DE10297056B4 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

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Abstract

Brennstoffzellensystem mit:
(a) einer Brennstoffzelle (11) mit einem Anodeneingang für einen wasserstoffhaltigen Anodenlieferstrom (13), einem Kathodeneingang für einen oxidationsmittelhaltigen Kathodenlieferstrom (13), einem Anodenausgang für Anodenabfluss (12) und einem Kathodenausgang für Kathodenabfluss (12), der von der Brennstoffzelle erzeugtes Wasser umfasst; und
(b) einer ersten Wasserübertragungsvorrichtung (10) mit einem einen Hohlraum (57) aufweisenden Gehäuse (56), das einen Einlass (51) für einen der beiden Lieferströme aufweist, sowie mit (i) einem ersten Eingang (58) für Kathodenabfluss, der mit dem Kathodenausgang verbunden ist, (ii) einem Ausgang (52) für Lieferstrom, der mit einem oder beiden der Brennstoffzelleneingänge verbunden ist, und (iii) einer Wasserübertragungsmembran; dadurch gekennzeichnet, dass:
die erste Wasserübertragungsvorrichtung eine Vielzahl von Rohrleitungen (53) aufweist, die jeweils einen Innenhohlraum und eine Außenfläche aufweisen, deren Wände die Wasserübertragungsmembran umfassen, wobei ein Ende jeder Rohrleitung mit einer dieser zugeordneten Sammelkammer (61) verbunden ist, die den Eingang für Kathodenabfluss als einen Einlass aufweist, und ein anderes...

Description

  • Diese Erfindung betrifft Brennstoffzellen-Energieerzeugungsanlagen für die Erzeugung von Elektrizität aus der elektrochemischen Reaktion von Wasserstoff und einem Oxidationsmittel. Bevorzugte Anlagen erzeugen Wasserstoff aus Kohlenwasserstoff-Brennstoff. Insbesondere betrifft diese Erfindung Brennstoffzellen-Energieerzeugungsanlagen mit einer Vorrichtung, die Wasserdampf von dem Abfluss einer Brennstoffzelle auf Komponenten der Energieerzeugungsanlage (engl. power plant), die Wasser erfordern, überträgt.
  • Brennstoffzellen sind Vorrichtungen, die elektrochemische Energie durch die Reaktion reduzierender und oxidierender Chemikalien in Elektrizität umwandeln. Brennstoffzellen sind bisher bei vielen Anwendungen als Energie- bzw. Antriebsquelle verwendet worden und können gegenüber anderen Quellen für elektrische Energie erhebliche Vorteile bieten, wie beispielsweise einen verbesserten Wirkungsgrad, eine verbesserte Zuverlässigkeit wie auch Lebensdauer, geringere Kosten und Umweltvorteile. Insbesondere sind Elektromotoren, die durch Brennstoffzellen betrieben werden, zur Verwendung in Autos und anderen Fahrzeugen als Ersatz für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen worden.
  • Brennstoffzellen verwenden typischerweise Wasserstoff und Luft als die reduzierenden und oxidierenden Materialien, um elektrische Energie und Wasser zu erzeugen. Die Zelle umfasst allgemein eine Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode, die durch einen Elektrolyten getrennt sind. Wasserstoff wird an die Anodenelektrode geliefert, und Sauerstoff (oder Luft) wird an die Kathodenelektrode geliefert. Das Wasserstoffgas wird an der Anode in Elektronen und Wasserstoffionen (Protonen) getrennt. Die Wasserstoffionen gelangen durch den Elektrolyten an die Kathode. Die Elektronen wandern durch die Stromschaltung (beispielsweise an einen Motor) an die Kathode. An der Kathode werden die Wasserstoffionen, Elektronen wie auch der Sauerstoff dann kombiniert, um Wasser zu bilden. Die Reaktionen an der Anode und Kathode werden durch einen Katalysator, typischerweise Platin, erleichtert.
  • Die Anode und Kathode der Brennstoffzelle sind durch einen Elektrolyten getrennt. Es existieren verschiedene Typen von Brennstoffzellen, von denen jeder ein anderes Elektrolytsystem umfasst und jeder Vorteile besitzt, die diesen für gegebene, kommerzielle Anwendungen besonders geeignet machen. Ein Typ ist die Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembran (PEM), die eine dünne Polymermembran verwendet, die für Protonen, jedoch nicht für Elektronen, durchlässig ist. PEM-Brennstoffzellen sind besonders gut zur Verwendung in Fahrzeugen geeignet, da sie einen hohen Strom liefern können und weniger als andere Brennstoffzellensysteme wiegen.
  • Die Membran in der PEM-Brennstoffzelle ist ein Teil einer Membranelektrodenanordnung (MEA), die die Anode auf einer Seite der Membran und die Kathode auf der gegenüberliegenden Seite aufweist. Die Membran besteht typischerweise aus einem Ionentauscherharz, wie beispielsweise perfluorierter Sulfonsäure. Die MEA ist schichtartig zwischen einem Paar elektrisch leitfähiger Elemente angeordnet, die als Stromkollektoren für die Anode und Kathode dienen und geeignete Kanäle und/oder Öffnungen zur Verteilung der gasförmigen Reaktanden der Brenn stoffzelle über die Oberflächen der jeweiligen Anoden- und Kathodenkatalysatoren umfassen.
  • Die Anode und Kathode umfassen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel, die auf Kohlenstoffpartikeln getragen sind und mit einem protonenleitenden Harz gemischt sind. Die katalytischen Partikel sind typischerweise Edelmetallpartikel, wie beispielsweise Platin. Derartige MEAs sind demgemäß relativ teuer herzustellen und erfordern gesteuerte Betriebsbedingungen, um eine Schädigung der Membran und der Katalysatoren zu verhindern. Diese Bedingungen umfassen eine richtige Wassersteuerung wie auch Befeuchtung und eine Steuerung von den Katalysator schädigenden Bestandteilen, wie beispielsweise Kohlenmonoxid. Typische PEM-Brennstoffzellen und MEAs sind in dem U.S.-Patent 5,272,017 A von Swathirajan et al., das am 21. Dezember 1993 erteilt wurde, und dem U.S.-Patent 5,316,871 A von Swathirajan et al., das am 31. Mai 1994 erteilt wurde, beschrieben.
  • Die Spannung von einer einzelnen Zelle beträgt nur etwa 1 Volt. Demgemäß sind, um die höheren Strom- bzw. Spannungsanforderungen von Fahrzeuge und anderen kommerziellen Anwendungen erfüllen zu können, mehrere Zellen in Reihe kombiniert. Diese Kombination ist typischerweise in einem Stapel bzw. ”Stack” angeordnet, der durch einen elektrisch isolierenden Rahmen umgeben ist, der Durchgänge besitzt, um den Fluss der Wasserstoff- und Sauerstoff-(Luft-)Reaktanden und den Wasserabfluss zu führen. Da die Reaktion von Sauerstoff und Wasserstoff auch Wärme erzeugt, muss der Brennstoffzellenstapel auch gekühlt werden. Anordnungen von mehreren Zellen in einem Stapel sind beschrieben in dem U.S.-Patent 5,763,113 A von Meltser et al. das am 9. Juni 1998 erteilt wurde, und dem U.S.-Patent 6,099,484 A von Rock, das am 8. August 2000 erteilt wurde.
  • Bei vielen Anwendungen ist es erwünscht, einen leicht verfügbaren Kohlenwasserstoff-Brennstoff, wie beispielsweise Methan (Erdgas), Methanol, Benzin oder Dieselkraftstoff als die Wasserstoffquelle für die Brennstoffzelle zu verwenden. Flüssige Brennstoffe, wie beispielsweise Benzin, sind für Fahrzeuganwendungen besonders geeignet. Derartige Brennstoffe sind relativ leicht zu speichern, und es existiert bereits eine kommerzielle Infrastruktur für deren Lieferung. Jedoch müssen Kohlenwasserstoff-Brennstoffe aufgespalten werden, um Wasserstoffgas zur Belieferung der Brennstoffzelle freizusetzen. Brennstoffprozessoren für Energieerzeugungsanlagen zur Lieferung von Wasserstoff umfassen einen oder mehrere Reaktoren oder ”Reformer”, in denen der Brennstoff mit Wasserdampf und manchmal Luft reagiert, um Reaktionsprodukte zu erzielen, die hauptsächlich Wasserstoff und Kohlendioxid umfassen.
  • Allgemein existieren zwei Typen von reformierenden Systemen: Wasserdampfreformer und autotherme Reformer. Jedes System besitzt Betriebseigenschaften, die es zur Verwendung bestimmter Typen von Brennstoffen und bei bestimmten Anwendungen mehr oder weniger geeignet machen. Bei der Wasserdampfreformierung reagieren ein Kohlenwasserstoff-Brennstoff (typischerweise Methan oder Methanol) und Wasser (als Wasserdampf) miteinander, um Wasserstoff und Kohlendioxid zu erzeugen. Diese Reaktion verläuft endotherm und erfordert einen Zusatz von Wärme. Bei bevorzugten Systemen wird diese Wärme durch einen Brenner geliefert, der Wasserstoff verbrennt, der nach einem Durchgang des Reformats durch den Brennstoffzellenstapel unreagiert zurückbleibt.
  • Bei einem autothermen Reformierungsprozess werden Kohlenwasserstoff-Brennstoff (typischerweise Benzin), Wasserdampf und Luft an einen Primärreaktor geliefert, der zwei Reaktionen ausführt. Eine der Reaktionen ist eine Partialoxidationsreaktion, bei der Luft mit dem Brennstoff exotherm reagiert, und die andere der Reaktionen ist die endotherme Wasserdampfreformierungsreaktion (wie bei der Wasserdampfreformierung). Die Wärme von der exothermen Reaktion wird bei der endothermen Reaktion verwendet, wodurch der Bedarf nach einer externen Wärmequelle minimiert wird.
