DE10296643T5 - Kaltstarten einer benzinbetriebenen Brennstoffzelle - Google Patents
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Abstract
Eine Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit einem Brennstoffaufbereitungssystem, aufweisend:
einen Benzinverdampfer zum Verdampfen von Benzin aus einer Quelle, ein Startbrenner, welcher Benzin und Luft verbraucht, um ein heißes Abgas zu erzeugen;
einen Wärmeaustauscher, wobei ein Element des Wärmeaustauschers das heiße Abgas aufnimmt, ein zweites Element des Wärmeaustauschers Wasser während des Anfahrens vom Brennstoffaufbereitungssystem aufnimmt, um Dampf an den Verdampfer zu liefern, und wobei nach dem Anfahren Dampf vom Brennstoffaufbereitungssystem zum Verdampfer geführt wird;
gekennzeichnet durch die Verbesserung, welche aufweist:
eine Quelle für eine wässrige Frostschutzlösung, welche zu dem zweiten Element des Anfahr-Wärmeaustauschers während des Anfahrens geliefert wird, anstatt von Wasser, welches durch das Brennstoffaufbereitungssystem geliefert wird, um so das Starten des Systems bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts zu ermöglichen.
einen Benzinverdampfer zum Verdampfen von Benzin aus einer Quelle, ein Startbrenner, welcher Benzin und Luft verbraucht, um ein heißes Abgas zu erzeugen;
einen Wärmeaustauscher, wobei ein Element des Wärmeaustauschers das heiße Abgas aufnimmt, ein zweites Element des Wärmeaustauschers Wasser während des Anfahrens vom Brennstoffaufbereitungssystem aufnimmt, um Dampf an den Verdampfer zu liefern, und wobei nach dem Anfahren Dampf vom Brennstoffaufbereitungssystem zum Verdampfer geführt wird;
gekennzeichnet durch die Verbesserung, welche aufweist:
eine Quelle für eine wässrige Frostschutzlösung, welche zu dem zweiten Element des Anfahr-Wärmeaustauschers während des Anfahrens geliefert wird, anstatt von Wasser, welches durch das Brennstoffaufbereitungssystem geliefert wird, um so das Starten des Systems bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts zu ermöglichen.
Description
- TECHNISCHES GEBIET
- Diese Erfindung bezieht sich auf Brennstoffaufbereitung, welche Benzin (engl. gasoline) zu Wasserstoff konvertiert, welcher als Brennstoffreaktant in einer Brennstoffzelle verwendet wird, und insbesondere auf die Verwendung einer wässrigen Frostschutzlösung im Brennstoffverdampfer anstatt von Brennstoffaufbereitungssystemdampf während des Anfahrens, wenn die Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts ist.
- STAND DER TECHNIK
- Es ist bekannt, dass ein Brennstoffaufbereitungssystem für Niedertemperatur-Brennstoffzellen aus einer Entschwefelungsvorrichtung, einem Reformer, einem Shift-Converter und einem selektiven Oxidierer besteht. Die Entschwefelungsvorrichtung entfernt Schwefelverbindungen aus dem Brennstoff, der Reformer bringt den Brennstoff zur Reaktion mit Wasser/Dampf und manchmal Luft, um hauptsächlich Wasserstoff, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid zu erzeugen, der Shift-Reaktor bringt Wasser/Dampf zur Reaktion mit Kohlenmonoxid, um Wasserstoff und Kohlendioxid zu erzeugen, und der selektive Oxidierer oxidiert das Kohlenmonoxid mit Sauerstoff Kohlendioxid. Die drei zur Zeit verwendeten Haupttypen von Reformern umfassen einen Dampfreformer, einen autothermen Reformer und einen Reformer mit teilweiser Oxidation. Der Dampfreformer, autotherme Reformer und Shift-Converter benötigen Wasser, damit die Reaktionen ablaufen. Der Reformer mit teilweiser Oxidation verwendet kein Wasser. Der autotherme Reformer und der Reformer mit teilweiser Oxidation benötigen auch Luft als Reaktant.
- Der Bestand an verbleibendem Wasser einer Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage kann in dem Bereich von mehreren Gallonen liegen. Viele Minuten sind erforderlich, um eine solche Menge Eis aufzutauen. Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen zur Verwendung in Fahrzeugen haben als Zielvorgabe, in ca. 10 s gestartet zu werden. In kälteren Klimazonen ist ein Anfahren von Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen, die in Fahrzeugen verwendet werden, bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts erforderlich. In jedem Benzin-Brennstoftverarbeitungssystem muss dem Verdampfer Dampf zur Verfügung gestellt werden, um als ein erster Verfahrensschritt das Benzin zu verdampfen. Es gibt jedoch keine Methode, Wasser in der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage zur Verwendung im Brennstoffaufbereiter aufzubewahren, die das Gefrieren des Wassers verhindert.
- BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
- Diese Erfindung kann umfassen: eine Quelle von nicht-gefrorenem Wasser zur Verwendung im Verdampfer eines Benzin-Brennstoffaufbereitungssystems; eine Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage, welche bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts in Sekunden starten kann; und eine Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage, welche zur Verwendung in Fahrzeugen geeignet ist, die schnell bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts starten kann.
- Erfindungsgemäß wird der normale Wasser-Input für einen Wärmeaustauscher zum Anfahren, welcher Dampf an den Benzinverdampfer innerhalb des Benzin-Brennstoffaufbereitungssystems liefert, durch eine wässrige Frostschutzlösung ersetzt. Erfindungsgemäß wird die wässrige Frostschutzlösung im Wärmeaustauscher zum Anfahren zu Dampf umgewandelt, und die Frostschutzkomponente zersetzt sich vollständig innerhalb des Reformers und Shift-Converters des Benzin-Brennstoffaufbereitungssystems. Erfindungsgemäß sind geeignete Frostschutzlösungen: Methanol-Wasser, Ethanol-Wasser, Glycerin-Wasser, Ethylenglykol-Wasser und Propylenglykol-Wasser. Vor zugsweise sind diese Lösungen frei von üblicherweise verwendeten Additiven und Stabilisatoren.
- Die Erfindung ermöglicht schnelles Anfahren eines Brennstoffverarbeitungssystems, welches geeignet ist zur Verwendung in Fahrzeugen, welche durch benzinbetriebene Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen angetrieben sind.
- KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
- Die einzige Figur ist eine schematische Darstellung einer Benzin-betriebenen Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage, welche Details des Anfahrbereichs des Systems darstellt.
- BESTE ART(EN) DER AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
- Bezugnehmend auf die Figur wird Rohbenzin von einer Quelle
11 in einem Brennstoffverarbeitungssystem12 entschwefelt, um eine Quelle13 von Schwefel-freiem Benzin durch bekannte Verfahren bereitzustellen, wie es im von der gleichen Anmelderin gehaltenen US-Patent 6 156 084 dargestellt ist. Das Schwefel-freie Benzin wird mittels einer Pumpe16 durch ein Abschaltventil17 einem Verdampfer19 zugeführt, welcher ein konventioneller Teil des Brennstoffaufbereitungssystems12 ist. Die Pumpe16 liefert ebenfalls Schwefelfreies Benzin durch ein Ventil20 zu einem konventionellen Startbrenner22 , welcher auch Luft von einer geeigneten Luftquelle24 durch eine Luftfördereinrichtung25 erhält. Das Abgas des Startbrenners wird zu einem Element27 eines Wärmeaustauschers zum Anfahren28 geführt. Das andere Element29 des Wärmeaustauschers nimmt normalerweise Wasser/Dampf durch ein Ventil30 und eine Leitung31 vom Brennstoffaufbereitungssystem12 auf. Während des Anfahrens wird Wasser von der Leitung31 durch das Ventil30 und das Element29 geleitet, wo es zu Dampf konvertiert wird; der Dampf wird dem Verdampfer19 durch eine Leitung32 zugeführt, um das Benzin zu Verdampfen, um den Konvertierungsprozess des Benzins zu einer wasserstoffreichen Strömung auf konventionelle Weise zu starten. Ein Drucksensor40 kann den Druck des Dampfes in der Leitung31 messen, was den Abschluss des Anfahrens anzeigt, so dass das Ventil20 geschlossen werden kann, was bewirkt, dass der Startbrenner22 abschaltet. Anschließend wird bei Betrieb im stationären Zustand Dampf vom Ventil30 durch das Element29 , über die Leitung32 zum Verdampfer19 geführt. Das Brennstoftaufbereitungssystem liefert eine wasserstoffreiche Strömung auf einer Leitung37 zur Brennstoffzelle38 , welche auch Luft von der Luftfördereinrichtung25 über die Leitung39 erhält. - Die Brennstoffzelle erzeugt Produkt-Wasser und verwendet Kühlwasser, wie bekannt; das Brennstoffaufbereitungssystem verwendet ein Teil dieses Wassers; Wasser wird zwischen dem Brennstoffaufbereitungssystem
12 und der Brennstoffzelle38 über die Leitungen41 ausgetauscht. Der Betrieb der Brennstoffzelle ist konventionell. - Während des Anfahrens bewirkt das Ventil
