DE102006020145A1

DE102006020145A1 - Brennstoffzellensystem mit integrierter Brennstoffbefeuchtereinheit

Info

Publication number: DE102006020145A1
Application number: DE102006020145A
Authority: DE
Inventors: Todd M. Racine Bandhauer; Michael J. Franklin Reinke; Jeroen Muskego Valensa; Michael N. Racine McGregor
Original assignee: Modine Manufacturing Co
Current assignee: Modine Manufacturing Co
Priority date: 2005-05-09
Filing date: 2006-05-02
Publication date: 2006-11-16
Also published as: US20060248799A1; FR2894389A1; BRPI0601630A; CN1862863A; AU2006201421A1; JP2006318907A

Abstract

Es wird eine integrierte Brennstoffbefeuchtereinheit (200) bereitgestellt, die einen Wasserverdampfer (6), einen Brennstofferwärmer (67) sowie einen Brennstoff/Dampf-Mischer (8) beinhaltet, der sowohl mit dem Wasserverdampfer (6), um von dort Dampf zu erhalten, als auch mit dem Brennstofferwärmer (67), um von dort erwärmten Brennstoff zu erhalten, verbunden ist, wobei eine Lufteinlaßströmung Wärme von einer Brennstoffzellenstapelanodenabgasströmung nutzt.

Description

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

Brennstoffzellen sind elektrochemische Vorrichtungen, die in Brennstoffen gespeicherte Energie in elektrische Energie mit hohen Wirkungsgraden umwandeln können. Hochtemperaturbrennstoffzellen beinhalten Festoxid- und Schmelzkarbonatbrennstoffzellen. Diese Brennstoffzellen können unter Verwendung von Wasserstoff- und/oder Kohlenwasserstoffbrennstoffen betrieben werden. Es gibt Klassen von Brennstoffzellen, beispielsweise die regenerativen Festoxidbrennstoffzellen, die auch einen Umkehrbetrieb zulassen, wobei oxidierter Brennstoff unter Verwendung eingegebener elektrischer Energie zu nicht oxidiertem Brennstoff zurückreduziert werden kann.

In einem Hochtemperaturbrennstoffzellensystem, wie beispielsweise in einem Festoxidbrennstoffzellensystem (SOFC-System), verläuft eine oxidierende Strömung durch die Kathodenseite der Brennstoffzelle, während eine Brennstoffströmung durch die Anodenseite der Brennstoffzelle verläuft. Bei der oxidierenden Strömung handelt es sich typischerweise um Luft, während die Brennstoffströmung typischerweise ein durch Reformieren einer Kohlenwasserstoffbrennstoffquelle erzeugtes wasserstoffreiches Gas ist. Die Brennstoffzelle, die bei einer typischerweise zwischen 750°C und 950°C liegenden Temperatur betrieben wird, ermöglicht den Transport negativ geladener Sauerstoffionen aus der Kathodenströmung zur Anodenströmung, wo sich das Ion entweder mit freiem Wasserstoff oder mit Wasserstoff in einem Kohlenwasserstoffmolekül, um Wasserdampf zu bilden, und/oder mit Kohlenmonoxid, um Kohlendioxid zu bilden, vereint. Die überschüssigen Elektronen aus dem negativ geladenen Ion werden durch einen zwischen Anode und Kathode vorgesehenen elektrischen Stromkreis zur Kathodenseite der Brennstoffzelle zurückgeleitet, was einen durch den Stromkreis fließenden elektrischen Strom zur Folge hat.

KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine integrierte Brennstoffbefeuchtereinheit mit einem Wasserverdampfer, einem Brennstofferwärmer sowie einem Brennstoff/Dampf-Mischer bereitgestellt, der sowohl mit dem Wasserverdampfer, um von dort Dampf zu erhalten, als auch mit dem Brennstofferwärmer, um von dort erwärmten Brennstoff zu erhalten, verbunden ist.

Gemäß einem Aspekt sind der Wasserverdampfer, der Brennstofferwärmer sowie der Brennstoff/Dampf-Mischer durch einen Stapel von Platten definiert, zu denen Wasser/Brennstoff-Platten zählen, die mit Wärmeträgerfluidplatten verschachtelt sind.

Gemäß einem Aspekt sind der Wasserverdampfer, der Brennstofferwärmer sowie der Brennstoff/Dampf-Mischer durch einen Stapel von Platten definiert, zu denen mehrere Wasser/Brennstoff-Plattenpaare zählen, die mit mehreren Wärmeträgerfluidplatten verschachtelt sind.

In Übereinstimmung mit einem Aspekt der Erfindung wird ein System bereitgestellt, das eine Strömung aus befeuchtetem Brennstoff erfordert. Das System beinhaltet eine Wärmeträgerfluidquelle, eine Wasserquelle, eine Brennstoffquelle sowie eine integrierte Brennstoffbefeuchtereinheit, die betriebswirksam mit der Wärmeträgerfluidquelle, um von dort eine Wärmeträgerfluidströmung zu erhalten, mit der Wasserquelle, um von dort eine Wasserströmung zu erhalten, und mit der Brennstoff quelle, um von dort eine Brennstoffströmung zu erhalten, verbunden ist. Die integrierte Brennstoffbefeuchtereinheit beinhaltet einen Wasserverdampfer, einen Brennstofferwärmer, um die Brennstoffströmung zu erwärmen, sowie einen Brennstoff/Dampf-Mischer, der sowohl mit dem Wasserverdampfer, um von dort Dampf zu erhalten, als auch mit dem Brennstofferwärmer, um von dort erwärmten Brennstoff zu erhalten, verbunden ist.

Gemäß einem Aspekt ist der integrierte Brennstoffbefeuchter so konfiguriert, daß die Wasserströmung in einem Gleichstrom-Strömungsverhältnis zur Wärmeträgerfluidströmung durch den Wasserverdampfer geleitet wird.

Gemäß einem Aspekt ist der integrierte Brennstoffbefeuchter so konfiguriert, daß die Wärmeträgerfluidströmung stromabwärts hinter dem Wasserverdampfer dem Brennstofferwärmer zugeleitet wird.

In Übereinstimmung mit einem Aspekt der Erfindung wird eine integrierte Brennstoffbefeuchtereinheit bereitgestellt, zu der ein Wasserverdampfer, ein Brennstofferwärmer sowie ein Brennstoff/Dampf-Mischer zählen. Der Wasserverdampfer beinhaltet einen Wasserströmungsweg in einem Wärmeübertragungsverhältnis zu einem Wärmeträgerfluidströmungsweg. Der Brennstofferwärmer beinhaltet einen Brennstoffströmungsweg in einem Wärmeübertragungsverhältnis zum Wärmeträgerfluidströmungsweg, und der Brennstoff/Dampf-Mischer ist sowohl mit dem Wasserströmungsweg, um von dort Dampf zu erhalten, als auch mit dem Brennstoffströmungsweg, um von dort erwärmten Brennstoff zu erhalten, verbunden.

Gemäß einem Aspekt ist der Brennstofferwärmer im Verhältnis zum Wärmeträgerfluidströmungsweg stromabwärts hinter dem Wasserverdampfer vorgesehen.

Gemäß einem Aspekt beinhaltet der Wasserströmungsweg mehrere parallele Wasserströmungsdurchgänge, der Brennstoffströmungsweg beinhaltet mehrere parallele Brennstoffströmungsdurchgänge, und der Wärmeträgerfluidströmungsweg beinhaltet mehrere parallele Wärmeträgerfluidströmungsdurchgänge, die mit den Wasserströmungsdurchgängen im Wasserverdampfer und mit den Brennstoffströmungsdurchgängen im Brennstofferwärmer verschachtelt sind.

Gemäß einem weiteren Aspekt beinhaltet der Brennstoff/Dampf-Mischer ein Plenum, das mit allen der Wasser- und Brennstoffströmungsdurchgänge verbunden ist.

Gemäß einem anderen weiteren Aspekt beinhaltet jeder der Wasserströmungsdurchgänge einen Einlaßbereich, der einen Flüssigkeitsdruckabfallbereich für die Wasserströmung definiert.

Gemäß einem Aspekt beinhaltet der Flüssigkeitsdruckabfallbereich einen gekrümmten Strömungsweg.

Gemäß einem Aspekt ist jeder der Einlaßbereiche gegenüber einem Rest des entsprechenden Wasserströmungsdurchgangs durch eine Wärmesperre thermisch isoliert. Gemäß einem weiteren Aspekt ist jede der Wärmesperren in der Form eines Schlitzes vorgesehen, der sich zwischen dem entsprechenden Einlaßbereich und dem Rest des Wasserströmungsdurchgangs erstreckt.

Gemäß einem Aspekt sind die Einlaßbereiche vom Wärmeträgerfluidströmungsweg durch eine Wärmesperre getrennt. Gemäß einem weiteren Aspekt ist die Wärmesperre in der Form eines Plenums vorgesehen, das zur Atmosphäre hin offen ist und sich zwischen allen der Einlaßbereiche und dem Wärmeträgerfluidströmungsweg erstreckt.

Gemäß einem Aspekt sind die Strömungsdurchgänge durch mehrere Wasser/Brennstoff-Platten, die mit mehreren Wärmeträgerfluidplatten verschachtelt sind, definiert, wobei jede der Wasser/Brennstoff-Platten einen der Wasserströmungsdurchgänge und einen der Brennstoffströmungsdurchgänge und jede der Wärmeträgerfluidplatten einen der Wärmeträgerfluiddurchgänge definiert.

Gemäß einem weiteren Aspekt beinhaltet jede der Platten weiterhin eine Wasser/Brennstoff-Mischkammer, wobei die Kammern so ausgerichtet sind, daß sie ein Wasser/Brennstoff-Mischplenum bilden, und die Kammern sowohl zu den Wasserströmungsdurchgängen als auch zu den Brennstoffströmungsdurchgängen offen sind.

Gemäß einem anderen weiteren Aspekt definiert jede der Wasser/Brennstoff-Platten einen Wassereinlaßbereich als Teil des Wasserströmungsdurchgangs der Wasser/Brennstoff-Platte, wobei der Wassereinlaßbereich von einem Rest der Wasserströmungsdurchgänge durch einen Schlitz in der Wasser/Brennstoff-Platte getrennt ist.

Gemäß einem Aspekt hat jeder der Wasserströmungsdurchgänge eine serpentinenartige Form.

Gemäß einem Aspekt beinhaltet die integrierte Brennstoffbefeuchtereinheit weiterhin einen Wärmeträgerfluideinlaßverteiler sowie einen Wärmeträgerfluidauslaßverteiler, wobei der Wärmeträgerfluidströmungsweg vom Einlaßverteiler zum Auslaßverteiler verläuft und der Brennstoff/Dampf-Mischer angrenzend an den Wärmeträgerfluidauslaßverteiler vorgesehen ist. Gemäß einem weiteren Aspekt beinhaltet der Wasserströmungsweg einen Verdampfungsabschnitt, der angrenzend an den Wärmeträgerfluideinlaß beginnt und am Brennstoff/Dampf-Mischer endet.

Andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der vollständigen Patentbeschreibung sowie aus den beiliegenden Ansprüchen und Zeichnungen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist ein Diagramm, das die Temperatur in Abhängigkeit von der Wärme für eine Fluidströmung in einem System eines Vergleichsbeispiels zeigt.

Die 2 und 3 sind schematische Darstellungen von Brennstoffzellensystemen gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2 ist ein Strömungsdiagramm mit Systemkomponenten und 3 eine schematische Darstellung des Wärmetauschernetzes für das Brennstoffzellensystem.

Die 4, 5, 6 und 8 sind Diagramme, die die Temperatur in Abhängigkeit von der Wärme für verschiedene Fluidströmungen in Systemen der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigen.

7 ist eine schematische Darstellung des Wärmetauschernetzes für das Brennstoffzellensystem der dritten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

9 ist eine in etwa schematische Darstellung einer integrierten Brennstoffbefeuchtereinheit der Erfindung.

10 ist eine in etwa schematische Darstellung, die die Strömungswege der Einheit von 9 zeigt.

11 ist eine teilweise auseinandergezogene perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Einheit von 9.

12 ist eine Draufsicht einer Wärmetauscherplatte der Einheit von 11.

13 ist eine teilweise auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines Wärmetauscherplattenpaars zur Verwendung in einer Ausführungsform der Einheit von 9.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Um die SOFC auf ihrer erhöhten Betriebstemperatur zu halten, übertragen die aus der Brennstoffzelle austretenden Anoden- und Kathodenströmungen durch eine Reihe rekuperativer Wärmetauscher typischerweise Wärme auf die eintretenden Strömungen. In einem Vergleichsbeispiel kann dazu das Verfahren zur Übertragung von Wärme auf eine flüssige Wasserquelle zählen, so daß Dampf zum Dampfreformieren eines Kohlenwasserstoffbrennstoffs erzeugt wird, um die wasserstoffreiche Reformatströmung zu erzeugen.
Die Kathodenwärme kann beispielsweise rekuperativ von der Kathodenabgasströmung auf die eintretende Kathodenluft übertragen werden, während die Anodenwärme teilweise rekuperativ vom Anodenabgas auf den eintretenden befeuchteten Brennstoff, beispielsweise Naturgas, der in den Dampfreformer eingeleitet und teilweise auf das Wasser übertragen wird, um den zur Brennstoffbefeuchtung in den Brennstoff eingeleiteten Wasserdampf zu erzeugen. Zusätzlich kann der Wasserdampf innerhalb des Anodenabgases zurückgewonnen werden, um entweder vollständig oder teilweise als die Wasserquelle für den Dampfreformer zu dienen.
Nach Feststellungen der Erfinder zeigt eine thermodynamische Analyse des Systems, in dem die Anodenabgasströmung (d.h. brennstoffseitige Strömung) verwendet wird, um den befeuchteten Brennstoff zu erwärmen und das Wasser zu verdampfen, daß in dem aus der Brennstoffzelle austretenden Anodenabgas mehr Energie vorhanden ist, als auf den eintretenden befeuchteten Brennstoff (d.h. Wasser und Brennstoff) übertragen werden muß. Eine beträchtliche Teilmenge sowohl der im Anodenabgas verfügbaren Wärme als auch der für die Einspeisung erforderlichen Wärme liegt jedoch in der Form latenter Wärme vor. Es kann sein, daß sich, während ausreichende Energie im Anodenabgas verfügbar ist, Versuche, die Wärme vom Anodenabgas auf das Wasser und Naturgas über einen Wärmetauscher, in dem die Wärme durch Konvektion von der Anodenabgasströmung auf eine thermisch leitfähige Oberfläche übertragen wird, die die Abgasströmung und eines oder mehrere der eintretenden Fluide trennt, sowie von der Oberfläche auf eines oder mehrere der eintretenden Fluide zu übertragen, als kommerziell unpraktisch erweisen.
Das vorstehend beschriebene Problem ist in 1 erläutert, in der die Temperatur in Abhängigkeit von der für das Anodenabgas und das Wasser übertragenen Wärme dargestellt ist. Die Bedingungen in 1 gehen von einer 400°C betragenden Anodenabgastemperatur beim Eintritt von einem Wasser/Gas-Shiftreaktor in einen Verdampfer (d.h. Verdampfungsapparat) sowie von einem hypothetischen Gegenstromverdampfer aus, mit dem eine vollständige Verdampfung des Wassers erzielt werden kann, wobei die Überhitzung minimal ist.
Wie aus 1 ersichtlich, wird durch die Kondensation von Wasserdampf aus dem vollständig gesättigten Anodenabgas und die isothermische Verdampfung des Wassers bewirkt, daß die Temperatur des wärmeabgebenden Anodenabgases unter die Temperatur des wärmeaufnehmenden Wassers für eine wesentliche Teilmenge der Wärmeleistung abfällt (d.h. die Wasserkurve befindet sich oberhalb der Anodenabgaskurve für Q-Werte von etwa 1.100 bis etwa 1.750 W). Als eine Folge davon kann sich das lediglich durch Verwendung typischer Wärmetauscher realisierbare Erzielen der erforderlichen Wärmeübertragung zwischen den Fluiden für die in 1 angenommenen Bedingungen als nicht durchführbar erweisen, da es für die Übertragung von Wärme in einem typischen Wärmetauscher erforderlich ist, daß die Temperatur des thermisch leitfähigen Trennmaterials niedriger als die örtliche Fluidmassentemperatur des wärmeabgebenden Fluids und höher als die örtliche Fluidmassentemperatur des wärmeaufnehmenden Fluids ist.
Daher ist möglicherweise eine zusätzliche Wärmequelle erforderlich, damit genügend Wasser verdampft werden kann, um der für eine Methanreformierung notwendigen Dampfmenge zu entsprechen, die in einem System mit einer elektrischen Ausgangsleistung von 6,5 kW soviel wie 1,5 kW betragen kann. Diese zusätzliche Wärmequelle reduziert den Wirkungsgrad des Systems.
Die Erfinder haben festgestellt, daß das Kathodenabgas (d.h. luftseitig) verwendet werden kann, um in den Brennstoff eingeleitetes Wasser zu verdampfen und/oder den in das System eingeleiteten Brennstoff zu erwärmen. Durch Anwendung dieses alternativen Lösungsweges zur Rückgewinnung von Wärmeenergie im SOFC-Brennstoffzellensystem kann das gesamte thermodynamische Potential der Abgase zurückgewonnen werden, um eine Vorerwärmung der Brennstoffzelleneinspeisungen ohne Stoffaustauschvorrichtungen, wie beispielsweise ein Enthalpierad, oder zusätzliche Wärmequellen zu realisieren. In einigen Systemen, in denen dieser alternative Lösungsweg zur Anwendung kommt, kann es jedoch dennoch erwünscht sein, Stoffaustauschvorrichtungen, wie beispielsweise ein Enthalpierad, oder zusätzliche Wärmequellen zu verwenden. Das System, in dem das Kathodenabgas verwendet wird, um Wasser zwecks Befeuchtung des Brennstoffs zu verdampfen und/oder eintretenden Brennstoff zu erwärmen, läßt sich auch passiv steuern. In einigen Systemen, in denen das Kathodenabgas verwendet wird, um Wasser zwecks Befeuchtung des Brennstoffs zu verdampfen und/oder eintretenden Brennstoff zu erwärmen, kann es erwünscht sein, eine aktive Steuerung vorzunehmen.
Die 2 und 3 zeigen ein Brennstoffzellensystem 1 gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Das System 1 ist vorzugsweise ein Hochtemperaturbrennstoffzellenstapelsystem, wie beispielsweise ein Festoxidbrennstoffzellensystem (SOFC) oder ein Schmelzkarbonatbrennstoffzellensystem. Das System 1 kann ein regeneratives System sein, wie beispielsweise ein regeneratives Festoxidbrennstoffzellensystem (SORFC), das sowohl im Brennstoffzellenmodus (d.h. Austrag) als auch im Elektrolysemodus (d.h. Beaufschlagung) arbeitet, oder es kann ein nicht regeneratives System sein, das lediglich im Brennstoffzellenmodus arbeitet.
Das System 1 enthält einen oder mehrere Hochtemperaturbrennstoffzellenstapel 3. Der Stapel 3 kann mehrere SOFCs, SORFCs oder Schmelzkarbonatbrennstoffzellen 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 beispielsweise Trennplatten/elektrische Kontakte, Brennstoffzellengehäuse und Isolierung. In einer im Brennstoffzellenmodus arbeitenden SOFC tritt das Oxidationsmittel, wie beispielsweise Luft oder Sauerstoffgas, in die Kathodenkammer ein, während der Brennstoff, wie beispielsweise Wasserstoff- oder Kohlenwasserstoffbrennstoff, in die Anodenkammer eintritt. Es können beliebige geeignete Brennstoffzellenausführungen und Komponentenmaterialien verwendet werden.
Das System 1 enthält auch eine als Brennstoffbefeuchter in 2 bezeichnete Wärmeübertragungsvorrichtung 5. Die Vorrichtung 5 ist so ausgeführt, daß sie Wärme von einem Kathodenabgas des Brennstoffzellenstapels 3 über trägt, um in die Brennstoffeinlaßströmung einzubringendes Wasser zu verdampfen und auch die Brennstoffeinlaßströmung mit Dampf (d.h. mit dem verdampften Wasser) zu mischen. Die Wärmeübertragungsvorrichtung 5 enthält vorzugsweise einen Wasserverdampfer (d.h. Verdampfungsapparat) 6, der so ausgeführt ist, daß er unter Nutzung der Wärme aus der Kathodenabgasströmung Wasser verdampft. Der Verdampfer 6 enthält eine erste Eingabe 7, die betriebswirksam mit einem Kathodenabgasauslaß 9 des Brennstoffzellenstapels 3 verbunden ist, eine zweite Eingabe 11, die betriebswirksam mit einer Wasserquelle 13 verbunden ist, sowie eine erste Ausgabe 15, die betriebswirksam mit einem Brennstoffeinlaß 17 des Stapels 3 verbunden ist. Die Wärmeübertragungsvorrichtung 5 enthält auch einen Brennstoff/Dampf-Mischer 8, der den Dampf oder Wasserdampf, der von der ersten Ausgabe 15 des Verdampfers 6 durch die Leitung 10 in den Mischer 8 eingeleitet wird, mit dem eingeleiteten Brennstoff, wie beispielsweise Methan oder Naturgas, das von einem Brennstoffeinlaß 19 bereitgestellt wird, mischt, wie in 3 dargestellt.
