen 210 im Wasserverdampfer 6 und mit den Brennstoffflußpassagen 212 in dem Brennstofferhitzer 67 verschachtelt sind. Bei weiterer Bezugnahme auf 10 liegt die Brennstoff-Dampf-Mischung 8 bevorzugt in Form eines Verteilers oder Plenums 216 vor, der oder das mit allen Wasser- und Brennstoffflußpassagen 210 und 212 verbunden ist.
Es wird bevorzugt, daß jede der Wasserflußpassagen 210 ein Flüssigkeitsdruckabfalleinlaßgebiet 220 enthält, das einen größeren Druckabfall bereitstellt als der Rest 222 der Wasserflußpassage 210, um eine ordnungsgemäße Verteilung des Wasserflusses zu allen Wasserflußpassagen 210 sicherstellen zu helfen. Während die Gebiete 220 bevorzugt sind, kann es jedoch in einigen Anwendungen wünschenswert sein, daß die Wasserflußpassagen 210 von allen derartigen Gebieten 220 frei sind.
Es wird außerdem bevorzugt, daß jedes der Gebiete 220 durch eine schematisch bei 224 gezeigte Wärmeunterbrechung thermisch von dem Wärmeführungsfluidflußweg 206 isoliert ist. Die Wärmeunterbrechung 224 dient dazu, die Leitung von Wärme zu den Druckabfalleinlaßgebieten 220 zu reduzieren und verhindert oder begrenzt bevorzugt eine etwaige Verdampfung des Wasserflusses in den Gebieten 220.
Wie sowohl in den 9 als auch 10 zu sehen weisen der Wasserfluß und die Wärmeführungsfluidflüsse eine gleichverlaufende Flußbeziehung durch die integrierte Baugruppe 200 auf, deren Vorteile oben erörtert wurden und zu denen das Bereitstellen von Stabilität für das assoziierte System wegen der Temperatureinschränkung zählt und daß das System für Änderungen bei der Flußrate des Wärmeführungsfluids weniger empfindlich wird, sowie Temperaturänderungen in dem Wärmeführungsfluid. Während die gleichfließende Flußanordnung bevorzugt wird, kann es bei einigen Anwendungen wünschenswert sein, daß der Fluß so ausgelegt ist, daß er eine Gegenflußbeziehung bereitstellt, die möglicherweise im Vergleich zu der Gleichflußbeziehung eine niedrigere Flußrate und/oder Einlaßtemperatur für den wärmeführen den Fluidfluß oder eine höhere Auslaßtemperatur des befeuchteten Brennstoffs gestattet.
11 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der integrierten Brennstoffbefeuchterbaugruppe 200. Diese Ausführungsform verwendet eine sogenannte gestapelte Plattenkonstruktion und enthält mehrere Wasser-Brennstoff-Platten oder -Tafeln 228, die mit mehreren wärmetragenden Fluidplatten oder -rahmen 230 verschachtelt sind, wobei jede der Wasser-Brennstoff-Platten eine der Wasserflußpassagen 210 und eine der Brennstoffflußpassagen 212 definiert und jede der wärmeführenden Fluidplatten 230 eine der Wärmeführungsfluidpassagen 214 definiert.
Jede der Wasser-Brennstoff-Platten 228 enthält weiterhin eine Wasser-Brennstoff-Mischkammer 232, die zu beiden der Passagen 210 und 212 offen ist, um Dampf bzw. erwärmten Brennstoff von dort zu empfangen. Jede der Wärmeführungsfluidplatten 230 enthält außerdem eine Wasser-Brennstoff-Mischkammer 234, die von der Wärmeführungsfluidflußpassage 214 geschlossen ist. Die Kammern 232 und 234 sind so ausgerichtet, daß sie das Wasser-Brennstoff-Mischplenum 216 bilden, das sich durch alle Platten 228 und 230 erstreckt.
Jede der Wasser-Brennstoff-Platten 228 enthält weiterhin ein Paar Wärmeführungsfluidbypassöffnungen 238 und 240, die zu den Passagen 210 und 212 in der Wasser-Brennstoff-Platte 228 geschlossen sind. Die Öffnungen 238 und 240 in jeder der Platten 228 sind jeweils auf die gegenüberliegenden Enden der wärmeführenden Fluidflußpassagen 214 in den Wärmeführungsfluidplatten 230 ausgerichtet, um einen Wärmeführungsfluideinlaßverteiler 242 bzw. einen Wärmeführungsfluidausgangsverteiler 244 zu bilden, die sich durch alle die Platten 228 und 230 erstrecken, um das Wärmeführungsfluid in die Passagen hinein- bzw. aus diesen herauszuleiten.