  • Ein Nebenprodukt sowohl der Wasserdampf- als auch autothermen Reformierungsreaktion ist Kohlenmonoxid. Unglücklicherweise verschlechtert Kohlenmonoxid den Betrieb der Brennstoffzelle und insbesondere der PEM-Brennstoffzellen. Somit ist es erforderlich, dass Reaktoren unterstromig des Primärreaktors die Kohlenmonoxidkonzentration in dem wasserstoffreichen Reformat auf Größen absenken, die in dem Brennstoffzellenstapel tolerierbar sind. Unterstromige Reaktoren können einen Wasser-Gas-Shift-Reaktor (WGS-Reaktor) und einen Reaktor für selektive bzw. bevorzugte Oxidation (PrOx-Reaktor) umfassen. Der WGS-Reaktor wandelt Kohlendioxid und Wasser katalytisch um, um Wasserstoff und Kohlendioxid zu erzeugen. Der PrOx-Reaktor oxidiert Kohlenmonoxid selektiv zur Erzeugung von Kohlendioxid unter Verwendung von Sauerstoff aus Luft als einem Oxidationsmittel. Die Steuerung der Luftzufuhr zu dem PrOx-Reaktor ist wichtig, um Kohlenmonoxid selektiv zu oxidieren, während die Oxidation von Wasserstoff zu Wasser minimiert wird.
  • Brennstoffzellensysteme, die einen Kohlenwasserstoffbrennstoff aufspalten, um ein wasserstoffreiches Reformat zum Verbrauch durch PEM-Brennstoffzellen zu erzeugen, sind in der Technik gut bekannt. Derartige Systeme sind beschrieben in dem U.S.-Patent 6,077,620 A von Pettit, das am 20. Juni 2000 erteilt wurde; der europäischen Patentveröffentlichung 977,293 A von Skala, et al., die am 2. Februar 2000 veröf fentlicht wurde, und dem U.S.-Patent 4,650,722 A von Vanderborgh, et al., das am 17. März 1987 erteilt wurde.
  • Die Verwendung von Brennstoffzellensystemen für Kohlenwasserstoffreformat in Autos und anderen Fahrzeugen besitzt spezielle Herausforderungen. Zusätzlich dazu, dass leicht verfügbare flüssige Brennstoffe verwendet werden sollen, wie oben beschrieben ist, müssen der Reformer wie auch die Brennstoffzellensysteme ein relativ geringes Gewicht besitzen und sie müssen dazu in der Lage sein, in einem breiten Bereich von Umgebungsbedingungen effizient arbeiten zu können (beispielsweise in einem Bereich von Temperaturen wie auch Feuchtebedingungen). Sie sollten auch schnell gestartet werden können, um Strom innerhalb eines kurzen Zeitintervalles nach der Startphase des Fahrzeugs erzeugen zu können. Somit ist es erwünscht, das Ausmaß der Erwärmung von Reaktandenkomponenten für den Reformer zu minimieren. Es ist ebenfalls erwünscht, die Menge an flüssigem Wasser zu minimieren, die in dem System gehandhabt werden muss, insbesondere, um die Notwendigkeit zu beseitigen, Wasser in dem System wieder auffüllen zu müssen.
  • Wie oben beschrieben ist, existieren verschiedene Komponenten in dem Reformat-Brennstoffzellensystem, die Wasser erfordern, wobei dies insbesondere den Reformer, der Wasserdampf als Reaktand erfordert, den WGS-Reaktor und die Brennstoffzelle betrifft, die eine Befeuchtung der MEA erfordert, damit diese richtig funktionieren kann. Eine übliche Vorgehensweise, um das Wassergleichgewicht in Brennstoffzellensystemen zu steigern, ist die Verwendung von kondensierenden Wärmetauschern an verschiedenen Punkten in dem System. Beispielsweise werden Wärmetauscher unterstromig des Reformers verwendet, um den Reformataustrag auf eine Temperatur bei oder unterhalb seines Taupunktes zu kühlen, um so einen Niederschlag von Wasser zu erreichen. Das Wasser wird von dem gasförmigen Reformat getrennt und in einem Reservoir gespeichert. Das Wasser wird anschließend an den Reformer zurückgeführt, in dem es erhitzt wird, um Wasserdampf zu erzeugen. Wärmetauscher werden auch dazu verwendet, den Austragsstrom, der die Kathode der Brennstoffzelle verlässt, zu kühlen, um so das Wasser zu kondensieren, das zur Befeuchtung der MEA verwendet wird. Die Verwendung von Wärmetauschern hat jedoch verschiedene Probleme zur Folge. Beispielsweise ist der Wasserrückgewinnungswirkungsgrad von Wärmetauschern verringert, wenn die Umgebungstemperatur zunimmt. Damit können große Kühler nötig werden, um so die Kondensationswärme zu dissipieren. Überdies muss das flüssige Kondensat, das von den Wärmetauschern erzeugt wird, zur Wiederverwendung in dem System verdampft werden, was eine zusätzliche Energielast wie auch Verminderungen der Wirkungsgrade in dem System zur Folge hat.
  • In der Technik sind bereits Vorgehensweisen hinsichtlich der Anforderungen an das Wassergleichgewicht in Brennstoffzellensystemen beschrieben worden. Dazu wird beispielsweise auf die deutsche Patentveröffentlichung DE 42 01 632 C2 von Strasser, die am 29. Juli 1993 veröffentlicht wurde, das U.S.-Patent 6,007,931 A von Fuller, et al., das am 28. Dezember 1999 erteilt wurde; und das U.S.-Patent 6,013,385 A von DuBose verwiesen, das am 11. Januar 2000 erteilt wurde. Jedoch sind die Wassermanagementsysteme, die im Stand der Technik bekannt sind, auf diese Anforderungen nicht geeignet abgestimmt, da sie Probleme besitzen, wie beispielsweise ihre Unfähigkeit, ein richtiges Wassergleichgewicht über einen breiten Bereich von Betriebsbedingungen beizubehalten, ihre mechanische Komplexität wie auch mangelnde Zuverlässigkeit, erhöhte Systemenergieanforderungen wie auch potentielle Sicherheitsrisiken.
  • Die US 6,106,964 A offenbart ein Brennstoffzellensystem nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, mit dem eine Wasserübertragung zwischen einem Abgasstrom und einem Lieferstrom wirksamer und effizienter ablaufen kann.
  • Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der Ansprüche.
  • Die vorliegende Erfindung sieht ein Brennstoffzellensystem vor, das Wasser von dem Abfluss einer Brennstoffzelle zur Lieferung an andere Komponenten des Brennstoffzellensystems, die Wasser erfordern, entzieht. Demgemäß sieht die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem für die Erzeugung von Elektrizität aus Wasserstoff und einem Oxidationsmittel vor, mit:
    • (a) einer Brennstoffzelle für die Erzeugung von Elektrizität unter Verwendung von Wasserstoff und einem Oxidationsmittel; und
    • (b) einer Wasserübertragungsvorrichtung, die Wasserdampf von dem Anoden- oder Kathodenabfluss der Brennstoffzelle auf andere Komponenten des Brennstoffzellensystems überträgt.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform ist ein Brennstoffzellensystem für die Erzeugung von Elektrizität aus Wasserstoffgas und einem Oxidationsmittel mit:
    • (a) einer Brennstoffzelle mit einem Anodeneingang für einen wasserstoffhaltigen Anodenlieferstrom, einem Kathodeneingang für einen oxidationsmittelhaltigen Kathodenlieferstrom und einem Kathodenausgang für Kathodenabfluss, der Wasser umfasst, das von der Brennstoffzelle erzeugt wird; und
    • (b) einer Wasserübertragungsvorrichtung, die mit der Brennstoffzelle verbunden ist und Wasser von dem Kathodenabfluss auf den Anodenlieferstrom überträgt. Eine andere bevorzugte Ausführungsform ist eine Brennstoffzellen-Energieerzeugungsanlage mit:
    • (a) einem Reaktor für die Erzeugung eines Reformatlieferstroms unter Verwendung eines Reaktoroxidationsmittelstroms und eines Reaktorkohlenwasserstoffbrennstoffstroms, wobei der Reformatlieferstrom Wasser umfasst;
    • (b) einer ersten Wasserübertragungsvorrichtung, die Wasser von dem Reformatlieferstrom auf einen oder beide der Reaktandenströme überträgt und eine Wasserübertragungsmembran umfasst;
    • (c) einer Brennstoffzelle mit einem Anodeneingang für den Reformatlieferstrom, einem Kathodeneingang für einen Oxidationsmittellieferstrom für die Kathode, einem Anodenausgang für einen Anodenabflussstrom, einem Kathodenausgang für einen Kathodenabflussstrom, wobei einer oder beide der Anoden- und Kathodenabflüsse von der Brennstoffzelle erzeugtes Wasser umfassen; und
    • (d) einer zweiten Wasserübertragungsvorrichtung, die mit der Brennstoffzelle verbunden ist und Wasser von einem oder beiden der Abflussströme auf einen oder mehrere der Oxidationsmittelreaktanden-, Reformatliefer- und Kathodenoxidationsmittellieferströme überträgt.
  • Es hat sich herausgestellt, dass derartige Wasserübertragungsvorrichtungen erhebliche Vorteile gegenüber in der Technik bekannten Wassersteuerungssystemen besitzen. Insbesondere besitzen derartige Systeme Vorteile bei der Beibehaltung eines Gesamtwassergleichgewichts in dem System in einem Bereich von Betriebsbedingungen, verringerte Energieanforderungen, eine verringerte Komponentenkomplexität und verbesserte Zuverlässigkeit wie auch eine gesteigerte Betriebssicherheit.
  • 1 ist ein Schaubild, das ein Brennstoffzellensystem dieser Erfindung zeigt und den Fluss von Materialien in und aus der Brennstoffzelle und der Wasserübertragungsvorrichtung veranschaulicht.
  • 2 ist ein Schaubild einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung mit einem Reaktor, einer Wasserübertragungsvorrichtung zur Übertragung von Wasserdampf von dem Reformatausgang des Reaktors auf den Lufteingang des Reaktors, einer Brennstoffzelle und einer Wasserübertragungsvorrichtung zur Übertragung von Wasserdampf von dem Kathodenabfluss der Brennstoffzelle auf den Kathodeneingang der Brennstoffzelle.