Der Begriff "betriebswirksam verbunden" bedeutet, daß Komponenten, die betriebswirksam verbunden sind, direkt oder indirekt miteinander verbunden sein können. Beispielsweise können zwei Komponenten durch eine Fluidleitung (d.h. Gas- und/oder Flüssigkeitsleitung) direkt miteinander verbunden sein. Alternativ können zwei Komponenten indirekt miteinander verbunden sein, indem eine Fluidströmung durch ein oder mehrere zusätzliche Komponenten des Systems zwischen der ersten Komponente und der zweiten Komponente strömt.
Das System 1 enthält vorzugsweise auch einen Reformer 21 und einen Combustor 23. Der Reformer 21 ist so ausgeführt, daß ein Kohlenwasserstoffbrennstoff zu einem wasserstoffhaltigen Reaktionsprodukt reformiert und das Reaktionsprodukt dem Brennstoffzellenstapel 3 zur Ver fügung gestellt wird. Der Combustor 23 ist vorzugsweise in den Reformer 21 thermisch integriert, um Wärme für den Reformer 21 bereitzustellen. Der Kathodenabgasauslaß 9 des Brennstoffzellenstapels 3 ist vorzugsweise betriebswirksam mit einem Einlaß 25 des Combustors 23 verbunden. Des weiteren ist auch eine Kohlenwasserstoffbrennstoffquelle 27 betriebswirksam mit dem Einlaß 25 des Combustors 23 verbunden.
Der Kohlenwasserstoffbrennstoffreformer 21 kann eine beliebige geeignete Vorrichtung sein, die in der Lage ist, einen Kohlenwasserstoffbrennstoff teilweise oder vollständig zu reformieren, um einen Kohlenstoff und freien Wasserstoff enthaltenden Brennstoff zu bilden. Der Brennstoffreformer 21 kann beispielsweise eine beliebige geeignete Vorrichtung sein, die ein Kohlenwasserstoffgas zu einem Gasgemisch aus freien Wasserstoff und Kohlenstoff enthaltendem Gas reformieren kann. Der Brennstoffreformer 21 kann beispielsweise ein befeuchtetes Biogas, wie beispielsweise Naturgas, reformieren, um freien Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserdampf und wahlweise eine Restmenge von unreformiertem Biogas durch eine Dampf/Methan-Reformierungsreaktion (SMR) zu bilden. Der freie Wasserstoff und das Kohlenmonoxid werden dann in den Brennstoffeinlaß 17 des Brennstoffzellenstapels 3 eingeleitet. Der Brennstoffreformer 21 ist vorzugsweise in den Brennstoffzellenstapel 3 thermisch integriert, um die endotherme Reaktion im Reformer 21 zu unterstützen und den Stapel 3 zu kühlen. Der Begriff "thermisch integriert" bedeutet in diesem Zusammenhang, daß die Wärme aus der Reaktion im Brennstoffzellenstapel 3 die endotherme Brennstoffnettoreformierung im Brennstoffreformer 21 antreibt. Der Brennstoffreformer 21 kann in den Brennstoffzellenstapel 3 thermisch integriert werden, indem der Reformer und der Stapel in derselben Hot Box 37 und/oder in thermischem Kontakt miteinander vorgesehen werden, oder indem eine Wärmeleitung oder ein thermisch leitfähiges Material, das den Stapel mit dem Reformer verbindet, vorgesehen wird.
Der Combustor 23 stellt eine ergänzende Wärme für den Reformer 21 bereit, damit die SMR-Reaktion unter stabilen Dauerzustandsbedingungen durchgeführt werden kann. Der Combustor 23 kann ein beliebiger geeigneter Brenner sein, der thermisch in den Reformer 21 integriert ist. Der Combustor 23 erhält den Kohlenwasserstoffbrennstoff, wie beispielsweise Naturgas, und ein Oxidationsmittel (d.h. Luft oder ein anderes sauerstoffhaltiges Gas), wie beispielsweise die Kathodenabgasströmung des Stapels 3, durch den Einlaß 25. Es können jedoch, neben der Kathodenabgasströmung, auch andere Oxidationsmittelquellen in den Combustor eingeleitet werden. Der Brennstoff und die Kathodenabgasströmung (d.h. heiße Luft) werden im Combustor verbrannt, um Wärme für die Erwärmung des Reformers 21 zu erzeugen. Der Combustorauslaß 26 ist betriebswirksam mit dem Einlaß 7 der Wärmeübertragungsvorrichtung 5 verbunden, um das mit den verbrannten Brennstoffkomponenten gemischte Kathodenabgas vom Combustor zur Wärmeübertragungsvorrichtung 5 zu leiten. Während das dargestellte System 1 eine Kathodenabgasströmung in der Wärmeübertragungsvorrichtung 5 verwendet, die durch einen Combustor geleitet wurde, kann es in einigen Systemen erwünscht sein, eine Kathodenabgasströmung in der Wärmeübertragungsvorrichtung 5 zu verwenden, die nicht durch einen Combustor geleitet wurde.
Die ergänzende Wärme für den Reformer 21 wird vorzugsweise sowohl vom Combustor 23, der während des stabilen Dauerzustandsbetriebs des Reformers (und nicht nur während des Anfahrens) arbeitet, als auch von der Kathodenabgasströmung (d.h. Luft) des Stapels 3 bereitgestellt. Der Combustor 23 steht, besonders bevorzugt, in direktem Kontakt mit dem Reformer 21, und das Kathodenabgas des Stapels 3 ist so konfiguriert, daß die Katho denabgasströmung den Reformer 21 berührt und/oder in umhüllender Weise um den Reformer 21 herumgeführt wird, um eine zusätzliche Wärmeübertragung zu ermöglichen. Dadurch wird der Verbrennungswärmebedarf für SMR reduziert.
Der Reformer 21 ist vorzugsweise sandwichartig zwischen dem Combustor 23 und einem oder mehreren Stapeln 3 vorgesehen, um die Wärmeübertragung zu unterstützen. Wenn der Reformer keine Wärme benötigt, arbeitet die Combustoreinheit als ein Wärmetauscher. Somit kann derselbe Combustor 23 sowohl für das Anfahren als auch für den stabilen Dauerzustandsbetrieb des Systems 1 verwendet werden.
Das System 1 beinhaltet auch einen Brennstoffvorwärmerwärmetauscher (d.h. Anodenrekuperator) 29, der so ausgeführt ist, daß die Brennstoffeinlaßströmung unter Nutzung von Wärme aus der aus dem Anodenauslaß 31 des Stapels 3 austretenden Anodenabgasströmung des Brennstoffzellenstapels 3 erwärmt wird. Das System 1 beinhaltet weiterhin einen rekuperativen Kathodenwärmetauscher 33, der so ausgeführt ist, daß eine Lufteinlaßströmung aus einem Luftgebläse 35 unter Nutzung von Wärme aus der aus dem Kathodenabgasauslaß 9 des Stapels 3 austretenden Kathodenabgasströmung erwärmt wird. Die mit den verbrannten Brennstoffkomponenten aus dem Auslaß 26 des Combustors 23 gemischte Kathodenabgasströmung wird vorzugsweise in den Kathodenrekuperator 33 eingeleitet, um die Lufteinlaßströmung zu erwärmen. Die mit den verbrannten Brennstoffkomponenten gemischte Kathodenabgasströmung wird dann in den Verdampfer 6 der Wärmeübertragungsvorrichtung 5 eingeleitet, um das Wasser zu Dampf zu verdampfen, der dann in die in den Reformer 21 einströmende Brennstoffeinlaßströmung eingeleitet wird.
Der Brennstoffzellenstapel 3, der Reformer 21, der Combustor 23, der Brennstoffvorwärmerwärmetauscher 29 und der rekuperative Kathodenwärmetauscher 33 sind vorzugsweise in einer Hot Box 37 vorgesehen. Der rekuperative Kathodenwärmetauscher 33 ist vorzugsweise absichtlich unterdimensioniert, um sicherzustellen, daß die Temperatur der aus dem Wärmetauscher 33 austretenden Kathodenabgasströmung ausreichend hoch ist, damit die Wärmeübertragungsvorrichtung 5 mittels Übertragung von Wärme aus der Kathodenabgasströmung das Wasser zu Dampf verdampfen kann. In einer sehr bevorzugten Ausführungsform hat der rekuperative Kathodenwärmetauscher beispielsweise vorzugsweise eine unter einer vorbestimmten Größe liegende Größe, so daß die Kathodenabgasströmung aus dem rekuperativen Kathodenwärmetauscher mit einer Temperatur von mindestens 200°C, z.B. mit 200°C bis 230°C, beispielsweise mit etwa 210°C, austritt. In dieser sehr bevorzugten Ausführungsform kann die Kathodenabgasströmung in den rekuperativen Kathodenwärmetauscher 33 mit einer Temperatur von mindestens 800°C, z.B. mit etwa 800°C bis etwa 850°C, beispielsweise mit etwa 820°C, eintreten. Der rekuperative Kathodenwärmetauscher 33 ist absichtlich unterdimensioniert, damit in dieser sehr bevorzugten Ausführungsform eine Austauschrate von etwa 10 bis 12 kW, z.B. etwa 11 kW, zur Verfügung steht. Im Gegensatz dazu kann ein volldimensionierter Wärmetauscher für die sehr bevorzugte Ausführungsform eine Austauschrate von etwa 16 kW haben. Während spezifische Temperaturen und Wärmetauschraten für eine sehr bevorzugte Ausführungsform beschrieben wurden, versteht es sich, daß die Austritts- und Eintrittstemperaturen und Wärmetauschraten in hohem Maße von den speziellen Parametern einer jeden spezifischen Anwendung abhängen, und es versteht sich demzufolge, daß es, falls in den Ansprüchen nicht ausdrücklich aufgeführt, keinerlei Einschränkungen hinsichtlich spezifischer Austritts- und Eintrittstemperaturen oder Wärmetaustauschraten gibt.