Jede der Wasser-Brennstoff-Platten 228 enthält auch eine Wassereinlaßöffnung 246, wobei die Öffnungen 246 auf einander und eine Wasserbypassöffnung 250 in jeder der Wärmeführungsfluidplatten 230 ausgerichtet sind, um einen Wassereinlaßverteiler 252 auszubilden, der sich durch alle Platten 228 und 230 erstreckt.
Jede der Wärmeführungsfluidplatten enthält eine Brennstoffbypassöffnung 254, wobei die Öffnungen 254 auf ein Ende der Brennstoffflußpassage 212 in jeder der Wasser-Brennstoff-Platten 228 gegenüber der Kammer 232 ausgerichtet sind, um ein Brennstoffeinlaßplenum oder einen Brennstoffeinlaßverteiler 256 auszubilden, das bzw. der sich durch alle Platten 228 und 230 erstreckt, um Brennstoff jeder der Passagen 212 zuzuführen.
Die Baugruppe 200 enthält auch Separatortafeln 260, die zwischen jeder der Platten 228 und 230 verschachtelt sind, um ihre jeweiligen Flußpassagen voneinander abzudichten, wie in gestapelten Plattenwärmetauscherkonstruktionen bekannt ist. Jede der Separatortafeln 260 weist Öffnungen 262, 264, 268, 270 und 272 auf, die auf die Kammern 232 und 234, die Bypassöffnungen 238, die Bypassöffnungen 240, die Wassereinlaßöffnungen 246 und die Bypassöffnungen 250 bzw. die Brennstoffbypassöffnungen 254 ausgerichtet sind und diesen entsprechen.
Die Baugruppe 200 enthält auch ein Paar Endplatten 280 und 282, die die Platten 228 und 230 und die Tafeln 260 einschließen, um die Baugruppe 200 auf fluiddichte Weise abzudichten. Die Endplatte 280 enthält einen Wärmeführungsfluideinlaßanschluß oder -port 284, der auf den Wärmeführungsfluideinlaßverteiler 242 ausgerichtet ist, um Wärmeführungsfluid dorthin zu lenken, und einen Befeuchteter-Brennstoff-Auslaßanschluß oder -port 286, der auf das Wasser- Brennstoff-Mischplenum 236 an einem Ende des Plenums 236 gegenüber den Öffnungen zu den Passagen 210 und 212 ausgerichtet ist, um befeuchteten Brennstoff von dem Plenum 236 wegzulenken. Die Endplatte 282 enthält einen Wassereinlaßanschluß oder -port 288, der auf den Wasserverteiler 252 ausgerichtet ist, um den Wasserfluß dorthin zu liefern, einen Brennstoffeinlaßanschluß oder -port 290, der auf den Brennstoffverteiler 256 ausgerichtet ist, um den Brennstofffluß dorthin zu liefern, und einen Wärmeführungsfluidauslaßanschluß oder -port 292, der auf den Auslaßverteiler 244 ausgerichtet ist, um Wärmeführungsfluid von dort wegzulenken.
Wie am besten in 12 zu sehen, wird die Passage 210 durch einen durchgehenden Schlitz definiert, der sich von der Wassereinlaßöffnung 246 zur Wasser-Brennstoff-Mischkammer 232 erstreckt, wobei der Schlitz zu beiden Flächen der Platte 228 offen ist. Analog wird die Brennstoffpassage 212 durch einen durchgehenden Schlitz definiert, der sich von dem Brennstoffeinlaßverteiler 256 zu der Wasser-Brennstoff-Mischkammer 232 erstreckt, wobei der Schlitz wieder zu den gegenüberliegenden Flächen der Wasser-Brennstoff-Platte 228 offen ist. Unter Bezugnahme auf beide 11 und 12 wird das Druckreduktionsgebiet 220 der Passage 210 durch einen Abschnitt des Schlitzes definiert, der in einem engen Mäandermuster mit einer relativ geringen Schlitzbreite ausgebildet ist, die zusammen einen gewundenen Flußweg bereitstellen. Die Wasserpassage 210 geht dann weiter zu einem offeneren Gebiet des Schlitzes, wo es zur Verdampfung des Wassers kommt. In dieser Hinsicht weist die Anfangslänge des Schlitzes neben dem Druckreduktionsgebiet 220 eine reduzierte Breite auf, um eine Trennung des Wasserflusses zu vermeiden, während er sich von dem Druckreduktionsgebiet 220 zum Rest 222 der Flußpassage 210 bewegt, wobei sich die Passage 210 weiter aufweitet, wenn sie sich zur Kammer 232 erstreckt.