  • 3 ist ein Schaubild einer anderen bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung mit einem Reaktor, einer Wasserübertragungsvorrichtung zur Übertragung von Wasserdampf von dem Reformatausgang des Reaktors auf den Lufteingang des Reaktors, einer Brennstoffzelle und einer Wasserübertragungsvorrichtung zur Übertragung von Wasserdampf von dem Kathodenabfluss der Brennstoffzelle auf den Anodeneingang der Brennstoffzelle.
  • 4 ist ein Schaubild einer anderen bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung mit einem Reaktor, einer Wasserübertragungsvorrichtung zur Übertragung von Wasserdampf von dem Reformatausgang des Reaktors auf den Lufteingang des Reaktors, einer Brennstoffzelle und einer Wasserübertragungsvorrichtung zur Übertragung von Wasserdampf von dem Kathodenabfluss der Brennstoffzelle auf einen Verteiler, in dem der Wasserdampf weiter an den Lufteingang des Reaktors (über die erste Wasserübertragungsvorrichtung) und an die Kathoden- und (optional) die Anodeneingänge der Brennstoffzelle übertragen wird.
  • 5 zeigt eine Schnittansicht einer Wasserübertragungsvorrichtung, die mit dieser Erfindung verwendbar ist.
  • Die vorliegende Erfindung sieht ein Brennstoffzellensystem vor. Der hier verwendete Begriff ”Brennstoffzellensystem” betrifft eine Vorrichtung mit einer Brennstoffzelle und einer Wasserübertragungsvorrichtung. Die Wasserdampfübertragungsvorrichtung überträgt Wasser dampf von einem Abfluss der Brennstoffzelle auf eine andere Komponente des Brennstoffzellensystems. Bei einer besonderen Ausführungsform, die in 1 dargestellt ist, überträgt die Wasserübertragungsvorrichtung (10) Wasserdampf von einem Abflussstrom (12) der Brennstoffzelle (11), der Sauerstoff und Wasser enthält, auf einen Eingangsstrom (13) der Brennstoffzelle. Bevorzugt wird der Wasserdampf von dem Kathodenabfluss der Brennstoffzelle übertragen. Eine bevorzugte Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems umfasst auch einen Brenner (14), um einen Anodenabfluss der Brennstoffzelle zu verbrennen. Auch ist das Brennstoffzellensystem bevorzugt eine Kohlenwasserstoff-Brennstoffzellenanlage, deren Ausführungsformen in den 2, 3 und 4 dargestellt sind.
  • Der hier verwendete Begriff ”Brennstoffzelle” kann eine einzelne Zelle für die elektrochemische Erzeugung von Elektrizität, bevorzugt eine PEM-Brennstoffzelle unter Verwendung von Wasserstoff und einem Oxidationsmittel oder eine Vielzahl von Zellen in einem Stapel oder einer anderen Anordnung bezeichnen, die eine Serienverbindung der Zellen zulässt, um so eine erhöhte Spannung zu erzeugen. Der hier verwendete Begriff ”Kohlenwasserstoff-Brennstoffzellenanlage” ist eine Vorrichtung, die eine Brennstoffzelle und einen Kohlenwasserstoff-Brennstoffprozessor umfasst, um Wasserstoff für die Brennstoffzelle zu erzeugen. Der hier verwendete Begriff ”Kohlenwasserstoff-Brennstoffprozessor” umfasst jede Vorrichtung, die einen Kohlenwasserstoffbrennstoff in Wasserstoff umwandelt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kohlenwasserstoff-Brennstoffzellenanlage zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug geeignet. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die Kohlenwasserstoff-Brennstoffzellenanlage zur Verwendung in einer stationären Vorrichtung geeignet, wie beispielsweise einem Notstromgenerator oder Zusatz- oder Hilfsstromgenerator für Hausgebrauch oder kommerzielle Verwendung.
  • Bevorzugt wandelt der Kohlenwasserstoff-Brennstoffprozessor Kohlenwasserstoff-Brennstoff unter Verwendung eines Oxidationsmittels und Wasser um, um einen Strom aus Wasserstoffgas zu erzeugen. Bevorzugt ist der Kohlenwasserstoff-Brennstoff ein Brennstoff, der reformiert werden kann, um Wasserstoff zu erzeugen, und kann Benzin, Dieselkraftstoff, Erdgas, Methan, Butan, Propan, Methanol, Ethanol oder deren Mischungen umfassen. (Das hier verwendete Wort ”umfassen” (und seine Varianten) ist als nicht beschränkend anzusehen, so dass ein Aufzählen von Begriffen oder Möglichkeiten in einer Liste nicht dem Ausschluss anderer ähnlicher Begriffe oder Möglichkeiten dient, die ebenfalls in den Vorrichtungen, Einrichtungen, Komponenten, Materialien, Zusammensetzungen und Verfahren dieser Erfindung verwendet werden können.)
  • Insbesondere sehen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wie in den 2, 3 und 4 gezeigt sind, auch einen Brennstoffprozessor für eine Energieerzeugungsanlage vor, mit einem Reaktor 20, 30 oder 40 und einer Wasserübertragungsvorrichtung 21, die Wasserdampf von dem Reformat, das durch den Reaktor erzeugt wird, auf den Eingang des Reaktors überträgt. Der hier verwendete Begriff ”Reformat” ist das gasförmige Produkt oder der gasförmige Abfluss, der Wasserstoff umfasst und der durch einen Reaktor aus einem Kohlenwasserstoff-Brennstoff erzeugt wird. Bei einer Ausführungsform strömt das Reformat nach einem Durchgang durch die Wasserübertragungsvorrichtung von dem Reaktor an die Brennstoffzelle 11. Ebenfalls wird bei den gezeigten Ausführungsformen der Wasserdampf an den Reaktor als Teil des Oxidationsmittelstromes übertragen. Die Übertragung kann direkt an den Eingang des Reaktors oder an eine Vorrichtung erfolgen, wie beispielsweise eine Luftbewegungsvorrichtung, die ihrerseits mit dem Eingang des Reaktors verbunden ist. Die Wasserübertragungsvorrichtung umfasst bevorzugt eine Wasserübertragungsmembran.
  • Reaktor:
  • Die Brennstoffzellensysteme der vorliegenden Erfindung umfassen bevorzugt einen Reaktor, der in der Lage ist, einen Kohlenwasserstoff-Brennstoff in Wasserstoff zur Verwendung in einer Brennstoffzelle umzuwandeln. Bevorzugte Reaktoren umfassen Wasserdampf reformierende Reaktoren und autotherme Reaktoren, wie oben allgemein im Hintergrund beschrieben wurde. Die mit dieser Erfindung verwendbaren Reaktoren sind in der Technik bekannt und beispielsweise in den folgenden Dokumenten beschrieben, die hier alle durch Bezugnahme eingeschlossen sind: U.S.-Patent 4,650,722 A , Vanderborgh, et al., erteilt am 17. März 1987; U.S.-Patent 6,077,620 A , Pettit, erteilt am 20. Juni 2000; und U.S.-Patent 6,132 689 A , Skala et al., erteilt am 22. September 1998; U.S.-Patent 6,159,626 A , Keskula et al., erteilt am 6. Juli 1999; europäische Patentoffenlegungsschrift EP 977,293 A2 ; Skala et al., veröffentlicht am 2 Februar 2000; und europäische Patentoffenlegungsschrift EP 1,066,876 A1 Keskula et al., veröffentlicht am 10. Januar 2001.
  • Der Reaktor umfasst einen oder mehrere Reaktoren, wobei der Kohlenwasserstoff-Brennstoff (Strom 7) in Anwesenheit von Wasser/Wasserdampf einer Aufspaltung unterzogen wird, um das Reformat zu erzeugen. Bei einer derartigen spezifischen Ausführungsform wird Luft in einer aus Partialoxidation und Wasserdampfreformierung kombinierten Reaktion verwendet. In diesem Fall empfangen einer oder mehrere der Reaktoren auch einen Luftstrom. Jeder Reaktor kann einen oder mehrere Abschnitte oder Reaktorbetten umfassen. Es ist eine Vielzahl von Konstruktionen bekannt und verwendbar. Daher kann die Auswahl und Anordnung von Reaktoren variieren. Nachfolgend sind mehrere beispiel hafte Brennstoff reformierende Reaktoren und unterstromige Reaktoren weiter beschrieben.
  • Bei einem beispielhaften autothermen Reformierungsprozess reagieren Benzin, Wasser (als Wasserdampf) und Sauerstoff (Luft) in einem Primärreaktor, um Wasserstoff und Kohlendioxid zu erzeugen, wie vorher im Hintergrund beschrieben wurde. Der Reaktor umfasst zwei Abschnitte. Ein Abschnitt des Reaktors ist hauptsächlich ein Partialoxidationsreaktor (POX), und der andere Abschnitt des Reaktors ist hauptsächlich ein Wasserdampfreformer (SR), obwohl bei dem Typ von Reaktionen, die in den POX- und SR-Abschnitten stattfinden, eine gewisse Überlappung auftritt. Die POX-Reaktion erfolgt vorwiegend zwischen Brennstoff und Luft nach dem folgenden allgemeinen Reaktionsschema: C8H18 + 4O2 → 8CO + 9H2
  • Diese Reaktion wird durch die Verwendung eines Katalysators erleichtert und läuft exotherm ab. Ein bevorzugter POX-Katalysator umfasst eines oder mehrere Edelmetalle, Pt, Rh, Pd, Ir, Os, Au und Ru. Andere Nicht-Edelmetalle oder Kombinationen von Metallen, wie beispielsweise Ni und Co sind ebenfalls verwendbar. Die Reaktion in dem POX-Abschnitt ist bevorzugt brennstoffreich. Die heißen POX-Reaktionsprodukte gelangen zusammen mit dem mit dem Brennstoff eingeführten Wasserdampf in den SR-Abschnitt, in dem die Kohlenwasserstoffe mit Wasserdampf gemäß dem folgenden allgemeinen Reaktionsschema reagieren: C8H18 + 8H2O → 8CO + 17H2
  • Die Wasserdampfreformierungsreaktion verläuft endotherm. Die für diese endotherme Reaktion benötigte Wärme wird aus der Wärme bereitgestellt, die durch die exotherme POX-Reaktion erzeugt wird, und wird in den SR-Abschnitt durch den Abfluss des POX-Abschnittes geführt (daher der Begriff ”autothermer Reaktor”).