Das System 1 enthält auch vorzugsweise einen Luftvorwärmerwärmetauscher 39, der so ausgeführt ist, daß die Lufteinlaßströmung aus dem Luftgebläse 35 unter Nutzung einer aus dem Stapelanodenauslaß 31 austretenden Anodenabgasströmung vorerwärmt wird. Das Luftgebläse stellt vorzugsweise eine in das System 1 eintretende Lufteinlaßströmung bereit, die, verglichen mit der für den Brennstoffzellenstapel 3 erforderlichen Luftmenge, mindestens die 2,5fache, z.B. die 2,5- bis 6,5fache, vorzugsweise die 3- bis 4,5fache Luftmenge umfaßt, um elektrischen Strom zu erzeugen. Das Gebläse 35 kann beispielsweise die Lufteinlaßströmung auf etwa 50°C vorerwärmen. Die geringfügig vorerwärmte Einlaßluftströmung wird dann vom Gebläse aus in den Luftvorwärmerwärmetauscher 39 eingeleitet, wo sie auf etwa 100°C bis etwa 150°C, z.B. auf etwa 140°C, vorerwärmt wird. Diese vorerwärmte Lufteinlaßströmung tritt dann in den rekuperativen Kathodenwärmetauscher 33 mit etwa 100°C bis etwa 150°C ein und tritt aus dem Wärmetauscher 33 mit etwa 700°C bis etwa 750°C, z.B. mit etwa 720°C, aus. Da die vorerwärmte Lufteinlaßströmung in den rekuperativen Kathodenwärmetauscher 33 mit einer über Raumtemperatur liegenden Temperatur eintritt, kann die Kathodenabgasströmung aus dem Wärmetauscher 33 mit einer über 200°C liegenden Temperatur austreten. Somit wird die Lufteinlaßströmung vom Luftvorwärmerwärmetauscher 39 ausreichend vorerwärmt, so daß ein unterdimensionierter rekuperativer Kathodenwärmetauscher 33 verwendet werden kann, wodurch die Herstellungskosten des Gesamtsystems reduziert werden.
Der Luftvorwärmer 39 befindet sich vorzugsweise außerhalb der Hot Box 37 und stromaufwärts vor dem Kathodenrekuperator 33, so daß die Lufteinlaßströmung zunächst durch die Anodenabgasströmung im Luftvorwärmer 39 und anschließend durch die Kathodenabgasströmung im Kathodenrekuperator 33 erwärmt wird. Somit wird die in den Kathodeneinlaß 41 des Stapels 3 eingeleitete Lufteinlaßströmung sowohl durch die Anoden- als auch durch die Kathodenabgasströmungen vom Stapel 3 erwärmt.
Das System 1 enthält wahlweise einen Wasser/Gas-Shiftreaktor 43, der so ausgeführt ist, daß mindestens eine Wasserdampfteilmenge in der Brennstoffzellenstapelanodenabgaströmung in freien Wasserstoff umgewandelt wird. Somit ist der Einlaß 45 des Reaktors 43 betriebswirksam mit dem Stapelanodenauslaß 31 verbunden, und der Auslaß 47 des Reaktors 43 ist betriebswirksam mit einem Einlaß 49 des Luftvorwärmers 39 verbunden. Der Wasser/Gas-Shiftreaktor 43 kann eine beliebige geeignete Vorrichtung sein, die mindestens eine Teilmenge des aus dem Brennstoffabgasauslaß 31 des Brennstoffzellenstapels 3 austretenden Wassers in freien Wasserstoff umwandeln kann. Der Reaktor 43 kann beispielsweise ein einen Katalysator enthaltendes Rohr oder eine einen Katalysator enthaltende Leitung umfassen, die einen Teil oder die Gesamtmenge des Kohlenmonoxids und des Wasserdampfs in der Anodenabgasströmung in Kohlendioxid und Wasserstoff umwandelt. Der Katalysator kann ein beliebiger geeigneter Katalysator sein, wie beispielsweise ein Eisenoxidkatalysator oder ein chromaktivierter Eisenoxidkatalysator.
Das System 1 enthält auch wahlweise einen Kondensator 51, der so ausgeführt ist, daß Wasserdampf in der Anodenabgasströmung zu flüssigem Wasser kondensiert wird, und zwar vorzugsweise dadurch, daß eine Umgebungsluftströmung als eine Kühlungsvorrichtung verwendet wird. Das System 1 enthält auch wahlweise ein Wasserstoffrückgewinnungssystem 53, das so ausgeführt ist, daß Wasserstoff aus der Anodenabgasströmung zurückgewonnen wird, nachdem die Anodenabgasströmung den Kondensator 51 durchströmt hat. Das Wasserstoffrückgewinnungssystem kann beispielsweise ein Druckwechseladsorptionssystem oder ein anderes geeignetes Gasabscheidesystem sein.
Der Luftvorwärmer 39 kondensiert vorzugsweise einen Teil des Wasserdampfs in der Anodenabgasströmung, bevor die Anodenabgasströmung in den Kondensator 51 eintritt, um die Belastung des Kondensators 51 zu reduzieren. Somit ist der Auslaß 55 des Luftvorwärmers 39 betriebswirksam mit dem Einlaß 57 des Kondensators 51 verbunden. Ein erster Auslaß 59 des Kondensators 51 stellt Wasserstoff und andere aus dem Wasser abgeschiedene Gase für das Wasserstoffrückgewinnungssystem 53 bereit. Ein zweiter Auslaß 61 des Kondensators 51 stellt Wasser für ein wahlweise vorgesehenes Wasserreinigungssystem 63 bereit. Das Wasser aus dem Reinigungssystem 63 wird durch den Einlaß 11 in den Verdampfer 6 eingeleitet, der einen Abschnitt der Wärmeübertragungsvorrichtung 5 umfaßt.
Das System 1 enthält auch wahlweise einen Entschwefeler 65, der im Weg der Brennstoffeinlaßströmung von der Brennstoffquelle 27 vorgesehen ist. Der Entschwefeler 65 entfernt einen Teil oder die Gesamtmenge des Schwefels aus der Brennstoffeinlaßströmung. Der Entschwefeler 65 umfaßt vorzugsweise den Katalysator, wie beispielsweise Co-Mo oder andere geeignete Katalysatoren, der CH₄- und H₂S-Gase aus hydriertem, schwefelhaltigen Naturgasbrennstoff erzeugt, sowie ein Sorbensbett, wie beispielsweise ZnO oder andere geeignete Materialien, um das H₂S-Gas aus der Brennstoffeinlaßströmung zu entfernen. Somit tritt aus dem Entschwefeler 65 ein schwefelfreier oder schwefelreduzierter Kohlenwasserstoffbrennstoff, wie beispielsweise Methan oder Naturgas, aus.
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 vom Luftgebläse 35 aus durch die Leitung 101 in den Luftvorwärmer 39 eingeleitet. Die Lufteinlaßströmung wird im Luftvorwärmer 39 durch Wärmetausch mit der vom Wasser/Gas-Shiftreaktor 43 kommenden Anodenabgasströmung vorerwärmt. Die vorerwärmte Lufteinlaßströmung wird dann durch die Leitung 103 in den Kathodenrekuperator 33 eingeleitet, in dem die Lufteinlaßströmung durch Wärmetausch mit der Kathodenabgasströmung auf eine höhere Temperatur erwärmt wird. Die Lufteinlaßströmung wird dann durch die Leitung 105 in den Kathodeneinlaß 41 des Stapels 3 eingeleitet.
Die Luft tritt dann aus dem Kathodenauslaß 9 des Stapels 3 als die Kathodenabgasströmung aus. Die Kathodenabgasströmung wird in umhüllender Weise um den Reformer 21 herumgeführt und tritt durch die Leitung 107 und den Einlaß 25 in die Verbrennungszone des Combustors 23 ein. Entschwefeltes Naturgas oder ein anderer Kohlenwasserstoffbrennstoff wird auch vom Brennstoffeinlaß 27 durch die Leitung 109 in den Einlaß 25 des Combustors 23 zwecks zusätzlicher Erwärmung eingeleitet. Die Abgasströmung vom Combustor 23 (d.h. Kathodenabgasströmung) tritt dann durch die Leitung 111 in den Kathodenrekuperator ein, wo ein Wärmetausch mit der eintretenden Luft erfolgt.
Die Kathodenabgasströmung wird dann durch die Leitung 113 in den Verdampfer 6 der Wärmeübertragungsvorrichtung 5 eingeleitet. Der Rest der in der Kathodenabgasströmung verbliebenen Wärme wird dann im Verdampfer 6 extrahiert, um Wasser zur Dampf/Methan-Reformierung zu verdampfen, bevor es durch die Abgasleitung 115 entlüftet wird.
Auf der Brennstoffseite tritt die Kohlenwasserstoffbrennstoffeinlaßströmung von der Brennstoffquelle 27, wie beispielsweise einem Gastank oder einem ventilausgestatteten Naturgasrohr, in den Entschwefeler 65 ein. Die entschwefelte Brennstoffeinlaßströmung (d.h. entschwefeltes Naturgas) tritt dann durch die Leitung 117 in den Brennstoffmischer 8 der Wärmeübertragungsvorrichtung 5 ein. Im Mischer 8 wird der Brennstoff mit gereinigtem Dampf aus dem Verdampfer 6 gemischt.
Das Dampf/Brennstoff-Gemisch wird dann durch die Leitung 119 in den Brennstoffvorwärmer 29 eingeleitet. Anschließend wird das Dampf/Brennstoff-Gemisch durch Wärmetausch mit der Anodenabgasströmung im Brennstoffvorwärmer 29 erwärmt, bevor es durch die Leitung 121 in den Reformer eintritt. Das Reformat tritt dann vom Reformer 21 aus durch die Leitung 123 in den Anodeneinlaß 17 des Stapels 3 ein.
Die Stapelanodenabgasströmung tritt aus dem Anodenauslaß 31 aus und wird durch die Leitung 125 in den Brennstoffvorwärmer 29 eingeleitet, wo sie das eintretende Brennstoff/Dampf-Gemisch erwärmt. Die Anodenabgasströmung von der Hot Box 37 tritt dann durch die Leitung 127 in den Wasser/Gas-Shiftreaktor 43 ein. Anschließend wird die Anodenabgasströmung vom Reaktor 43 durch die Leitung 129 in den Luftvorwärmer 39 eingeleitet, wo ein Wärmetausch mit der Lufteinlaßströmung erfolgt. Die Anodenabgasströmung wird dann durch die Leitung 131 in den Kondensator 51 eingeleitet, wo Wasser aus der Anodenabgasströmung entfernt und zurückgeführt oder ausgetragen wird. Das Wasser kann beispielsweise durch die Leitung 133 in den Wasserreiniger 63 eingeleitet werden, von dem aus es durch die Leitung 135 in den Verdampfer eingeleitet wird. Alternativ kann Wasser durch einen Wassereinlaß 137, wie beispielsweise ein Wasserrohr, in den Reiniger 63 eingeleitet werden. Das wasserstoffreiche Anodenabgas wird dann vom Kondensator 51 aus durch die Leitung 139 in das Wasserstoffreinigungssystem 53 eingeleitet, wo Wasserstoff von den an deren Gasen in der Strömung abgeschieden wird. Die anderen Gase werden durch die Spülleitung 141 ausgeleitet, während Wasserstoff zwecks anderer Verwendungen oder Lagerung durch die Leitung 143 bereitgestellt wird.
Die Fluidströmungen im System 1 tauschen somit, wie vorstehend beschrieben, Wärme an mehreren unterschiedlichen Stellen aus. Die Kathodenabgasströmung wird in umhüllender Weise um den Dampf/Methan-Reformer 21 herumgeführt, um die für die Reformierung erforderliche endotherme Wärme zur Verfügung zu stellen. Anschließend wird Naturgas oder ein anderer Kohlenwasserstoffbrennstoff der durch den Combustor 23 strömenden Kathodenabgasströmung nach Bedarf direkt hinzugefügt, um den Gesamtwärmebedarf für die Reformierung zu erfüllen. Wärme aus dem Combustor 23 austretenden Hochtemperaturabgas (das die Kathodenabgasströmung und die verbrannten Brennstoffkomponenten enthält und als "Kathodenabgasströmung" bezeichnet wird) wird für die eintretende Kathodenluft (d.h. Lufteinlaßströmung) im Kathodenrekuperator 33 zurückgewonnen. Die Wärme aus der auf der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 3 austretenden Anodenabgasströmung wird zunächst für die eintretende Anodeneinspeisung (d.h. Brennstoffeinlaßströmung) im Brennstoffvorwärmer 29 und dann für die eintretende Kathodeneinspeisung (d.h. Lufteinlaßströmung) im Luftvorwärmer 39 zurückgewonnen.