Wie am besten in 12 zu sehen, enthält jede der Wasser-Brennstoff-Platten 228 auch die Wärmeunterbrechung 224 in Form eines Spalts oder Schlitzes 300, der sich über die Länge des Druckabfalleinlaßgebiets 220 zwischen dem Druckreduktionsgebiet 220 und dem Rest 222 der Wasserflußpassage 210 erstreckt. Wie in 11 zu sehen enthält jede der Wärmeführungsfluidplatten 230 einen entsprechenden Spalt oder Schlitz 302, wobei jede der Separatortafeln 260 einen entsprechenden Spalt oder Schlitz 304 enthält und jede der Endplatten 282 einen entsprechenden Spalt oder Schlitz 306 enthält, wobei alle die Spalte 300, 302, 304, 306 durch den Stack hindurch ausgerichtet sind, um ein Plenum 308 zu bilden, das sich durch den Stack erstreckt und zur Atmosphäre offen ist. Wie oben erörtert wirkt die Wärmeunterbrechung 224 dahingehend, die Leitung von Wärme zum Druckabfalleinlaßgebiet 220 zu minimieren, und verhindert oder begrenzt bevorzugt eine etwaige Verdampfung des Wasserflusses in dem Druckreduktionsgebiet 220, um sicherzustellen, daß der Wasserfluß im Druckreduktionsgebiet 220 in der flüssigen Phase bleibt. Dies ist wünschenswert, da, wenn man das Wasser verdampfen läßt, in den schmalen Passagen des Druckabfalleinlaßgebiets 220 ein hoher Druckabfall erzeugt werden könnte und dieser Druckabfall könnte dominieren. Während die Wärmeunterbrechung 224 bevorzugt wird, kann es bei einigen Anwendungen möglicherweise wünschenswert sein, in der Baugruppe 200 nicht die Wärmeunterbrechung 224 zu haben.
Wie in beiden 11 und 12 zu sehen ist, lenkt die Flußpassage 210 den Wasserfluß in eine global gleichgerichtete Flußbeziehung mit dem Wärmeführungsfluidfluß in der Passage 214, ist aber mit einer geschlängelten Konfiguration ausgebildet, um einen lokalisierten Querfluß bezüglich des Wärmeführungs fluidflusses in der Passage 214 bereitzustellen und dadurch die Übertragung von Wärme zum Wasser zu verbessern und dennoch die gewünschte gleichgerichtete Flußbeziehung bereitzustellen.
Bevorzugt enthält jede der Flußpassagen 214 vergrößerte Oberflächen, die in der dargestellten Ausführungsform in Form einer Rippe oder eines Turbulatoreinsatzes 310 gezeigt sind, von denen viele geeignete Arten bekannt sind. Vergrößerte Oberflächen können auch in den Flußpassagen 210 und 212 vorgesehen sein, sind aber in der dargestellten Ausführungsform nicht gezeigt.
Unter Bezugnahme auf 13 ist ein Wasser-Brennstoff-Plattenpaar 312 gezeigt, um eine alternative Ausführungsform zum Ausbilden der Wasserflußpassage 210 zu veranschaulichen. Jede Platte 314, 316 des Plattenpaars 312 enthält mehrere diskrete Schlitze 318, die so angeordnet sind, daß sie über Abschnitten von entsprechenden diskreten Schlitzen 318 in der gegenüberliegenden Platte liegen, um die Wasserflußpassage 210 auszubilden, wobei das Wasser von einem der Schlitze 318 in einer der Platten 314, 316 zu einem entsprechenden Schlitz 318 in der gegenüberliegenden Platte 314, 316 und dann von diesem entsprechenden Schlitz 318 zurück zu einem zweiten entsprechenden Schlitz 318 in der ersten Platte 314, 316 und so weiter fließt, bis das Wasser in den Wasser-Brennstoff-Mischer 8 fließt. Das Druckreduktionsgebiet 220 ist in dieser Ausführungsform durch mehrere einzelne der Schlitze 318 definiert, jeweils mit einer relativ geringen Breite und kurzen Länge, wodurch viele Änderungen in der Flußrichtung erforderlich werden und der gewundene Flußweg bereitgestellt wird. Für die bestimmte Anordnung von Schlitzen in 13 ist die Wasserflußpassage 210 in drei parallele Schenkel 320 unterteilt, doch versteht sich, daß eine derartige Konfiguration optional ist und sehr von den Anforderungen jeder Anwendung abhängt. Es sei auch angemerkt, daß mehrere der Plattenpaare 312 entsprechender Gestalt und Größe für die Wasser-Brennstoff-Platten 228 in der in den 11 und 12 gezeigten Ausführungsform substituiert werden könnten.