  • Die Primärreformatprodukte von dem Primärreaktor verlassen den Primärreaktor bei einer Ausführungsform und werden durch einen Wärmetauscher gekühlt, der Wärme von dem Reformat auf die an den Primärreaktor gelieferte Luft überträgt. Bei einer anderen Ausführungsform wird diese Wärmeübertragung durch eine Wasserübertragungsvorrichtung ohne die Verwendung eines separaten Wärmetauschers bewirkt. Es wird Wasserstoff erzeugt, jedoch erzeugt die Benzinreformierung auch Kohlendioxid, Wasser und Kohlenmonoxid. Insbesondere Kohlenmonoxid kann eine nachteilige Wirkung auf den in dem Brennstoffzellenstapel verwendeten Katalysator haben. Demgemäß ist es bevorzugt, den Kohlenmonoxidgehalt des Produktstroms zu verringern.
  • Bevorzugt umfasst der Brennstoffprozessor dann auch einen oder mehrere unterstromige Reaktoren, wie beispielsweise einen Wasser-Gas-Shift-Reaktor (WGS-Reaktor) und einen Reaktor für selektive bzw. bevorzugte Oxidation (PrOx-Reaktor), die zur Umwandlung von Kohlenmonoxid in Kohlendioxid verwendet werden. Bevorzugt wird das Kohlenmonoxid auf akzeptable Größen verringert, bevorzugt unterhalb etwa 20 ppm.
  • Der Shift-Reaktor umfasst bevorzugt einen oder mehrere Abschnitte, in denen Kohlenmonoxid und Wasser gemäß dem folgenden allgemeinen Schema reagieren: CO + H2O → CO2 + H2
  • Bei einer Ausführungsform ist ein Hochtemperatur-Shift-Abschnitt und ein Niedertemperatur-Shift-Abschnitt vorgesehen. Bei einer solchen spezifischen Ausführungsform umfasst der Hochtemperatur-Shift-Reaktor einen Fe3O0/Cr2O3-Katalysator und arbeitet bei einer Temperatur von etwa 400°C (752°F) bis etwa 550°C (1022°F). Bei der Ausführungsform umfasst der Niedertemperatur-Shift-Reaktor einen CuO/ZnO/Al2 O3- Katalysator und arbeitet bei einer Temperatur von etwa 200°C (392°F) bis etwa 300°C (572°F). Bevorzugt erfolgt eine Kühlung des Reformatstromes zwischen den Hochtemperatur- und den Niedertemperaturabschnitten. Bei anderen Ausführungsformen umfasst der WGS-Reaktor anstelle von oder zusätzlich zu den Hoch- und Niedertemperaturreaktoren einen Shift-Reaktor für einen Betrieb bei mittlerer Temperatur der bei einer Temperatur von etwa 300°C (572°F) bis etwa 400°C (752°F) arbeitet.
  • Das den Shift-Reaktor verlassende Reformat tritt in einen Reaktor (6) für selektive Oxidation (PrOx) ein, in dem es katalytisch mit Sauerstoff, der durch eine Luftversorgung geliefert wird, gemäß dem folgenden allgemeinen Reaktionsschema reagiert: CO + ½O2 → CO2
  • Diese Reaktion wird durchgeführt, um das im Wesentlichen gesamte oder zumindest den größten Teil des restlichen Kohlenmonoxids ohne Verbrauch übermäßiger Mengen an Wasserstoff zu verbrauchen.
  • Ein Luftstrom (8), der an den Brennstoffprozessor geliefert wird, kann in einem oder mehreren der Reaktoren verwendet werden. Für Systeme mit einem autothermen Reformer wird Luft an einen Reaktor geliefert. Der PrOx-Reaktor verwendet auch Luft, um Kohlenmonoxid unter Verwendung eines Edelmetallkatalysators in Kohlendioxid zu oxidieren. Bevorzugt wird Luft von einer Luftbewegungsvorrichtung, bevorzugt einem Kompressor, geliefert. Die Luft kann unter Verwendung eines oder mehrerer Wärmetauscher auf die gewünschten Temperaturen für die Primärreaktoren erwärmt werden. Bei derartigen Ausführungsformen wird die Luft für den Primärreaktor bevorzugt mit einer Temperatur von zumindest etwa 700°C (1292°F) abhängig von den Betriebsbedingungen geliefert.
  • Bei einer Ausführungsform verlässt der PrOx-Wasserstoffstrom den PrOx-Reaktor und wird durch den Wärmetauscher auf eine Temperatur gekühlt, die zur Verwendung in einer Brennstoffzelle geeignet ist. Der Wasserstoffstrom wird bevorzugt auf eine Temperatur unterhalb etwa 100°C (212°F) gekühlt. Der Wasserstoffstrom wird anschließend über die Wasserübertragungsvorrichtung in die Anodenkammer der Brennstoffzelle zugeführt, wie nachfolgend beschrieben ist. Gleichzeitig wird Sauerstoff (beispielsweise Luft) von einem Oxidationsmittelstrom in die Kathodenkammer der Brennstoffzelle zugeführt. Bevorzugt wird die Luft unter Verwendung eines Kompressors komprimiert. Der Wasserstoff von dem Reformatstrom und der Sauerstoff von dem Oxidationsmittelstrom reagieren in der Brennstoffzelle zur Erzeugung von Elektrizität in einer elektrochemischen Reaktion in Anwesenheit des Katalysators. Wasser wird als ein Nebenprodukt der Reaktion erzeugt. Ein Austrag oder Abfluss von der Anodenseite der Brennstoffzelle enthält nicht reagierten Wasserstoff. Der Austrag oder Abfluss von der Kathodenseite der Brennstoffzelle enthält auch nicht reagierten Sauerstoff.
  • Einige der Reaktionen, die in den Reaktoren auftreten, verlaufen endotherm und erfordern somit Wärme. Andere Reaktionen sind exotherm und erfordern eine Beseitigung von Wärme. Typischerweise benötigt der PrOx-Reaktor eine Entfernung von Wärme. Abhängig von dem Reformertyp verlaufen eine oder mehrere der Reaktionen in dem Primärreaktor endotherm und benötigen einen Zusatz von Wärme. Dies wird typischer-, weise dadurch erreicht, indem Brennstoff-, Wasser- und/oder Luftreaktanden vorerhitzt werden und/oder bei einem Wasserdampfreformierungsreaktor die gewählten Reaktoren vorgeheizt werden. Das System umfasst bevorzugt Wärmetauscher, um Wärmeenergie von denjenigen Teilen des Systems, die Wärme zu erzeugen, auf diejenigen zu übertragen, die Wärme benötigen.
  • Der Brennstoffprozessor umfasst optional einen Brenner, der die Brennstoff-, die Luft- und/oder die Wasserreaktanden, die in den Reaktor eintreten, erhitzen kann. Für Brennstoffprozessoren mit einem Wasserdampfreformierungsreaktor heizt der Brenner den Reformer bevorzugt auch direkt oder indirekt. Bei einem bevorzugten Wasserdampfreformierungssystem werden die Reaktorbetten durch das heiße Abgas des Brenners erhitzt. Eine bevorzugte Ausführungsform, die einen autothermen Reformer umfasst, besitzt keinen Brenner.
  • Der Brenner umfasst bevorzugt eine Kammer mit einem Einlass, einem Austrag und einem Katalysator. Bevorzugt ist die Brennstoffquelle in dem Brenner der nicht reagierte Wasserstoff in dem Anodenabfluss. Zusätzlicher Brennstoff kann direkt an den Brenner nach Bedarf geliefert werden, um die Übergangsanforderungen und stationären Anforderungen der Brennstoffzellenvorrichtung erfüllen zu können.
  • Der Kohlenwasserstoff-Brennstoff und/oder Anodenabfluss reagieren in dem Katalysatorabschnitt des Brenners. Sauerstoff wird an den Brenner entweder von der Luftversorgung und/oder bevorzugt dem Kathodenabflussstrom abhängig von den Systembetriebsbedingungen geliefert. Bevorzugt strömt der Austrag von dem Brenner durch einen Regler und einen Schalldämpfer und wird an die Atmosphäre freigegeben. Bei Systemen, bei denen der Reaktor durch den Brenner erhitzt wird, werden Enthalpiegleichungen dazu verwendet, die Menge an Kathodenaustragsluft zu bestimmen, die an den Brenner geliefert werden muss, um so die von den Reaktoren benötigte Wärme liefern zu können. Eine von dem Brenner benötigte Sauerstoffanforderung, die durch den Kathodenabfluss nicht erfüllt wird, wird bevorzugt durch einen Kompressor in einer Menge geliefert, um die durch den Brenner geforderte Wärme und Temperatur liefern zu können.
  • Wasser für die Reaktoren wird bevorzugt von der Wasserübertragungsvorrichtung geliefert, wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist. Jedoch kann unter bestimmten Bedingungen (wie beispielsweise in der Startphase des Systems) zusätzliches Wasser benötigt werden. Dieses Wasser wird bevorzugt von dem Anodenabfluss und Kathodenabfluss z. B. unter Verwendung eines Kondensators und eines Wasserseparators bzw. -abscheiders erhalten. Anschließend wird flüssiges Wasser in einem Reservoir gespeichert. Wasser kann auch dem Reservoir von externen Quellen zugesetzt werden.
  • Bevorzugt werden die verschiedenen Aspekte des Betriebs des Systems unter Verwendung eines geeigneten Mikroprozessors, Mikrocontrollers, Personalcomputers, etc. gesteuert, die eine Zentralverarbeitungseinheit besitzen, die in der Lage ist, ein Steuerprogramm und in einem Speicher gespeicherte Daten ausführen zu können. Die Steuerung kann eine zweckgebundene Steuerung sein, die für eine der Komponenten spezifisch ist, oder kann als Software implementiert sein, die in einem elektronischen Hauptsteuermodul des Fahrzeugs gespeichert ist. Ferner ist es auch, obwohl auf Software basierende Steuerprogramme zur Steuerung von Systemkomponenten in verschiedenen Betriebsarten, wie oben beschrieben ist, verwendbar sind, auch möglich, dass die Steuerung teilweise oder vollständig durch eine zweckbestimmte elektronische Schaltung implementiert sein kann.