Die dem Brennstoffzellenstapel 3 vom Luftgebläse 35 aus zugeleitete Luft wird vorzugsweise in einer Menge zugeleitet, die über der für Brennstoffzellenreaktionen liegenden stöchiometrischen Menge liegt, um den Stapel zu kühlen und die durch den Stapel erzeugte Wärme abzuführen. Das typische Verhältnis zwischen Luftströmung und stöchiometrischer Menge liegt über 4, beispielsweise bei 4,5 bis 6, und vorzugsweise bei etwa 5. Dies führt für die Kathodenluft zu einer wesentlich höheren Massenströmung als beim Anodengas (d.h. Brennstoff). Wenn folglich die Kathodenabgasströmung nur die Lufteinlaßströmung erwärmt, ist die zwischen der Kathodenabgasströmung und der Lufteinlaßströmung übertragene Wärmemenge wesentlich höher als die zwischen der Anodenabgasströmung und der Brennstoffeinlaßströmung übertragene Wärmemenge, und zwar typischerweise um einen Faktor von etwa 3.
Die Erfinder haben festgestellt, daß das System 1, anstatt die gesamte Wärme zu übertragen, die aus der Kathodenabgasströmung direkt für die eintretende Luft zurückgewonnen wird, lediglich eine Teilmenge der Kathodenabgasströmungswärme auf die eintretende Lufteinlaßströmung überträgt und den Rest der verfügbaren Kathodenabgasströmungswärme für eine vollständige Verdampfung des Wassers im Verdampfer 6 verwendet.
Bevor die Lufteinlaßströmung auf die entsprechende Brennstoffzellentemperatur erwärmt wird, wird sie somit durch die Anodenabgasströmung im Luftvorwärmer 39 vorerwärmt. Diese Vorerwärmung stellt sicher, daß die Lufteinlaßströmung eine ausreichend hohe Temperatur hat, wenn sie in den Kathodenrekuperator 33 eintritt, um sicherzustellen, daß der Rekuperator 33 die Temperatur der Lufteinlaßströmung auf die entsprechende Brennstoffzellentemperatur erhöhen kann.
Die 4 und 5 zeigen in grafischer Darstellung das Verhältnis der Fluidtemperatur in Abhängigkeit von der für den Verdampfer 6 (d.h. Wasserverdampfer) bzw. der für den Luftvorwärmer 39 übertragenen Wärme für eine analysierte Ausführungsform. Wie aus den grafischen Darstellungen in den 4 und 5 ersichtlich, entfällt hier der in 1 gezeigte thermodynamische Übergang. Dadurch kann auf einen Feuchtigkeitstauscher oder einen ergänzenden Erwärmer, der zusätzlichen Brennstoff verbraucht, verzichtet werden.
In einem Wärmetauscher ist die "Temperaturannäherung" als die kleinste Temperaturdifferenz zwischen den zwei Fluidströmungen an einer beliebigen Stelle im Wärmetauscher definiert. Wie aus den 4 und 5 ersichtlich, haben die beiden Wärmetauscher (d.h. Verdampfer 6 und Luftvorwärmer 39), entfernt von jedem Ende des Wärmetauschers an dem Punkt, an dem der Zweiphasenbereich beginnt, eine sehr kleine Temperaturannäherung. Es ist vorteilhaft, die Temperaturannäherung in jedem Wärmetauscher zu maximieren, da die Wärmeübertragungsrate zwischen den Fluiden zurückgeht, wenn die örtliche Temperaturdifferenz zwischen den Strömungen abnimmt, woraus sich ein Bedarf an einem größeren Wärmetauscher ergibt, um die erforderliche Wärme zu übertragen.
Wenn die Teilmenge der gesamten Kathodenluftvorerwärmung, die im Kathodenrekuperator 33 erfolgt, abnimmt, nimmt die Temperaturannäherung im Verdampfer 6 zu. Die Temperaturannäherung im Luftvorwärmer 39 nimmt jedoch ab. Wenn, umgekehrt, die Teilmenge der gesamten Kathodenluftvorerwärmung, die im Kathodenrekuperator 33 erfolgt, zunimmt, nimmt die Temperaturannäherung im Luftvorwärmer 39 zu. Die Temperaturannäherung im Verdampfer 6 nimmt jedoch ab. Von der gesamten Kathodenwärmeleistung gibt es dann einen gewissen optimalen Prozentsatz, der innerhalb des Kathodenrekuperators 33 übertragen werden sollte, um die Temperaturannäherung sowohl im Verdampfer 6 als auch im Luftvorwärmer 39 zu maximieren.
Die Erfinder haben auch festgestellt, daß, wenn die Kathodenabgasströmung zur Verdampfung des Wassers verwendet wird, die Überhitzungsmenge in dem aus dem Verdampfer 6 austretenden Dampf sehr empfindlich auf die Temperatur und Massenströmungsrate der aus dem Verdampfer austretenden Kathodenabgasströmung reagiert. Dies ist aus 6 ersichtlich, die die Auswirkung einer 4,5prozentigen Erhöhung der Massenströmung der Kathodenabgasströmung (bei unverändert bleibender Temperatur der Kathodenabgasströmung im Verdampfer) auf die sich ergebende Temperatur des befeuchteten Naturgases zeigt.
Es ist ersichtlich, daß die Temperatur des in den Brennstoffvorwärmer 29 eintretenden befeuchteten Naturgases, aufgrund dieser geringfügigen Erhöhung der Strömungsrate der Kathodenabgasströmung, um 28°C zunimmt. Diese Temperaturerhöhung hat eine höhere Temperatur der aus dem Brennstoffvorwärmer austretenden Anodenabgasströmung und anschließend eine höhere Temperatur beim Austritt aus dem Wasser/Gas-Shiftreaktor 43 und beim Eintritt in den Luftvorwärmer 39 zur Folge. Dies führt wiederum zu einer Erhöhung der Kathodenluftvorerwärmung, was in der Tendenz eine Erhöhung der Temperatur der in den Verdampfer 6 eintretenden Kathodenabgasströmung bewirkt, wodurch das Problem verschlimmert wird. Die Temperatur des befeuchteten Naturgases steigt weiterhin an, was Systemstabilitätsprobleme zur Folge hat, es sei denn, daß eine Steuerung der Einlaßluftströmungsrate erfolgt. Somit muß die Strömungsrate der Kathodenluft (d.h. Einlaßluft) gesteuert werden, weil sie zu den Hauptmitteln für die Steuerung des Systems 1 zählt.
In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform können die vorstehend erwähnten möglichen Stabilitätsprobleme dadurch verringert oder ausgeschaltet werden, daß ein einstellbarer Kathodenabgasbypass um den Verdampfer 6 herum vorgesehen wird, durch den eine kleine Teilmenge der Kathodenabgasströmung umgeleitet werden kann, um die Kathodenabgasströmungsrate durch den Verdampfer 6 zu steuern. Bei dieser Lösung kommt eine aktive Steuerung der Fluidströmungsrate zur Anwendung.
In einer dritten bevorzugten Ausführungsform wird ein passiver Lösungsweg verwendet, um die vorerwähnten mög lichen Stabilitätsprobleme zu verringern oder auszuschalten, ohne eine zusätzliche Überwachung oder Steuerung vorsehen zu müssen. Die Erfinder haben festgestellt, daß eine Temperatur des in den Brennstoffvorwärmer 29 eintretenden befeuchteten Naturgases so gestaltet werden kann, daß sie, aufgrund einer Begrenzung des Potentials für eine erhöhte Überhitzung im Verdampfer durch eine Temperatureinengung, relativ unempfindlich auf Veränderungen der Kathodenabgasströmungsrate und/oder -temperatur reagiert.
7 zeigt den Wärmetauscherabschnitt des Systems der dritten bevorzugten Ausführungsform. Die anderen Teile des Systems der dritten bevorzugten Ausführungsform entsprechen denjenigen der in den 2 und 3 dargestellten ersten bevorzugten Ausführungsform.
Wie aus 7 ersichtlich, verläuft die Richtung der Wasserströmung durch den Verdampfer 6 im Gleichstrom, und nicht im Gegenstrom, zu der Kathodenabgasströmung durch den Verdampfer 6. Anstatt die Temperaturannäherung im Verdampfer 6 am Beginn des Zweiphasenströmungsbereichs vorzusehen, ist sie zum Ende des Wärmeübertragungsbereichs des Verdampfers 6 hin verschoben, wo die Temperaturannäherung auf einen Wert von null oder nahezu null "eingeengt" ist. Nach diesem Punkt erfolgt keine Wärmeübertragung zwischen den Strömungen, und die zwei Fluide treten mit einer gemeinsamen oder nahezu einer gemeinsamen Temperatur aus. Die Kathodenabgasströmungsrate muß möglicherweise geringfügig erhöht werden, um sicherzustellen, daß die Wärmekapazität in der Kathodenabgasströmung ausreicht, um die volle Dampfqualität im Wasser zu erzielen. Das Wasser (d.h. Dampf) tritt dann mit einer gewissen Überhitzungsmenge aus dem Verdampfer 6 aus. Anschließend kann die aus dem Verdampfer 6 austretende Kathodenabgasströmung verwendet werden, um den Brennstoff, wie beispielsweise Naturgas, in einem zweiten Brennstoffvorwärmer 67 vorzu wärmen. Da die Brennstoffeinlaßströmung, verglichen mit der Kathodenabgasströmung, eine sehr geringe Strömungsrate hat, ist es ganz einfach, eine zu 100 wirksame Wärmeübertragung zu erzielen und die Brennstoffeinlaßströmung auf die gleiche Temperatur wie den Wasserdampf und die Kathodenabgasströmung bei Austritt aus dem Verdampfer vorzuwärmen.
Das System der dritten bevorzugten Ausführungsform enthält somit, wie in 7 dargestellt, auch den zweiten Brennstoffvorwärmer 67. Der Brennstoffvorwärmer 67 beinhaltet eine erste Eingabe 69, die betriebswirksam mit einem Kathodenabgasauslaß 9 des Brennstoffzellenstapels 3 verbunden ist, eine zweite Eingabe 71, die betriebswirksam mit der Brennstoffquelle 27 verbunden ist, und eine erste Ausgabe 73, die betriebswirksam mit der Brennstoffeinlaßleitung 17 verbunden ist. Der zweite Brennstoffvorwärmer 67 ist so ausgeführt, daß Wärme von der Kathodenabgasströmung des Brennstoffzellenstapels auf die in den Brennstoffzellenstapel 3 eingeleitete Brennstoffeinlaßströmung übertragen wird. Der Verdampfer 6 in der dritten bevorzugten Ausführungsform umfaßt einen Gleichstrom- oder "Co-Flow"-Verdampfer, in dem die Kathodenabgasströmung und das Wasser so vorgesehen sind, daß sie in einer gleichen Richtung strömen, wobei eine Ausgabe des Verdampfers betriebswirksam mit einem Einlaß des Brennstoffvorwärmers 67 so verbunden ist, daß die Kathodenabgasströmung vom Verdampfer 6 in den zweiten Brennstoffvorwärmer 67 strömt.