Wenngleich eine Reihe bevorzugter Ausführungsformen für die Baugruppe 200 in Verbindung mit 11-13 gezeigt und beschrieben worden sind, versteht sich, daß eine beliebige geeignete Wärmetauscherkonstruktion verwendet werden kann, um die Baugruppe 200 auszubilden, einschließlich beispielsweise Konstruktionen vom Platte-und-Stab-Typ, Ziehnapfkonstruktionen, verschachtelte Plattenkonstruktionen und Konstruktionen, die diskrete Wärmeübertragungsrohre enthalten. Es sei auch angemerkt, daß die jeweilige verwendete Art von Wärmetauscherkonstruktion stark von den jeweiligen Anforderungen des Systems abhängt, in denen die integrierte Befeuchterbaugruppe 200 eingesetzt wird. In dieser Hinsicht ist zu verstehen, daß die integrierte Brennstoffbefeuchterbaugruppe 200 zwar hier in Verbindung mit dem Brennstoffzellensystem 1 beschrieben worden ist, die integrierte Brennstoffbefeuchterbaugruppe Anwendung in vielen anderen Arten von Systemen finden kann und daß keine Einschränkung auf ein Brennstoffzellensystem beabsichtigt ist, sofern nicht ausdrücklich in den Ansprüchen angeführt.
Während die integrierte Baugruppe 200 unter Verwendung eines beliebigen geeigneten Materials für die jeweilige Anwendung hergestellt werden kann, wird bei Anwendung in dem Brennstoffzellensystem 1 bevorzugt, daß die Tafeln 260 und Platten 228, 230, 280 und 282 aus rostfreiem Stahl oder einer anderen geeigneten korrosionsbeständigen Legierung ausgebildet und unter Verwendung einer anderen geeigneten korrosionsbeständigen Hartlotlegierung nickelverlötet oder hartgelötet sind.
Die vorausgegangene Beschreibung der Erfindung wurde zu Zwecken der Darstellung und Beschreibung vorgelegt. Sie soll nicht umfassend sein oder die Erfindung auf die offenbarte präzise Form beschränken, und Modifikationen und Variationen sind angesichts der obigen Lehren möglich und können durch die Ausübung der Erfindung in Erfahrung gebracht werden. Die Beschreibung wurde gewählt, um die Prinzipien der Erfindung und ihre praktische Anwendung zu erläutern. Der Schutzbereich der Erfindung soll durch die hier beigefügten Ansprüche und ihre Äquivalente definiert sein.

Claims

Brennstoffzellensystem (1), das folgendes umfaßt: einen Brennstoffzellenstack (3) und eine Wärmeübertragungseinrichtung (5), die dafür ausgelegt ist, Wärme von einer Kathodenabgasströmung des Brennstoffzellenstacks (3) zu Wasser zur Lieferung an eine Brennstoffeinlaßströmung zu übertragen.
System nach Anspruch 1, wobei der Brennstoffzellenstack (3) einen Festoxid-Brennstoffzellenstack umfaßt.
System nach Anspruch 1, wobei die Wärmeübertragungseinrichtung (5) einen Wasserverdampfer (6) umfaßt, der ausgelegt ist zum Umwandeln von flüssigem Wasser in Dampf, wobei der Verdampfer (6) folgendes umfaßt: einen ersten Eingang, der im Betrieb mit einem Kathodenabgasauslaß des Brennstoffzellenstacks (3) verbunden ist; einen zweiten Eingang, der im Betrieb mit einer Wasserquelle (13) verbunden ist; und einen ersten Ausgang, der im Betrieb mit einem Brennstoffeinlaß (17) des Brennstoffzellenstacks (3) verbunden ist.