  • Brennstoffzelle:
  • Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung umfasst eine Brennstoffzelle, die elektrochemische Energie aus der Reaktion reduzierender und oxidierender Chemikalien in Elektrizität umwandelt. Bevorzugt verwenden die Brennstoffzellen, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden, Wasserstoff und Luft als die reduzierenden und oxidierenden Materialien, um elektrische Energie wie auch Wasser zu erzeugen. Die Zelle umfasst allgemein eine Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode, die durch einen Elektrolyten getrennt sind. Wasserstoff wird an die Anodenelektrode geliefert, und Sauerstoff (oder Luft) wird an die Kathodenelektrode geliefert. Das Wasserstoffgas wird in Elektronen und Wasserstoffionen (Protonen) an der Anode getrennt. Die Wasserstoffionen gelangen durch den Elektrolyten an die Kathode. Die Elektronen wandern an die Kathode durch die Stromschaltung (beispielsweise an einen Motor). An der Kathode werden die Wasserstoffionen, Elektronen und der Sauerstoff dann kombiniert, um Wasser zu bilden. Die Reaktionen an der Anode und Kathode werden durch einen Katalysator, typischerweise Platin, erleichtert.
  • Ein bevorzugter Elektrolyt ist eine Protonenaustauschmembran (PEM), die eine dünne Polymermembran umfasst, die für Protonen, jedoch nicht für Elektronen durchlässig ist. Ein bevorzugtes Membranmaterial ist ein Ionentauscherharz, wie beispielsweise perfluorierte Sulfonsäure. Ein besonders bevorzugtes Membranmaterial ist ein perfluoriertes Sulfonsäurepolymer, das als NAFION 3 von der E. I. DuPont de Nemours & Co vertrieben wird.
  • Die Membran in der PEM-Brennstoffzelle ist ein Teil einer Membranelektrodenanordnung (MEA), die die Anode auf einer Seite der Membran und die Kathode auf der gegenüberliegenden Seite aufweist. Die MEA ist schichtartig zwischen einem Paar elektrisch leitfähiger Elemente angeordnet, die als Stromkollektoren für die Anode und Kathode dienen und geeignete Kanäle und/oder Öffnungen zur Verteilung der gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle über die Oberflächen der jeweiligen Anoden- und Kathodenkatalysatoren umfassen.
  • Bei einer Ausführungsform umfassen die Anode und Kathode einen Film, der aus fein geteilten katalytischen Partikeln besteht, die auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem protonenleitenden Harz gemischt sind, bevorzugt einem perfluorierten Sulfonsäurepolymer, wie beispielsweise NAFION 3. Bei einer andern Ausführungsform umfassen die Anode und Kathode einen Film, der aus fein geteilten katalytischen Partikeln besteht, die in einem Polytetrafluorethylen-Binder (PTFE-Binder) dispergiert sind. Die katalytischen Partikel sind typischerweise Edelmetallpartikel, wie beispielsweise Platin. Derartige MEAs erfordern gesteuerte Betriebsbedingungen einschließlich einer Befeuchtung, um eine effiziente Energieerzeugung zu erleichtern und eine Verschlechterung bzw. Schädigung der Membran und Katalysatoren zu verhindern. In den folgenden Dokumenten sind nachfolgend einige hier verwendbare Brennstoffzellen beschrieben, die alle durch Bezugnahme hier eingeschlossen sind: U.S.-Patent 3,134,697 A , Niedrach, erteilt am 26. Mai 1964; U.S.-Patent 5,272,017 A , Swathirajan et al., erteilt 21. Dezember 1993 und U.S.-Patent 5,316,871 A , von Swathirajan et al., erteilt 31. Mai 1994; und Journal of Power Sources, Band 29 (1990), Seiten 367–387.
  • Bevorzugt umfassen die bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Brennstoffzellen eine Vielzahl von Brennstoffzellen, die in Reihe elektrisch verschaltet sind, um die Spannung zu erhöhen. Diese Kombination ist bevorzugt in einem Stapel bzw. ”Stack” angeordnet, der von einem elektrisch isolierenden Rahmen umgeben ist. Bei einer bevorzugten Aus führungsform sind einzelne MEAs schichtartig zwischen Lagen aus porösem, gasdurchlässigem, leitfähigem Material angeordnet, die an die Anoden- und Kathodenseiten der MEA gepresst werden und als (a) die Primärstromkollektoren für die Anode und Kathode und (b) als mechanischer Träger bzw. Abstützung für die MEA dienen. Die bipolaren Platten umfassen jeweils Gasverteilerfelder (engl. flow fields) mit einer Vielzahl von Durchflusskanälen, die in den Seiten der Platten ausgebildet sind, um Brennstoff- und Oxidationsmittelgase, beispielsweise wasserstoffhaltiges Reformat und Sauerstoff (Luft), an die reaktiven Seiten der MEAs zu verteilen. Nicht leitende Dichtungen oder Versiegelungen sehen sowohl eine Dichtung als auch eine elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen Platten des Brennstoffzellenstapels vor. Bevorzugte Primärstromkollektorlagen umfassen Kohlenstoff- oder Graphitpapier oder -gewebe, feinmaschiges Edelmetallsieb, offenzellige Edelmetallschäume und ähnliche Materialien, die Strom von den Elektroden leiten, während sie einen Durchfluss von Gas hindurch zulassen. Diese Anordnung wird hier als die MEA/Primärstromkollektoranordnung bezeichnet.
  • Die MEA/Primärstromkollektoranordnung wird zwischen einem Paar nicht poröser, elektrisch leitender Platten oder Metalltafeln gepresst, die als Sekundärkollektoren für den Strom von den Primärstromkollektoren dienen und Strom zwischen benachbarten Zellen innerhalb des Stapels (d. h. in dem Fall von bipolaren Platten) und an den Enden einer Zelle außerhalb des Stapels (d. h. in dem Fall von monopolaren Platten) leiten. Die Sekundärstrom sammelnde Platte enthält ein Gasverteilerfeld (Flow Field), das die gasförmigen Reaktanden, beispielsweise wasserstoffhaltiges Reformat und Sauerstoff (Luft), über die Oberflächen der Anode und Kathode verteilt. Diese Gasverteilerfelder umfassen allgemein eine Vielzahl von Stegen, die mit dem Primärstromkollektor in Eingriff stehen und dazwischen eine Vielzahl von Durchflusskanälen festlegen, durch die die gasförmigen Reaktanden zwischen einer Liefersammelleitung an einem Ende des Kanals und einer Austragssammelleitung an dem anderen Ende des Kanals strömen. Da die Reaktion von Sauerstoff und Wasserstoff auch Wärme erzeugt, muss der Brennstoffzellenstapel auch gekühlt werden.
  • Ein Oxidationsmittelgas, wie beispielsweise Sauerstoff oder Luft, wird an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels von einem Speichertank über eine geeignete Versorgungsverrohrung geliefert. Ähnlicherweise wird Wasserstoff (beispielsweise im Wesentlichen rein oder Reformat) an die Anodenseite der Brennstoffzelle über eine geeignete Versorgungsverrohrung geliefert. Es ist auch eine Austragsverrohrung für sowohl den Brennstoff als auch das Oxidationsmittel der MEAs vorgesehen, um an Wasserstoff abgereichertes Anodengas (hier ”Anodenabfluss”) von dem Anodengasverteilerfeld und an Sauerstoff abgereichertes wasserhaltiges Kathodengas (hier ”Kathodenabfluss”) von dem Kathodengasverteilerfeld zu entfernen. Es ist ebenfalls eine Kühlmittelverrohrung vorgesehen, um flüssiges Kühlmittel an die bipolaren Platten nach Bedarf zu liefern bzw. zu entfernen. Anordnungen von mehreren Zellen in einem Stapel, die zur Verwendung mit dieser Erfindung geeignet sind, sind beschrieben in dem U.S.-Patent 563,113 A , Meltser et al., erteilt 9. Juni 1998; und U.S.-Patent 6,099,484 A von Rock, erteilt 8. August 2000.
  • Wasserübertragungsvorrichtung:
  • Die vorliegende Erfindung sieht auch eine Wasserübertragungsvorrichtung vor, die Wasserdampf von einem feuchten Gasstrom auf einen trockenen Gasstrom überträgt. Die Wasserübertragungsvorrichtungen dieser Erfindung umfassen eine Struktur mit einem Durchflussweg für ein Primärgas, einem Durchflussweg für ein Sekundärgas wie auch einer Wasserübertragungsmembran mit einer ersten und zweiten Fläche, wobei die erste Fläche der Membran in wesentlichem Kontakt mit dem Durchflussweg für das Primärgas steht und die zweite Fläche in wesentlichem Kontakt mit dem zweiten Durchflussweg steht. Wasserdampf in einem Gas, das in einem Durchflussweg (beispielsweise dem ersten Durchflussweg) strömt, wird durch die Membran an den anderen Durchflussweg (beispielsweise den zweiten Durchflussweg) übertragen. Eine bevorzugte Wasserübertragungsvorrichtung, wie z. B. in 5 gezeigt ist, für die Übertragung von Wasserdampf zwischen einem Primärgas und einem Sekundärgas in einem Brennstoffzellensystem umfasst:
    • (a) einen Primärgaseinlass (51);
    • (b) einen Primärgasauslass (52);
    • (c) eine Rohrleitung (53) mit einem Innenhohlraum (54) und einer Außenfläche (55), deren Wände ein Wasserübertragungsmembranmaterial umfassen, wobei ein Ende der Rohrleitung mit dem Primärgaseinlass (51) und das andere Ende der Rohrleitung mit dem Primärgasauslass (52) verbunden ist, so dass der Durchfluss eines Primärgases durch den inneren Hohlraum möglich ist; und
    • (d) ein Gehäuse (56), das einen Hohlraum (57) um zumindest einen Anteil der Außenfläche der Rohrleitung (53) herum umschließt und diesen ausbildet, wobei das Gehäuse einen Sekundärgaseinlass (58) und einen Sekundärgasauslass (59) aufweist, um eine Strömung eines Sekundärgases durch den Hohlraum (57) zu ermöglichen, wobei das Sekundärgas, das durch den Hohlraum des Gehäuses strömt, über eine Außenfläche der Rohrleitung (53) strömt, sich jedoch nicht wesentlich mit Primärgas mischt, das durch den Innenhohlraum (54) der Rohrleitung strömt.