Somit werden das Wasser und die Kathodenabgasströmung vorzugsweise in dieselbe Seite des Verdampfers und im Gleichstrom zueinander eingeleitet. Das Wasser wird im Verdampfer 6 in Dampf umgewandelt und in den Dampf/Brennstoff-Mischer 8 eingeleitet. Die Kathodenabgasströmung wird vom Verdampfer aus in den zweiten Brennstoffvorwärmerwärmetauscher 67 eingeleitet, wo sie die Brennstoffeinlaßströmung erwärmt, die dann durch den Mischer 8 und den ersten Brennstoffvorwärmerwärmetauscher (Anodenrekuperator) 29 in den Stapel 3 eingeleitet wird.
Das System der dritten bevorzugten Ausführungsform ist im wesentlichen unempfindlich gegenüber Veränderungen der Kathodenabgasströmungstemperatur und -massenströmung. 8 zeigt, für eine analysierte Ausführungsform, daß die Temperatur des in den Anodenrekuperatur (d.h. in den ersten Brennstoffvorwärmer) 29 eintretenden befeuchteten Naturgases aufgrund einer 6,8prozentigen Erhöhung der Kathodenabgasmassenströmung im System der dritten bevorzugten Ausführungsform um weniger als 7°C zunimmt. Eine derart geringe Temperaturerhöhung sollte nicht den vorstehend beschriebenen Temperaturanstieg bewirken und führt deshalb zu einer Systemstabilität, ohne für die Einlaßluft- und/oder Kathodenabgasströmung eine aktive Steuerung vorsehen zu müssen.
In den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird somit Wasser unter Nutzung der Wärme von der Kathodenabgasströmung verdampft. Der Luftwärmetauscher (d.h. Kathodenrekuperator) ist unterdimensioniert, so daß die heiße Strömung daraus mit einer hohen Temperatur von mindestens 200°C, z.B. 200°C bis 230°C, austritt. Luft wird mit einem stöchiometrischen Verhältnis von 2,5 und mehr in das System eingeleitet, um genügend Abgaswärme zur Verdampfung des für die Dampf/Methan-Reformierung erforderlichen Wassers zur Verfügung zu haben. Luft wird in einer Menge in den Brennstoffzellenstapel eingeleitet, die vorzugsweise der 2,5- bis 6,5fachen, besonders bevorzugt der 3- bis 4,5fachen Menge derjenigen entspricht, die für den Brennstoffzellenstapel erforderlich ist, um elektrischen Strom zu erzeugen. Die in den Kathodenrekuperator eintretende Einlaßluft wird im Luftvorwärmer unter Nutzung der Anodenabgasströmung vorerwärmt, um die Belas tung des Kathodenrekuperators zu reduzieren. Wasser von der Anodenabgasströmung wird im Luftvorwärmer teilweise kondensiert, um die Belastung im Anodenkondensator zu verringern.
Wie aus 9 ersichtlich, ist der Brennstoffbefeuchter 5 vorzugsweise in der Form einer integrierten Einheit 200 vorgesehen, die, als eine einzelne integrierte Einheit, den Wasserverdampfer 6, einen Brennstofferwärmer oder -vorwärmer, wie beispielsweise den Brennstoffvorwärmer 67, sowie den Brennstoff/Dampf-Mischer 8 beinhaltet, der sowohl mit dem Wasserverdampfer 6, um von dort Dampf zu erhalten, als auch mit dem Brennstofferwärmer 67, um von dort erwärmten Brennstoff zu erhalten, verbunden ist. Der Wasserverdampfer 6 beinhaltet vorzugsweise einen Wasserströmungsweg 202 mit einem Wärmeübertragungsverhältnis zu einem Wärmeträgerfluidströmungsweg 204, der im dargestellten System ein Kathodenabgasströmungsweg ist, während der Brennstofferwärmer einen Brennstoffströmungsweg 206 mit ebenfalls einem Wärmeübertragungsverhältnis zum Wärmeträgerfluidströmungsweg 204 beinhaltet, der wiederum der Kathodenabgasströmungsweg 204 für das dargestellte System ist. Der Brennstoff/Dampf-Mischer 8 ist sowohl mit dem Wasserströmungsweg 202, um von dort Dampf zu erhalten, als auch mit dem Brennstoffströmungsweg 206, um von dort erwärmten Brennstoff zu erhalten, verbunden. Wie aus 9 ersichtlich, befindet sich der Brennstoffvorwärmer 67 im Verhältnis zum Wärmeträgerfluidströmungsweg 204 vorzugsweise stromabwärts hinter dem Wasserverdampfer 6. In einigen Anwendungen kann es jedoch erwünscht sein, den Brennstoffvorwärmer 67 im Verhältnis zum Wärmeträgerfluidströmungsweg 204 stromaufwärts vor dem Wasserverdampfer 6 vorzusehen.
Wie aus 10 ersichtlich, beinhaltet, in einer bevorzugten Ausführungsform, der Wasserströmungsweg 202 vorzugsweise mehrere parallele Wasserströmungsdurchgän ge 210, der Brennstoffströmungsweg 206 mehrere parallele Brennstoffströmungsdurchgänge 212 und der Wärmeträgerfluidströmungsweg 204 mehrere parallele Wärmeträgerfluidströmungsdurchgänge 214 in verschachtelter Anordnung mit den Wasserströmungsdurchgängen 210 im Wasserverdampfer 6 und in verschachtelter Anordnung mit den Brennstoffströmungsdurchgängen 212 im Brennstofferwärmer 67. Wie weiterhin aus 10 ersichtlich, ist der Brennstoff/Dampf-Mischer 8 vorzugsweise in der Form eines Verteilers oder Plenums 216 vorgesehen, der bzw. das mit allen der Wasser- und Brennstoffströmungsdurchgänge 210 und 212 verbunden ist.
Es wird bevorzugt, daß jeder der Wasserströmungsdurchgänge 210 einen Flüssigkeitsdruckabfalleinlaßbereich 220 beinhaltet, der für einen höheren Druckabfall als der Rest 222 des Wasserströmungsdurchgangs 210 sorgt, um dazu beizutragen, daß eine angemessene Verteilung der Wasserströmung zu allen der Wasserströmungsdurchgänge 210 sichergestellt wird. Obwohl die Bereiche 220 bevorzugt werden, kann es jedoch in einigen Anwendungen erwünscht sein, daß die Wasserströmungsdurchgänge 210 frei von solchen Bereichen 220 sind.
Es wird ebenfalls bevorzugt, daß jeder der Bereiche 220 durch eine Wärmesperre vom Wärmeträgerfluidströmungsweg 206 thermisch isoliert ist, wie schematisch bei 224 dargestellt. Die Wärmesperre 224 dient dazu, die Überleitung von Wärme auf die Druckabfalleinlaßbereiche 220 zu reduzieren sowie vorzugsweise eine Verdampfung der Wasserströmung in den Bereichen 220 zu verhindern oder einzuschränken.
Wie aus den beiden 9 und 10 ersichtlich, haben die Wasserströmung und die Wärmeträgerfluidströmungen ein Gleichstrom-Strömungsverhältnis durch die integrierte Einheit 200, deren Vorteile vorstehend erörtert wurden, zu denen die für das zugeordnete System bereit gestellte Stabilität aufgrund der Temperatureinengung und die für das System bereitgestellte Unempfindlichkeit gegenüber Veränderungen der Strömungsrate des Wärmeträgerfluids sowie gegenüber Temperaturveränderungen im Wärmeträgerfluid zählen. Während die Gleichstromanordnung bevorzugt wird, kann es in einigen Anwendungen erwünscht sein, die Strömung so vorzusehen, daß ein Gegenstromverhältnis bereitgestellt wird, was möglicherweise eine niedrigere Strömungsrate und/oder Einlaßtemperatur für die Wärmeträgerfluidströmung im Vergleich zum Gleichstrom-Strömungsverhältnis oder eine höhere Auslaßtemperatur für den befeuchteten Brennstoff zuläßt.
11 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der integrierten Brennstoffbefeuchtereinheit 200. Bei dieser Ausführungsform kommt eine sogenannte Stapelplattenkonstruktion zum Einsatz, die mehrere Wasser/Brennstoff-Platten oder -Bleche 228 in verschachtelter Anordnung mit mehreren Wärmeträgerfluidplatten oder -Rahmen 230 beinhaltet, wobei jede der Wasser/Brennstoff-Platten einen der Wasserströmungsdurchgänge 210 und einen der Brennstoffströmungsdurchgänge 212 und jede der Wärmeträgerfluidplatten 230 einen der Wärmeträgerfluiddurchgänge 214 definieren.
Jede der Wasser/Brennstoff-Platten 228 beinhaltet weiterhin eine Wasser/Brennstoff-Mischkammer 232, die zu den beiden Durchgängen 210 und 212 offen ist, um von dort Dampf bzw. erwärmten Brennstoff zu erhalten. Jede der Wärmeträgerfluidplatten 230 beinhaltet auch eine Wasser/Brennstoff-Mischkammer 234, die zum Wärmeträgerfluidströmungsdurchgang 214 geschlossen ist. Die Kammern 232 und 234 sind so ausgerichtet, daß sie das Wasser/Brennstoff-Mischplenum 216 bilden, das sich durch alle der Platten 228 und 230 erstreckt.
Jede der Wasser/Brennstoff-Platten 228 beinhaltet weiterhin ein Paar Wärmeträgerfluidbypassöffnungen 238 und 240, die zu den Durchgängen 210 und 212 in der Wasser/Brennstoff-Platte 228 geschlossen sind. Die Öffnungen 238 und 240 in jeder der Platten 228 sind jeweils zu den gegenüberliegenden Enden der Wärmeträgerfluidströmungsdurchgänge 214 in den Wärmeträgerfluidplatten 230 hin ausgerichtet, um einen Wärmeträgerfluideinlaßverteiler 242 bzw. einen Wärmeträgerfluidauslaßverteiler 244 zu bilden, die sich durch alle der Platten 228 und 230 erstrecken, um das Wärmeträgerfluid in die Durchgänge 214 einzuleiten bzw. daraus auszuleiten.
Jede der Wasser/Brennstoff-Platten 228 beinhaltet auch eine Wassereinlaßöffnung 246, wobei die Öffnungen 246 zueinander ausgerichtet sind, sowie eine Wasserbypassöffnung 250 in jeder der Wärmeträgerfluidplatten 230, um einen Wassereinlaßverteiler 252 zu bilden, der sich durch alle der Platten 228 und 230 erstreckt.
Jede der Wärmeträgerfluidplatten beinhaltet eine Brennstoffbypassöffnung 254, wobei die Öffnungen 254 zu einem Ende des Brennstoffströmungsdurchgangs 212 in jeder der Wasser/Brennstoff-Platten 228 gegenüber der Kammer 232 hin ausgerichtet sind, um ein Brennstoffeinlaßplenum oder einen -verteiler 256 zu bilden, das bzw. der sich durch alle der Platten 228 und 230 erstreckt, um jedem der Durchgänge 212 Brennstoff zuzuleiten.