System nach Anspruch 3, weiterhin umfassend einen Brennstoffvorerhitzer (67), der folgendes umfaßt: einen ersten Eingang (69), der im Betrieb mit einem Kathodenabgasauslaß (9) des Brennstoffzellenstacks (3) verbunden ist; einen zweiten Eingang (71), der im Betrieb mit einer Brennstoffquelle (27) verbunden ist; und einen ersten Ausgang (73), der im Betrieb mit dem Brennstoffzellenstack (3) verbunden ist.
System nach Anspruch 4, wobei der Brennstoffvorerhitzer (67) dafür ausgelegt ist, Wärme von der Kathodenabgasströmung des Brennstoffzellenstacks (3) zu der zu dem Brennstoffzellenstack (3) zugeführten Brennstoffeinlaßströmung zu übertragen.
System nach Anspruch 5, wobei: der Verdampfer (6) einen Gleichstromverdampfer umfaßt, in dem die Kathodenabgasströmung und das Wasser dafür ausgelegt sind, in eine gleiche Richtung zu fließen; und ein Ausgang des Verdampfers (6) im Betrieb mit einem Einlaß des Brennstoffvorerhitzer-Wärmetauschers (67) so verbunden ist, daß die Kathodenabgasströmung von dem Verdampfer (6) in den Brennstoffvorerhitzer-Wärmetauscher (67) fließt.
System nach Anspruch 1, weiterhin umfassend einen Luftvorerhitzer (39), der dafür ausgelegt ist, eine Lufteinlaßströmung unter Verwendung von Wärme von einer Anodenabgasströmung vorzuerwärmen.
System nach Anspruch 7, wobei der Luftvorerhitzer (39) dafür ausgelegt ist, den Wasserdampf in der Anodenabgasströmung teilweise zu kondensieren, bevor die Anodenabgasströmung in einen Kondensator eintritt.
System nach Anspruch 7, weiterhin umfassend einen Kathodenrekuperator (33) mit einer Größe unter einer vorbestimmten Größe, so daß der Kathodenrekuperator (33) dafür ausgelegt ist, die aus dem Kathodenrekuperator (33) austretende Kathodenabgasströmung mit einer Temperatur von mindestens 200°C bereitzustellen.
Brennstoffzellensystem, das folgendes umfaßt: einen Brennstoffzellenstack (3); ein erstes Mittel zum Verdampfen von Wasser zu Dampf unter Verwendung von Wärme von einer Brennstoffzellenstack-Kathodenabgasströmung und ein zweites Mittel zum Liefern des Dampfs in eine in den Brennstoffzellenstack (3) gelenkte Brennstoffeinlaßströmung.
System nach Anspruch 10, weiterhin umfassend: ein drittes Mittel zum Erwärmen einer Lufteinlaßströmung unter Verwendung der Kathodenabgasströmung vor dem Verdampfen des Wassers und zum Bereitstellen einer austretenden Kathodenabgasströmung mit einer Temperatur von mindestens 200°C nach dem Erwärmen der Lufteinlaßströmung und ein viertes Mittel zum Erwärmen der Lufteinlaßströmung unter Verwendung einer Brennstoffzellenstack-Anodenabgasströmung vor dem Erwärmen der Lufteinlaßströmung unter Verwendung der Kathodenabgasströmung.
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, umfassend: Betreiben eines Brennstoffzellenstacks (3) zum Erzeugen von Elektrizität; Verdampfen von Wasser zu Dampf unter Verwendung von Wärme von einer Brennstoffzellenstack-Kathodenabgasströmung und Liefern des Dampfs in eine in den Brennstoffzellenstack (3) gelenkte Brennstoffeinlaßströmung.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Brennstoffzellenstack (3) einen Festoxid-Brennstoffzellenstack umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 12, weiterhin umfassend das Erwärmen einer Lufteinlaßströmung unter Verwendung der Kathodenabgasströmung vor dem Verdampfen des Wassers.
Verfahren nach Anspruch 14, weiterhin umfassend das Erwärmen der Lufteinlaßströmung unter Verwendung einer Brennstoffzellenstack-Anodenabgasströmung vor dem Erwärmen der Lufteinlaßströmung unter Verwendung der Kathodenabgasströmung.