  • Die Rohrleitungen (53) können eine Vielzahl von Formen besitzen und zum Beispiel im Wesentlichen zylindrische Rohre und dreidimensionale rechtwinklige (Block-)Durchgänge sein. Bevorzugt umfasst die Wasserübertragungsvorrichtung eine Vielzahl von Rohrleitungen (60), die mit einer Sammelkammer (61) an dem Primärgaseinlass und einer Sammelkammer (62) an dem Primärgasauslass verbunden sind, um so den Durchfluss von Primärgas durch alle Rohrleitungen zu ermöglichen. Der hier verwendete Begriff ”verbunden” betrifft jeden beliebigen Mechanismus, der den Durchgang von Fluid von einem Punkt zu einem anderen bevorzugt ohne wesentlichen Verlust an Fluid ermöglicht. Die Vorrichtung umfasst bevorzugt auch einen Mechanismus, um die Rohrleitungen in dem Gehäuse zu halten und abzustützen. Bevorzugt ist die Durchflussrichtung des Primärgases im Wesentlichen anders und bevorzugt im Wesentlichen entgegengesetzt der Durchflussrichtung des Sekundärgases gerichtet.
  • Das Material für die Wasserübertragungsmembran, das hier verwendbar ist, ist ein beliebiges Material, das die Übertragung von Wasserdampf von einem Gas zu einem anderen ermöglicht. Bevorzugt erlaubt ein derartiges Material selektiv die Übertragung von Wasserdampf, ohne dass auch die Übertragung anderer Gase zugelassen wird. Eine bevorzugte Wasserübertragungsmembran erlaubt selektiv die Übertragung von Wasserdampf von einem Strom an Primärgas auf einen Strom an Sekundärgas, ohne dass ein größerer Durchgang (Leckage) anderer Komponenten von dem Primärgasstrom auf den Sekundärstrom zugelassen wird. Bevorzugt ist, wie in 5 gezeigt ist, das Primärgas der feuchte Gasstrom, von dem Wasserdampf an das Sekundärgas, das den trockenen Gasstrom darstellt, übertragen wird. Bevorzugt ist bei Wasserübertragungsvorrichtungen, die Wasserdampf von Reformat auf einen Eingang eines Reaktors übertragen, das Primärgas Reformat und bevorzugt das Sekundärgas Luft. Bevorzugt ist bei Wasserübertragungsvorrichtungen, die Wasserdampf von einem Brennstoffzellenabfluss auf einen anderen Teil des Brennstoffzellensystems übertragen, das Primärgas Kathodenabfluss und bevorzugt das Sekundärgas Luft.
  • Bevorzugte Materialien für die Wasserübertragungsmembran, die hier verwendbar sind, umfassen diejenigen, die hergestellt sind aus Perfluorosulfonsäurepolymer (engl. poly[perfluorosulfonic]acid), sulfoniertem Polystyren, Polyethersulfon, sulfoniertem Polyetherketon, Polycarbonaten, anderen sulfonierten Materialien und deren Mischungen. Ein bevorzugtes Membranmaterial besteht aus Perfluorosulfonsäurepolymer. Ein besonders bevorzugtes Membranmaterial wird mit der Handelsbezeichnung ”NAFION” von der E. I. DuPont de Nemours Company vertrieben. Hier verwendbare Rohre, die aus NAFION-Membran bestehen, werden mit der Handelsbezeichnung ”PD SERIES MOISTURE EXCHANGERS” von Perma Pure, Inc. vertrieben.
  • Bevorzugt beträgt der Druck des Primärgases in der Rohrleitung etwa 50% bis etwa 500%, bevorzugter etwa 100% bis etwa 300% und bevorzugter etwa 170% bis etwa 270% des Druckes des Sekundärgases in dem Gehäuse. Auch ist die Temperatur des trockenen Gasstromes bevorzugt kleiner oder gleich der Temperatur des feuchten Gasstromes. Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht der trockene Gasstrom aus Luft bevorzugt bei einer Temperatur von kleiner als etwa 85°C (185°F), bevorzugter kleiner als etwa 50°C (122°F) und bevorzugter kleiner als etwa 30°C (86°F). Bevorzugt besteht der trockene Gasstrom aus Luft bei etwa Umgebungstemperatur und etwa Umgebungsdruck.
  • Bevorzugt wird die Temperatur des feuchten Gasstromes an den Eingang der Wasserübertragungsvorrichtung auf einer Temperatur oberhalb des Taupunktes des Gases beibehalten, so dass das Wasser in der Wasserübertragungsvorrichtung nicht kondensiert. Bevorzugt befindet sich die Temperatur des feuchten Gasstromes an dem Einlass der Wasserübertragungsvorrichtung zwischen etwa 1°C (1,8°F) bis 10°C (18°F) und bevorzugter zwischen etwa 1°C (1,8°F) und etwa 5°C (9°F) oberhalb seines Taupunktes.
  • Bevorzugt beträgt der Wasserübertragungswirkungsgrad der Wasserübertragungsvorrichtung dieser Erfindung zumindest etwa 30%, bevorzugter zumindest etwa 50%, bevorzugter zumindest etwa 80% und bevorzugter zumindest etwa 90%. Der hier verwendete Begriff ”Wasserübertragungswirkungsgrad” ist das Verhältnis von dWakt/dWmax, wobei dWakt die Menge an Wasser ist, die aktuell von dem trockenen Gasstrom auf den feuchten Gasstrom übertragen wird, und dWmax die maximale Menge an Wasser ist, die theoretisch übertragen werden könnte. Die Menge an Wasser, die übertragen werden kann, kann unter Verwendung herkömmlicher Messungen des Wassergehaltes gasförmiger Ströme bestimmt werden, wie in der Technik bekannt ist. Die maximale Menge an Wasser, dWmax, ist die kleinere aus der Maximalmenge an Wasser, die durch den trockenen Gasstrom absorbiert werden kann (bei einer gegebenen Betriebstemperatur und einem gegebenen Betriebsdruck), und der aktuellen Menge an Wasser in dem feuchten Eingangsgasstrom.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform eines Brennstoffprozessors umfasst auch eine Luftbewegungsvorrichtung, wie beispielsweise einen Kompressor oder ein Gebläse, zur Lieferung von Luft an den Reaktor (z. B. die Primär- und WGS-Reaktoren). Bei Ausführungsformen, bei denen die Wasserübertragungsvorrichtung die Luft für den Reaktor befeuchtet, kann die Wasserübertragungsvorrichtung die Luft befeuchten, nachdem sie komprimiert worden ist (d. h. die Vorrichtung ist mit dem Ausgang des Kompressors verbunden) oder sie kann bevorzugt die Luft befeuchten, bevor sie komprimiert wird (d. h. die Vorrichtung ist mit dem Eingang des Kompressors verbunden).
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die in 2 dargestellt ist, überträgt eine erste Wasserübertragungsvorrichtung (21) Wasserdampf von dem Wasserstoffreformat (22, dem Primärgas, das durch die Wasserübertragungsvorrichtung strömt), das durch einen Reaktor (20) gebildet wird und Wasser als ein Nebenprodukt der Reformatreaktionen enthält. Der Wasserdampf wird an den Lufteingangsstrom (23, das Sekundärgas, das durch die Wasserübertragungsvorrichtung strömt) für den Reaktor übertragen. Der Reaktor (20) umfasst einen Primärreaktor (beispielsweise einen autothermen Reformer) bevorzugt in Kombination mit einem Wasser-Gas-Shift-Reaktor (WGS-Reaktor) und einem Reaktor für selektive bzw. bevorzugte Oxidation (PrOx-Reaktor). Brennstoff für den Reaktor wird von einem Brennstofftank (24) geliefert. Das Reformat (22) wird durch die Wasserübertragungsvorrichtung (21) unmittelbar nach Verlassen entweder des WGS- oder des PrOx-Reaktors geführt. Bevorzugt ist der Luftstrom (23), der an die Wasserübertragungsvorrichtung geliefert wird, Umgebungsluft bei Umgebungsdruck. Die Luft strömt durch eine Luftbewegungsvorrichtung, bevorzugt einen Kompressor (25), vor Einführung in diejenigen Komponenten des Reaktors, die Luft erfordern (beispielsweise den Primärreaktor und den PrOx-Reaktor). Nach dem Durchgang durch die Wasserübertragungsvorrichtung wird das Reformat (22) an den Anodeneingang einer Brennstoffzelle (11), bevorzugt eines Brennstoffzellenstapels, geliefert.
  • Das Brennstoffzellensystem der in 2 gezeigten Ausführungsform umfasst auch eine zweite Wasserübertragungsvorrichtung (10). Die zweite Wasserübertragungsvorrichtung (10) ist mit dem Kathodenausgang der Brennstoffzelle (11) verbunden und überträgt Wasserdampf von dem Kathodenabfluss (12, dem Primärgas in der Wasserübertragungsvorrichtung) an einen Luftstrom (26, das Sekundärgas in der Wasserübertragungsvorrichtung). Der Luftstrom (26) wird an die Wasserübertragungsvorrichtung (10) bei Umgebungstemperatur und Umgebungsdruck geliefert. Nach der Befeuchtung wird der Luftstrom mit einem Kompressor (27) komprimiert und an den Kathodeneingang der Brennstoffzelle (11) geliefert. Nach Durchgang durch die Wasserübertragungsvorrichtung (10) wird der Kathodenabfluss (12) zusammen mit dem Anodenabfluss (28) an einen Brenner (14) geliefert.
  • Demgemäß umfasst ein bevorzugtes Brennstoffzellensystem:
    • (a) eine Brennstoffzelle mit einem Anodeneingang für einen wasserstoffhaltigen Anodenlieferstrom, der bevorzugt Reformat ist, einem Kathodeneingang für einen oxidationsmittelhaltigen Kathodenlieferstrom, der bevorzugt Luft ist, und einem Kathodenausgang für einen Kathodenabfluss, der von der Brennstoffzelle erzeugtes Wasser umfasst; und
    • (b) eine Wasserübertragungsvorrichtung, die mit einem oder beiden der Brennstoffzelleneingänge und bevorzugt mit dem Kathodeneingang verbunden ist, wobei die Wasserübertragungsvorrichtung Wasser von dem Kathodenabfluss an einen oder beide der Anodenliefer- und Kathodenlieferströme überträgt.