Die Einheit 200 beinhaltet auch Trennbleche 260, die zwischen jeder der Platten 228 und 230 in verschachtelter Anordnung vorgesehen sind, um ihre jeweiligen Strömungsdurchgänge gegeneinander abzudichten, wie aus gestapelten Plattenwärmetauscherkonstruktionen bekannt. Jedes der Trennbleche 260 hat Öffnungen 262, 264, 268, 270 und 272, die zu den Kammern 232 und 234, den Bypassöffnungen 238, den Bypassöffnungen 240, den Wassereinlaßöffnungen 246, den Bypassöffnungen 250 bzw. den Brennstoffbypassöffnungen 254 hin ausgerichtet sind und diesen entsprechen.
Die Einheit 200 beinhaltet auch ein Paar Endplatten 280 und 282, die sandwichartig an den Platten 228 und 230 sowie den Blechen 260 vorgesehen sind, um die Einheit 200 in einer fluiddichten Weise abzudichten. Die Endplatte 280 beinhaltet einen Wärmeträgerfluideinlaßanschluß oder eine entsprechende Öffnung 284, der bzw. die zum Wärmeträgerfluideinlaßverteiler 242 hin ausgerichtet ist, um diesem Wärmeträgerfluid zuzuleiten, sowie einen für befeuchteten Brennstoff vorgesehenen Auslaßanschluß oder eine entsprechende Öffnung 286, der bzw. die zum Wasser/Brennstoff-Mischplenum 236 an einem Ende des Plenums 236 gegenüber den Öffnungen zu den Durchgängen 210 und 212 hin ausgerichtet ist, um befeuchteten Brennstoff aus dem Plenum 236 abzuleiten. Die Endplatte 282 beinhaltet einen Wassereinlaßanschluß oder eine entsprechende Öffnung 288, der bzw. die zum Wasserverteiler 252 hin ausgerichtet ist, um diesem die Wasserströmung zuzuleiten, einen Brennstoffeinlaßanschluß oder eine entsprechende Öffnung 290, der bzw. die zum Brennstoffverteiler 256 hin ausgerichtet ist, um diesem die Brennstoffströmung zuzuleiten, sowie einen Wärmeträgerfluidauslaßanschluß oder eine entsprechende Öffnung 292, der bzw. die zum Auslaßverteiler 244 hin ausgerichtet ist, um aus diesem Wärmeträgerfluid abzuleiten.
Wie am besten aus 12 ersichtlich, ist der Durchgang 210 durch einen durchlaufenden Schlitz definiert, der sich von der Wassereinlaßöffnung 246 zur Wasser/Brennstoff-Mischkammer 232 erstreckt, wobei der Schlitz zu beiden Stirnflächen der Platte 228 hin offen ist. Desgleichen ist der Brennstoffdurchgang 212 durch einen durchlaufenden Schlitz definiert, der sich vom Brennstoffeinlaßverteiler 256 zur Wasser/Brennstoff-Mischkammer 232 erstreckt, wobei der Schlitz wiederum zu den gegenüberliegenden Stirnflächen der Wasser/Brennstoff-Platte 228 hin offen ist. Wie aus den beiden 11 und 12 ersichtlich, ist der Druckreduzierungsbereich 220 des Durchgangs 210 durch einen Abschnitt des Schlitzes definiert, der in einem dichten serpentinenartigen Muster mit einer relativ engen Schlitzbreite ausgebildet ist, durch die gemeinsam ein gekrümmter Strömungsweg entsteht. Der Wasserdurchgang 210 setzt sich dann zu einem offeneren Bereich des Schlitzes hin fort, in dem die Verdampfung des Wassers erfolgt. In dieser Hinsicht hat die anfängliche Länge des Schlitzes angrenzend an den Druckreduzierungsbereich 220 eine reduzierte Breite, um eine Trennung der Wasserströmung bei ihrer Bewegung vom Druckreduzierungsbereich 220 zum Rest 222 des Strömungsdurchgangs 210 zu vermeiden, wobei sich der Durchgang 210 weiterhin, während er sich zur Kammer 232 hin erstreckt, erweitert.
Wie am besten aus 12 ersichtlich, beinhaltet jede der Wasser/Brennstoff-Platten 228 auch die Wärmesperre 224 in der Form eines Spalts oder Schlitzes 300, der sich über die Länge des Druckabfalleinlaßbereichs 220 zwischen dem Druckreduzierungsbereich 220 und dem Rest 222 des Wasserströmungsdurchgangs 210 erstreckt. Wie aus 11 ersichtlich, beinhaltet jede der Wärmeträgerfluidplatten 230 einen entsprechenden Spalt oder Schlitz 302, jede der Trennbleche 260 einen entsprechenden Spalt oder Schlitz 304 und jede der Endplatten 282 einen entsprechenden Spalt oder Schlitz 306, wobei alle der Schlitze 300, 302, 304, 306 über den gesamten Stapel ausgerichtet sind, um ein Plenum 308 zu bilden, das sich durch den Stapel erstreckt und zur Atmosphäre hin offen ist. Wie vorstehend erörtert, dient die Wärmesperre 224 dazu, die Überleitung von Wärme auf den Druckabfalleinlaßbereich 220 zu minimieren, und verhindert oder begrenzt vorzugsweise eine Verdampfung der Wasserströmung im Druckreduzierungsbereich 220, um si cherzustellen, daß die Wasserströmung im Druckreduzierungsbereich 220 in der Flüssigphase verbleibt. Dies ist erwünscht, weil, wenn das Wasser verdampfen könnte, ein hoher Druckabfall in den engen Durchgängen des Druckabfalleinlaßbereichs 220 erzeugt werden und dieser Druckabfall dominieren könnte. Während die Wärmesperre 224 bevorzugt wird, kann es in einigen Anwendungen erwünscht sein, die Wärmesperre 224 in der Einheit 200 nicht vorzusehen.
Wie aus den beiden 11 und 12 ersichtlich, leitet der Strömungsdurchgang 210 die Wasserströmung in einem insgesamt im Gleichstrom erfolgenden Strömungsverhältnis zur Wärmeträgerfluidströmung im Durchgang 214, ist aber mit einer serpentinenartigen Konfiguration ausgebildet, um eine örtliche Querströmung im Verhältnis zur Wärmeträgerfluidströmung im Durchgang 214 bereitzustellen, wodurch die Übertragung von Wärme auf das Wasser verbessert und das erwünschte Gleichstrom-Strömungsverhältnis dennoch sichergestellt wird.
Jeder der Strömungsdurchgänge 214 beinhaltet vorzugsweise erweiterte Oberflächen, die in der gezeigten Ausführungsform in der Form eines Rippen- oder Turbulatoreinsatzes 310 dargestellt sind, von dem viele geeignete Ausführungen bekannt sind. Erweiterte Oberflächen können auch in den Strömungsdurchgängen 210 und 212 vorgesehen werden, sind aber in der gezeigten Ausführungsform nicht dargestellt.
Wie aus 13 ersichtlich, ist ein Wasser/Brennstoff-Plattenpaar 312 als eine alternative Ausführungsform dargestellt, um den Wasserströmungsdurchgang 210 zu bilden. Jede Platte 314, 316 des Plattenpaars 312 beinhaltet mehrere gesonderte Schlitze 318, die so vorgesehen sind, daß sie über Abschnitten der entsprechenden gesonderten Schlitze 318 in der gegenüberliegenden Platte liegen, um den Wasserströmungs durchgang 210 zu bilden, wobei das Wasser, das 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 strömt, bis das Wasser in den Wasser/Brennstoff-Mischer 8 einströmt. Der Druckreduzierungsbereich 220 in dieser Ausführungsform ist durch mehrere der Schlitze 318 definiert, von denen jeder eine relativ enge Breite und eine kurze Länge aufweist, so daß Mehrfachänderungen in der Strömungsrichtung erforderlich sind und der gekrümmte Strömungsweg bereitgestellt wird. Für die besondere Anordnung von Schlitzen in 13 ist der Wasserströmungsdurchgang 210 in drei parallele Zweige 320 unterteilt, es versteht sich jedoch, daß eine solche Konfiguration wahlweise ist und in hohem Maße von den Erfordernissen einer jeden Anwendung abhängt. Es sei auch darauf hingewiesen, daß mehrere Plattenpaare 312 von entsprechender Form und Größe anstelle der Wasser/Brennstoff-Platten 228 in der in den 11 und 12 dargestellten Ausführungsform vorgesehen werden könnten.
Während einige bevorzugte Ausführungsformen für die Einheit 200 im Zusammenhang mit den 11–13 dargestellt und beschrieben wurden, versteht es sich, daß eine beliebige geeignete Wärmetauscherkonstruktion verwendet werden kann, um die Einheit 200 zu bilden, wozu beispielsweise auch Platten- und Stangenkonstruktionen, Konstruktionen mit gezogenen Böden, Bündelplattenkonstruktionen sowie Konstruktionen mit gesonderten Wärmeübertragungsrohren zählen. Es sei außerdem darauf hingewiesen, daß die eingesetzte spezielle Wärmetauscherkonstruktion in hohem Maße von den speziellen Erfordernissen des Systems abhängt, in dem die integrierte Befeuchtereinheit 200 zum Einsatz kommt. In dieser Hinsicht versteht es sich, daß, während die integrierte Brennstoffbefeuchtereinheit 200 hierin im Zusammenhang mit dem Brennstoffzellensystem 1 beschrieben wurde, die integrierte Brennstoffbefeuchtereinheit in vielen anderen Systemarten verwendet werden kann, und daß keine Beschränkung auf ein Brennstoffzellensystem beabsichtigt ist, es sei denn, daß in den Ansprüchen ausdrücklich etwas anderes vorgesehen ist.
Während die integrierte Einheit 200 unter Verwendung eines beliebigen geeigneten Materials für die spezielle Anwendung hergestellt werden kann, wird bei Einsatz im Brennstoffzellensystem 1 bevorzugt, daß die Bleche 260 und die Platten 228, 230, 280 und 282 aus rostfreiem Stahl oder aus einer anderen geeigneten korrosionsbeständigen Legierung gebildet und unter Verwendung einer anderen geeigneten korrosionsbeständigen Lötlegierung nickelverlötet oder verlötet werden.
Mit der vorstehenden Beschreibung der Erfindung ist diese dargestellt und beschrieben worden. Es ist nicht beabsichtigt, damit die hierin dargestellte Ausführungsform allumfassend oder einschränkend zu beschreiben, sondern es können angesichts der vorstehenden Erkenntnisse sowie auf der Basis praktischer Erfahrungen mit der Erfindung Modifizierungen und Variationen vorgenommen werden. Die Beschreibung wurde gewählt, um die Prinzipien der Erfindung und ihre praktische Anwendung zu erläutern. Der Schutzbereich der Erfindung ist durch die beiliegenden Ansprüche und ihre Äquivalente definiert.