Verfahren nach Anspruch 15, weiterhin umfassend das teilweise Kondensieren von Wasserdampf in der Anodenabgasströmung während des Erwärmens der Lufteinlaßströmung.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Kathodenabgasströmung eine Temperatur von mindestens 200°C nach dem Erwärmen der Lufteinlaßströmung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 12, weiterhin umfassend Vorerwärmen der Brennstoffeinlaßströmung mit der Kathodenabgasströmung nach dem Verdampfen des Wassers.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt des Verdampfens das Fließen der Kathodenabgasströmung und des Wassers in einer gleichen Richtung in einem Verdampfer umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 12, weiterhin umfassend: das Mischen des Dampfs und der Brennstoffeinlaßströmung; das Erwärmen der Dampf-Brennstoff-Mischung unter Verwendung von Wärme von einer Brennstoffzellenstack-Anodenabgasströmung und das Bereitstellen der Dampf-Brennstoff-Mischung in einen Reformer (21).
Verfahren nach Anspruch 12, weiterhin umfassend: das Reformieren des Brennstoffs umfassend mindestens eines von Methan und Erdgas in dem Reformer (21) und das Liefern des reformierten Brennstoffs in den Anodeneinlaß des Brennstoffzellenstacks (3).
Brennstoffzellensystem, umfassend: einen Brennstoffzellenstack (3) und einen Gleichstromwasserverdampfer (6), der dafür ausgelegt ist, Wärme von einer Kathodenabgasströmung zu Wasser zur Lieferung an eine Brennstoffeinlaßströmung zu übertragen.
System nach Anspruch 22, weiterhin umfassend einen Brennstoffvorerhitzer (29), wobei ein Kathodenabgasströmungsausgang des Verdampfers (6) im Betrieb mit dem Brennstoffvorerhitzer (29) derart verbunden ist, daß die Kathodenabgasströmung von dem Verdampfer (6) in den Brennstoffvorerhitzer (29) fließt.
Brennstoffzellensystem, umfassend: einen Brennstoffzellenstack und ein erstes Mittel zum Übertragen von Wärme von einer Kathodenabgasströmung zu Wasser zur Lieferung an eine Brennstoffeinlaßströmung, so daß die Kathodenabgasströmung und das Wasser in dem ersten Mittel in einer gleichen Richtung fließen.
System nach Anspruch 24, wobei: das erste Mittel ein Mittel umfaßt zum Liefern der Kathodenabgasströmung in einen Brennstoffvorerhitzer.
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, umfassend: Fließen einer Kathodenabgasströmung und einer Wasserströmung in einer Gleichstrombeziehung; Verdampfen des Wassers zu Dampf unter Verwendung von Wärme von der Kathodenabgasströmung beim Fließen in der Gleichstrombeziehung und Liefern des Dampfs in eine Brennstoffeinlaßströmung, der in einen Brennstoffzellenstack (3) gelenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 26, weiterhin umfassend: Erwärmen eines Brennstoffflusses unter Verwendung von Wärme von der Kathodenabgasströmung nach dem Verdampfungsschritt.
Brennstoffzellensystem, das folgendes umfaßt: einen Brennstoffzellenstack (3); eine Wärmeübertragungseinrichtung (5), die dafür ausgelegt ist, Wärme von einer Kathodenabgasströmung des Brennstoffzellenstacks (3) zu Wasser zur Lieferung an eine Brennstoffeinlaßströmung zu übertragen; einen Luftvorerhitzer (39), der dafür ausgelegt ist, eine Lufteinlaßströmung unter Verwendung von Wärme von einer Anodenabgasströmung vorzuerhitzen; und einen Kathodenrekuperator (33), der dafür ausgelegt ist, Wärme von der Kathodenabgasströmung zu der Lufteinlaßströmung zu übertragen, wobei der Kathodenrekuperator (33) im Betrieb vor die Wärmeübertragungseinrichtung bezüglich der Kathodenabgasströmung und hinter den Luftvorerhitzer (39) bezüglich der Lufteinlaßströmung geschaltet ist und so bemessen ist, daß er eine Kathodenabgasströmung zu der Wärmeübertragungseinrichtung (5) mit einer ausreichend hohen Temperatur liefert, um die Verdampfung des Wassers in der Wärmeübertragungseinrichtung (5) zu gestatten.
System nach Anspruch 28, wobei der Kathodenrekuperator (33) so bemessen ist, daß er die aus dem Kathodenrekuperator (33) austretende Kathodenabgasströmung mit einer Temperatur von mindestens 200°C liefert.