  • Genauer umfasst ein bevorzugtes Brennstoffzellensystem:
    • (a) eine Brennstoffzelle mit einem Anodeneingang für einen Anodenlieferstrom, einem Kathodeneingang für einen Kathodenlieferstrom und einem Kathodenausgang für Kathodenabfluss, der von der Brennstoffzelle erzeugtes Wasser umfasst; und
    • (b) eine Wasserübertragungsvorrichtung mit (i) einem Vorrichtungseingang für Kathodenabfluss, der mit dem Kathodenausgang der Brennstoffzelle verbunden ist, (ii) einem Vorrichtungsausgang für Lieferstrom, der mit einem oder beiden der Eingänge der Brennstoffzelle verbunden ist und (iii) einer Wasserübertragungsmembran;
    wobei die Wasserübertragungsvorrichtung Wasser von dem Kathodenabfluss auf einen oder beide der Lieferströme der Brennstoffzelle überträgt. Eine bevorzugte Ausführungsform dieser Erfindung umfasst die Übertragung von Wasserdampf von dem Kathodenabfluss an den Kathodenlieferstrom. Eine andere bevorzugte Ausführungsform umfasst die Übertragung von Wasserdampf von dem Kathodenabfluss an den Anodenlieferstrom. Bevorzugt ist die Temperatur des Kathodenabflusses an dem Vorrichtungseingang nicht viel größer als die Temperatur des Abflusses an dem Kathodenausgang der Brennstoffzelle. Demgemäß strömt vor Eintritt in die Wasserübertragungsvorrichtung der Kathodenabfluss nicht durch einen Brenner. Auch strömt bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Luftausgang der Wasserübertragungsvorrichtung durch eine Luftbewegungsvorrichtung, bevorzugt einen Kompressor, bevor dieser in den Kathodeneingang der Brennstoffzelle eintritt.
  • Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die in 3 gezeigt ist, überträgt eine erste Wasserübertragungsvorrichtung (21) Wasser von dem Reformat (22) an die Luftversorgung (23) für einen Primärreaktor (30), der einen autothermen Reaktor und einen Wasser-Gas-Shift-Reaktor (WGS-Reaktor) umfasst. Das Reformat (22) wird anschließend an die Wasserübertragungsvorrichtung (21) geliefert. Bevorzugt ist der Luftstrom (23), der an die Wasserübertragungsvorrichtung geliefert wird, Umgebungsluft bei Umgebungsdruck. Nach einer Befeuchtung in der Wasserübertragungsvorrichtung wird die Luft in einer Luftbewegungsvorrichtung, bevorzugt einem Kompressor (25), vor der Einführung in den Primärreaktor (30) und einen Reaktor (33) für selektive Oxidation (PrOx-Reaktor) komprimiert. Nach einem Durchgang durch die Wasserübertragungsvorrichtung strömt das Reformat (22) durch den PrOx- Reaktor und wird dann an den Anodeneingang einer Brennstoffzelle (11), bevorzugt eines Brennstoffzellenstapels, geliefert.
  • Bei dieser Ausführungsform umfasst das Brennstoffzellensystem eine zweite Wasserübertragungsvorrichtung (10). Die zweite Wasserübertragungsvorrichtung (10) ist mit dem Kathodenausgang der Brennstoffzelle (11) verbunden und überträgt Wasserdampf von dem Kathodenabfluss (12) auf das Reformat (22), nachdem das Reformat den PrOx (33) verlassen hat. Luft (34) wird als das oxidationsmittelhaltige Gas an die Brennstoffzelle von einem Kompressor (35) geliefert. Nach einer Befeuchtung wird das Reformat (22) an den Anodeneingang der Brennstoffzelle (11) geliefert. Nach einem Durchgang durch die Wasserübertragungsvorrichtung (10) wird der Kathodenabfluss (12) an die Atmosphäre entlüftet. Der Anodenabfluss (28) wird an ein Wasserstoffreservoir (36) geliefert, das nicht reagierten Wasserstoff in dem Anodenabfluss speichert oder anderweitig beseitig. Optional dazu kann der Kathodenabfluss und der Anodenabfluss an einen Brenner geliefert werden.
  • Demgemäß ist eine bevorzugte Ausführungsform dieser Erfindung eine Brennstoffzellen-Energieerzeugungsanlage mit:
    • (a) einem Reaktor mit einem Reaktandeneingang für einen Reaktoroxidationsmittelstrom, der an den Reaktor geliefert wird, und einem Reaktorreformatausgang für einen Reformatstrom, der von dem Reaktor erzeugt wird;
    • (b) einer ersten Wasserübertragungsvorrichtung mit (i) einem ersten Vorrichtungsreformateingang, der mit dem Reaktorreformatausgang verbunden ist, (ii) einem ersten Vorrichtungsreformatausgang; (iii) einem ersten Vorrichtungsoxidationsmitteleingang; (iv) einem ersten Vorrichtungsoxidationsmittelausgang, der mit dem Reaktandeneingang des Reaktors verbunden ist; und (v) einer Wasserübertragungsmembran; wobei die Wasserübertragungsvorrichtung Wasser von dem Reformatstrom auf den Reaktoroxidationsmittelstrom überträgt;
    • (c) einer Brennstoffzelle mit einem Anodeneingang für einen Anodenreformatlieferstrom, einem Kathodeneingang für einen Kathodenoxidationsmittellieferstrom, einem Anodenausgang für einen Anodenabfluss und einem Kathodenausgang für einen Kathodenabfluss; und
    • (d) einer zweiten Wasserübertragungsvorrichtung mit (i) einem zweiten Vorrichtungsreformateingang, der mit dem ersten Vorrichtungsreformatausgang verbunden ist; (ii) einem zweiten Vorrichtungsreformatausgang, der mit dem Anodeneingang des Brennstoffzellenstapels verbunden ist; (iii) einem zweiten Vorrichtungsabflusseingang, der mit einem oder beiden der Abflussausgänge der Brennstoffzelle verbunden ist; (iv) einem zweiten Vorrichtungsabflussausgang; und (v) eine Wasserübertragungsmembran; wobei die zweite Wasserübertragungsvorrichtung Wasser von einem oder beiden der Abflussströme auf den Anodenreformatlieferstrom überträgt. Bevorzugt überträgt bei dieser Ausführungsform die zweite Wasserübertragungsvorrichtung Wasser von dem Kathodenabflussstrom auf den Reformatlieferstrom.
  • Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die in 4 gezeigt ist, überträgt eine erste Wasserübertragungsvorrichtung (21) Wasser von dem Reformat (22) an die Luftversorgung (23) für einen Reaktor (40). Der Reaktor (40) umfasst bevorzugt einen Primärreaktor und einen Wasser-Gas-Shift-Reaktor (WGS-Reaktor), wobei in dem Primärreaktor erzeugtes Reformat durch den WGS-Reaktor strömt. Bevorzugt ist der Primärreaktor ein autothermer Reaktor. Nach dem Verlassen des WGS-Reaktors strömt das Reformat (22) durch einen Reaktor (33) für selektive Oxidation (PrOx-Reaktor) und tritt in die erste Wasserübertragungsvorrichtung (21) ein. Nach dem Verlassen der ersten Wasserübertra gungsvorrichtung (21) wird das Reformat (22) an die Anode einer Brennstoffzelle (11), bevorzugt eines Brennstoffzellenstapels, geliefert.
  • Der Luftstrom (41), der an die erste Wasserübertragungsvorrichtung (21) geliefert wird, strömt von einer zweiten Wasserübertragungsvorrichtung (10) durch einen Verteiler (42). Nach einer Befeuchtung durch die erste Wasserübertragungsvorrichtung wird Luft an den Primärreaktor und den WGS-Reaktor (40) geliefert.
  • Die zweite Wasserübertragungsvorrichtung (10) überträgt Wasser von dem Kathodenabfluss (12) der Brennstoffzelle (11) auf den Luftstrom (41), der an den Verteiler (42) geliefert wird. Die an die zweite Wasserübertragungsvorrichtung (10) gelieferte Luft wird bevorzugt durch eine Luftbewegungsvorrichtung, bevorzugt einen Kompressor (43), geliefert. Der Verteiler (42) lenkt einen Anteil des Luftstroms (41) an den Kathodeneingang der Brennstoffzelle (11) und einen Anteil an die erste Wasserübertragungsvorrichtung (21) um. Optional dazu kann auch Wasser durch den Verteiler (42) an den Anodeneingang der Brennstoffzelle (22) geliefert werden. Demgemäß liefert die zweite Wasserübertragungsvorrichtung (10) befeuchtete Luft an den Stapel und verstärkt auch die Befeuchtung von Luft, die an die Primär- und WGS-Reaktoren (40) durch die erste Wasserübertragungsvorrichtung (21) geliefert wird.
  • Die Anoden- und Kathodenabflüsse strömen bei dieser Ausführungsform ebenfalls durch Kondensatoren/Abscheider (44 und 45), um flüssiges Wasser (46) von den Anoden- und Kathodenabflüssen zu entziehen. Das flüssige Wasser (46) wird in einem Wassertank (47) zur Verwendung während der Startphase der Reaktoren (40) gespeichert. Optional dazu wird der Kathodenabfluss (12) nach einem Durchgang durch die zweite Wasserübertragungsvorrichtung (10) an einen Brenner (14) zusammen mit dem Anodenabfluss (28) geliefert.