Claims

Integrierte Brennstoffbefeuchtereinheit (5), die folgendes umfaßt: einen Wasserverdampfer (6); einen Brennstofferwärmer (23); und einen Brennstoff/Dampf-Mischer (8), der sowohl mit dem Wasserverdampfer (6), um von dort Dampf zu erhalten, als auch mit dem Brennstofferwärmer (23), um von dort erwärmten Brennstoff zu erhalten, verbunden ist.
Integrierte Brennstoffbefeuchtereinheit nach Anspruch 1, bei der der Wasserverdampfer (6), der Brennstofferwärmer (23) und der Brennstoff/Dampf-Mischer (8) durch einen Stapel (3) von Platten, die mit Wärmeträgerfluidplatten (230) verschachtelte Wasser/Brennstoff-Platten (228) umfassen, definiert sind.
Integrierte Brennstoffbefeuchtereinheit nach Anspruch 1, bei der der Wasserverdampfer (6), der Brennstofferwärmer (23) und der Brennstoff/Dampf-Mischer (8) durch einen Stapel (3) von Platten, die mehrere, mit mehreren Wärmerträgerfluidplatten verschachtelte Wasser/Brennstoff-Plattenpaare umfassen, definiert sind.
System, das eine Strömung aus befeuchtetem Brennstoff erfordert, und eine integrierte Brennstoffbefeuchtereinheit gemäß einem der Ansprüche 1–3 enthält, wobei das System folgendes umfaßt: eine Wärmeträgerfluidquelle; eine Wasserquelle (13); und eine Brennstoffquelle; wobei die integrierte Brennstoffbefeuchtereinheit (5, 200), die betriebswirksam mit der Wärmeträgerflu idquelle, um von dort eine Wärmeträgerfluidströmung zu erhalten, mit der Wasserquelle (13), um von dort eine Wasserströmung zu erhalten, und mit der Brennstoffquelle, um von dort eine Brennstoffströmung zu erhalten, verbunden ist.
System nach Anspruch 4, bei dem der integrierte Brennstoffbefeuchter (5, 200) so konfiguriert ist, daß die Wasserströmung in einem Gleichstrom-Strömungsverhältnis zur Wärmeträgerfluidströmung durch den Wasserverdampfer (6) geleitet wird.
System nach Anspruch 4, bei dem der integrierte Brennstoffbefeuchter so konfiguriert ist, daß die Wärmeträgerfluidströmung dem Brennstofferwärmer stromabwärts hinter dem Wasserverdampfer (6) zugeleitet wird.
System nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die integrierte Brennstoffbefeuchtereinheit, folgendes umfaßt: einen Wasserverdampfer (6) mit einem Wasserströmungsweg in einem Wärmeübertragungsverhältnis zu einem Wärmeträgerfluidströmungsweg; einen Brennstofferwärmer (23) mit einem Brennstoffströmungsweg in einem Wärmeübertragungsverhältnis zum Wärmeträgerfluidströmungsweg; und einen Brennstoff/Dampf-Mischer (8), der sowohl mit dem Wasserströmungsweg, um von dort Dampf zu erhalten, als auch mit dem Brennstoffströmungsweg, um von dort erwärmten Brennstoff zu erhalten, verbunden ist.
System nach Anspruch 7, wobei der Brennstofferwärmer (23) stromabwärts hinter dem Wasserverdampfer (6) im Verhältnis zum Wärmeträgerfluidströmungsweg vorgesehen ist.
System nach Anspruch 7, bei dem der Wasserströmungsweg mehrere parallele Wasserströmungsdurchgänge (210) umfaßt; der Brennstoffströmungsweg mehrere parallele Brennstoffströmungsdurchgänge (212) umfaßt; und der Wärmeträgerfluidströmungsweg mehrere parallele Wärmeträgerfluidströmungsdurchgänge (214) umfaßt, die mit den Wasserströmungsdurchgängen im Wasserverdampfer und mit den Brennstoffströmungsdurchgängen (212) im Brennstofferwärmer verschachtelt sind.
System nach Anspruch 9, bei dem der Brennstoff/Dampf-Mischer (8) ein Plenum (308) umfaßt, das mit allen der Wasser- und Brennstoffströmungsdurchgänge verbunden ist.
System nach Anspruch 9, bei dem jeder der Wasserströmungsdurchgänge (210) einen Einlaßbereich umfaßt, der einen Flüssigkeitsdruckabfallbereich (220) für die Wasserströmung definiert.
System nach Anspruch 11, bei dem der Flüssigkeitsdruckabfallbereich (220) einen kurvenförmigen Strömungsweg umfaßt.
System nach Anspruch 11, bei dem jeder der Einlaßbereiche gegenüber einem Rest (222) des entsprechenden Wasserströmungsdurchgangs durch eine Wärmesperre (224) thermisch isoliert ist.
System nach Anspruch 13, bei dem jede der Wärmesperren in der Form eines Schlitzes vorgesehen ist, der sich zwischen dem entsprechenden Einlaßbereich und dem Rest des Wasserströmungsdurchgangs erstreckt.
System nach Anspruch 11, bei dem die Einlaßbereiche durch eine Wärmesperre vom Wärmeträgerfluidströmungsweg getrennt sind.
System nach Anspruch 15, bei dem die Wärmesperre in der Form eines Plenums (308) vorgesehen ist, das zur Atmosphäre hin offen ist und sich zwischen allen der Einlaßbereiche und dem Wärmeträgerfluidströmungsweg erstreckt.
System nach Anspruch 9, bei dem die Strömungsdurchgänge durch mehrere, mit mehreren Wärmeträgerfluidplatten (230) verschachtelte Wasser/Brennstoff-Platten (228) definiert sind, wobei jede der Wasser/Brennstoff-Platten (228) einen der Wasserströmungsdurchgänge (210) und einen der Brennstoffströmungsdurchgänge (212) definiert, und wobei jede der Wärmeträgerfluidplatten einen der Wärmeträgerfluiddurchgänge (210) definiert.
System nach Anspruch 17, bei dem jede der Platten (228, 230) weiterhin eine Wasser/Brennstoff-Mischkammer beinhaltet, wobei die Kammern so ausgerichtet sind, daß sie ein Wasser/Brennstoff-Mischplenum bilden, und wobei die Kammern in den Wasser/Brennstoff-Platten (228) sowohl zu den Wasserströmungsdurchgängen als auch zu den Brennstoffströmungsdurchgängen hin offen sind.
System nach Anspruch 17, bei dem jede der Wasser/Brennstoff-Platten (228) einen Wassereinlaßbereich als Teil des Wasserströmungsdurchgangs der Wasser/Brennstoff-Platte (228) definiert, und wobei der Wassereinlaßbereich von einem Rest des Wasserströmungsdurchgangs durch einen Schlitz in der Wasser/Brennstoff-Platte (228) getrennt ist.
System nach Anspruch 17, bei dem jeder der Strömungsdurchgänge in den Wasser/Brennstoff-Platten (228) durch einen Schlitz definiert ist, der zu gegenüberliegenden Stirnflächen der Wasser/Brennstoff-Platte (228) hin offen ist.
System nach Anspruch 17, bei der jeder der Wasserströmungsdurchgänge eine serpentinenartige Form hat.
System nach Anspruch 17, bei dem jede der Wärmeträgerfluidplatten (230) einen Umfangsrahmen umfaßt, der einem Umfang einer angrenzenden der Wasser/Brennstoff-Platten (228) entspricht.
System nach Anspruch 9, bei dem die Strömungsdurchgänge durch mehrere, mit mehreren Wärmeträgerfluidplatten (230) verschachtelte Wasser/Brennstoff-Plattenpaare (312) definiert sind, wobei jedes der Plattenpaare (312) in einer der Platten (314, 316) des Plattenpaars (312) mehrere Schlitze (318) beinhaltet, die mehrere Schlitze in der anderen der Platten des Plattenpaars überlappen, um einen der Wasserströmungsdurchgänge zu definieren.
System nach Anspruch 7, das weiterhin folgendes umfaßt: einen Wärmeträgerfluideinlaßverteiler; und einen Wärmeträgerfluidauslaßverteiler, wobei der Wärmeträgerfluidströmungsweg vom Einlaßverteiler zum Auslaßverteiler verläuft, und wobei der Brennstoff/Dampf-Mischer (8) angrenzend an den Wärmeträgerfluidauslaßverteiler vorgesehen ist.
System nach Anspruch 24, bei dem der Wasserströmungsweg einen Verdampfungsabschnitt beinhal tet, der angrenzend an den Wärmeträgerfluideinlaß beginnt und am Brennstoff/Dampf-Mischer (8) endet.