30 erfindungsgemäß, dass das Element29 eine wässrige Frostschutzlösung aufnimmt, welche zum Ventil30 über eine Leitung42 durch eine Pumpe44 aus einem Reservoir46 geliefert wird. Während eines kalten Anfahrens wird die wässrige Frostschutzlösung aus dem Reservoir46 zu Dampf mit darin enthaltenen Frostschutzkomponenten konvertiert, welcher über die Leitung32 zum Verdampfer19 geführt wird. Der Drucksensor40 kann das Vorhandensein von Dampf in der Leitung31 erfassen, was den Abschluss des Anfahrens anzeigt. Das Auswahlventil42 geht von der Leitung42 auf die Leitung31 über, und das Ventil20 schließt, wodurch bewirkt wird, dass der Startbrenner22 abschaltet, wie es bekannt ist: Der Brennstoffverdampfer reagiert dann auf über die Leitung31 vom Brennstoffaufbereitungssystem12 gelieferten Dampf. - Die Erfindung ist gut geeignet zur Anwendung in Brennstoffaufbereitern, welche Benzin zu einer wasserstoffreichen Strömung zur Verwendung in Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlagen in Fahrzeugen konvertieren. Frostschutzmittel, welches derzeit an Tankstellen gut erhältlich ist, umfasst Ethylenglykol und Propylenglykol, welches als Kühlerfrostschutz verkauft wird, und Methanol, welches als Trockengas verkauft wird. Andere Frostschutzmittel können jedoch bereitgestellt werden, falls gewünscht, wofür oben Beispiele gegeben wurden. Obwohl die Erfindung besonders gut geeignet ist zur Anwendung in Fahrzeugkraftanlagen, welche PEM-Brennstoffzellen verwenden, kann die Erfindung in jeder Brennstoffzelle verwendet werden, welche in einer kalten Klimazone betrieben wird, unter Verwendung von jeglicher Frostschutzlösung, welche innerhalb des Reformers und des Shift-Konverters vollständig abgebaut wird.
- ZUSAMMENFASSUNG
- Eine Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit einer Brennstoffzelle (
38 ), welche Wasserstoff (37 ) von einem Brennstoffaufbereitungssystem (12 ) aufnimmt, welches einen Verdampfer (19 ) zum Verdampfen von sauberen Benzin von einer Quelle (13 ) verwendet. Ein konventioneller Startbrenner (22 ) und Anfahr-Wärmeaustauscher (28 ) werden verwendet, um Wasser (31 ) vom Brennstoffzellenaufbereitungssystem und der Brennstoffzelle (38 ) zu Dampf (32 ) umzuwandeln; während des Anfahrens unterhalb des Gefrierpunkts wird jedoch eine Frostschutzlösung (46 ) zu dem Wärmeaustauscher (28 ) geführt, um Dampf (32 ) zum Starten der Verdampfung von Benzin im Verdampfer (19 ) zu erzeugen.
Claims (2)
- Eine Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit einem Brennstoffaufbereitungssystem, aufweisend: einen Benzinverdampfer zum Verdampfen von Benzin aus einer Quelle, ein Startbrenner, welcher Benzin und Luft verbraucht, um ein heißes Abgas zu erzeugen; einen Wärmeaustauscher, wobei ein Element des Wärmeaustauschers das heiße Abgas aufnimmt, ein zweites Element des Wärmeaustauschers Wasser während des Anfahrens vom Brennstoffaufbereitungssystem aufnimmt, um Dampf an den Verdampfer zu liefern, und wobei nach dem Anfahren Dampf vom Brennstoffaufbereitungssystem zum Verdampfer geführt wird; gekennzeichnet durch die Verbesserung, welche aufweist: eine Quelle für eine wässrige Frostschutzlösung, welche zu dem zweiten Element des Anfahr-Wärmeaustauschers während des Anfahrens geliefert wird, anstatt von Wasser, welches durch das Brennstoffaufbereitungssystem geliefert wird, um so das Starten des Systems bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts zu ermöglichen.
- Verfahren zum Starten einer Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage mit einem Brennstoffaufbereitungssystem, welches einen Benzinverdampfer, einen Startbrenner und einen Anfahr-Wärmeaustauscher hat, welcher Wasser vom Brennstoffaufbereitungssystem aufnimmt, um Dampf für das Anfahren an den Verdampfer zu liefern, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen einer wässrigen Frostschutzlösung für den Anfahr-Wärmeaustauscher während des Anfahrens bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts.
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- 2001-04-10 US US09/832,275 patent/US6548200B2/en not_active Expired - Lifetime
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- 2002-04-05 JP JP2002581609A patent/JP4452018B2/ja not_active Expired - Fee Related
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