  • Demgemäß ist eine bevorzugte Ausführungsform dieser Erfindung eine Brennstoffzellen-Energieerzeugungsanlage mit:
    • (a) einem Reaktor mit einem Reaktandeneingang für einen Reaktoroxidationsmittelstrom, der an den Reaktor geliefert wird, und einem Reaktorreformatausgang für einen Reformatlieferstrom, der von dem Reaktor erzeugt wird;
    • (b) einer ersten Wasserübertragungsvorrichtung mit (i) einem ersten Vorrichtungsreformateingang, der mit dem Reaktorreformatausgang verbunden ist, (ii) einem ersten Vorrichtungsreformatausgang; (iii) einem ersten Vorrichtungsoxidationsmitteleingang für einen ersten Oxidationsmittellieferstrom; (iv) einem ersten Vorrichtungsoxidationsmittelausgang, der mit dem Reaktandeneingang des Reaktors verbunden ist; und (v) einer Wasserübertragungsmembran;
    • (c) einer Brennstoffzelle mit einem Anodeneingang für den Reformatlieferstrom, einem Kathodeneingang für einen Kathodenoxidationsmittelstrom, einem Anodenausgang für einen Anodenabflussstrom und einem Kathodenausgang für einen Kathodenabflussstrom; und
    • (d) einer zweiten Wasserübertragungsvorrichtung mit (i) mit einem zweiten Vorrichtungseingang für Kathodenabfluss, der mit dem Kathodenausgang der Brennstoffzelle verbunden ist; (ii) einem zweiten Vorrichtungsausgang für Kathodenabfluss; (iii) einem zweiten Vorrichtungsoxidationsmitteleingang für einen zweiten Oxidationsmittellieferstrom, (iv) einem zweiten Vorrichtungsoxidationsmittelausgang, der mit dem ersten Vorrichtungseingang für Oxidationsmittelgas verbunden ist, und (v) einer Wasserübertragungsmembran; wobei die erste Wasserübertragungsvorrichtung Wasser von dem Reformatstrom auf den Reaktoroxidationsmittelstrom überträgt, und wobei die zweite Wasserübertragungsvorrichtung Wasser von dem Kathodenabfluss auf den ersten Oxidationsmittellieferstrom und auf den Kathodenoxidationsmittelstrom überträgt.
  • Die Beispiele und anderen Ausführungsformen, die hier beschrieben sind, sind beispielhaft und nicht zur Beschränkung bei der Beschreibung des vollständigen Schutzumfanges der Vorrichtungen, Einrichtungen, Komponenten, Materialien, Zusammensetzungen und Verfahren dieser Erfindung bestimmt. Gleichwertige Änderungen, Abwandlungen und Variationen der spezifischen Ausführungsformen, Materialien, Zusammensetzungen und Verfahren können mit im Wesentlichen gleichen Ergebnissen durchgeführt werden.

Claims (25)

  1. Brennstoffzellensystem mit: (a) einer Brennstoffzelle (11) mit einem Anodeneingang für einen wasserstoffhaltigen Anodenlieferstrom (13), einem Kathodeneingang für einen oxidationsmittelhaltigen Kathodenlieferstrom (13), einem Anodenausgang für Anodenabfluss (12) und einem Kathodenausgang für Kathodenabfluss (12), der von der Brennstoffzelle erzeugtes Wasser umfasst; und (b) einer ersten Wasserübertragungsvorrichtung (10) mit einem einen Hohlraum (57) aufweisenden Gehäuse (56), das einen Einlass (51) für einen der beiden Lieferströme aufweist, sowie mit (i) einem ersten Eingang (58) für Kathodenabfluss, der mit dem Kathodenausgang verbunden ist, (ii) einem Ausgang (52) für Lieferstrom, der mit einem oder beiden der Brennstoffzelleneingänge verbunden ist, und (iii) einer Wasserübertragungsmembran; dadurch gekennzeichnet, dass: die erste Wasserübertragungsvorrichtung eine Vielzahl von Rohrleitungen (53) aufweist, die jeweils einen Innenhohlraum und eine Außenfläche aufweisen, deren Wände die Wasserübertragungsmembran umfassen, wobei ein Ende jeder Rohrleitung mit einer dieser zugeordneten Sammelkammer (61) verbunden ist, die den Eingang für Kathodenabfluss als einen Einlass aufweist, und ein anderes Ende jeder Rohrleitung mit einer weiteren dieser zugeordneten Sammelkammer (62) verbunden ist, die einen Auslass aufweist, um so den Durchfluss des Kathodenabflusses durch den Innenhohlraum zu ermöglichen, wobei der Hohlraum des Gehäuses zumindest einen Abschnitt der Außenfläche der Rohrleitungen umschließt, und der Ausgang (52) für Lieferstrom eine Strömung dieses Lieferstroms durch den Hohlraum über die Außenfläche der Rohrleitungen ermöglicht, wobei dieser Lieferstrom sich jedoch nicht wesentlich mit dem Kathodenabfluss mischt, der durch den Innenhohlraum der Rohrleitungen strömt, und wobei der Druck in den Rohrleitungen (53) 170% bis 270% des in dem Gehäuse (56) herrschenden Drucks entspricht.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die erste Wasserübertragungsvorrichtung (10) Wasser von dem Kathodenabfluss auf einen oder beide der Lieferströme überträgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Kathodenabflusses an dem Eingang (58) für Kathodenabfluss nicht viel größer als die Temperatur des Kathodenabflusses an dem Kathodenausgang ist, wobei der Kathodenabfluss eine Temperatur an dem Eingang besitzt, die ausreicht, um Wasser in seinem Dampfzustand beizubehalten, und bei 1°C bis 10°C oberhalb seines Taupunktes liegt.
  3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserübertragungsmembran Perfluorosulfonsäurepolymer umfasst.
  4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenlieferstrom Reformat von einem Kohlenwasserstoff-Brennstoffprozessor (30) umfasst.
  5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenwasserstoff-Brennstoffprozessor einen autothermen Reformer umfasst.
  6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wasserübertragungsvorrichtung (10) Wasser auf den Kathodenlieferstrom überträgt.
  7. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wasserübertragungsvorrichtung (10) einen Ausgang für Kathodenabfluss umfasst, der mit einem Brenner (14) verbunden ist, um den Kathodenabfluss an den Brenner (14) zu liefern.
  8. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kompressor (35) vorgesehen ist mit einem Eingang für einen Luftstrom und einem Ausgang, der mit dem Kathodeneingang der Brennstoffzellen verbunden ist.
  9. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wasserübertragungsvorrichtung (10) Wasser von einem oder beiden der Anodenabfluss- und Kathodenabflussausgänge auf den Luftstromeingang zu dem Kompressor (35) überträgt, und dass der Kathodenabfluss eine Temperatur an dem Vorrichtungseingang besitzt, die ausreicht, um Wasser in seinem Dampfzustand beizubehalten, und bei 1°C bis 10°C oberhalb seines Taupunktes liegt.
  10. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 8, wobei die Luft eine Temperatur von weniger als 50°C aufweist.
  11. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, wobei die Luft etwa Umgebungstemperatur aufweist.
  12. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Kombination mit einem Reaktor (33) mit einem Reaktandeneingang für einen Reaktoroxidationsmittelstrom und einem Reaktorreformatausgang für einen Reformatlieferstrom; und durch eine zweite Wasserübertragungsvorrichtung (21) mit (i) einem Reformateingang, der mit dem Reaktorreformatausgang verbunden ist, (ii) einem Reformatausgang; (iii) einem Eingang für Oxidationsmittelgas; (iv) einem Ausgang für Oxidationsmittelgas, der mit dem Reaktandeneingang des Reaktors verbunden ist; und (v) einer Wasserübertragungsmembran; wobei die zweite Wasserübertragungsvorrichtung Wasser von dem Reformatgasstrom auf den Reaktoroxidationsmittelstrom überträgt.
  13. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wasserübertragungsvorrichtung eine Vielzahl von Rohrleitungen (53) aufweist, die jeweils einen Innenhohlraum und eine Außenfläche aufweisen, deren Wände die Wasserübertragungsmembran umfassen, wobei ein Ende jeder Rohrleitung mit einer dieser zugeordneten Sammelkammer (61) verbunden ist, die den Reformateingang als einen Einlass aufweist, und ein anderes Ende jeder Rohrleitung mit einer weiteren dieser zugeordneten Sammelkammer (62) verbunden ist, die den Reformatausgang als einen Auslass aufweist, um so den Durchfluss des Reformatgasstroms durch den Innenhohlraum zu ermöglichen; und wobei die zweite Wasserübertragungsvorrichtung ferner ein Gehäuse (56) aufweist, das einen Hohlraum bildet, der zumindest einen Abschnitt der Außenfläche der Rohrleitungen umschließt, wobei das Gehäuse den Eingang für Oxidationsmittelgas als einen Einlass (51) und den Ausgang für Oxidationsmittelgas als einen Auslass (52) aufweist, um eine Strömung dieses Oxidationsmittelgases durch den Hohlraum über die Außenfläche der Rohrleitungen zu ermöglichen, wobei diese Strömung sich jedoch nicht wesentlich mit dem Reformatgasstrom mischt, der durch den Innenhohlraum der Rohrleitungen strömt.
  14. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserübertragungsmembran der zweiten Wasserübertragungsvorrichtung Perfluorosulfonsäurepolymer umfasst.
  15. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor zusätzlich einen Wasser-Gas-Shift-Reaktor (40) und einen Reaktor (33) für selektive Oxidation umfasst, dass der autotherme Reaktor Reformat erzeugt, das nacheinander an den Wasser-Gas-Shift-Reaktor und den Reaktor für selektive Oxidation geliefert ist, und dass die zweite Wasserübertragungsvorrichtung Wasser von dem Reformatstrom überträgt, nachdem das Reformat den Wasser-Gas-Shift-Reaktor verlassen hat und bevor das Reformat in den Reaktor für selektive Oxidation eintritt.
  16. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor zusätzlich einen Wasser-Gas-Shift-Reaktor und einen Reaktor für selektive Oxidation umfasst, dass der autotherme Reaktor Reformat erzeugt, das nacheinander an den Wasser-Gas-Shift-Reaktor und den Reaktor für selektive Oxidation geliefert ist, und dass die zweite Wasserübertragungsvorrichtung Wasser von dem Reformatstrom überträgt, nachdem das Reformat den Reaktor für selektive Oxidation verlassen hat.
  17. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Luftbewegungsvorrichtung (25) zusätzlich vorgesehen ist, die mit dem Kathodeneingang verbunden ist und ein Luftlieferstrom durch die Luftbewegungsvorrichtung strömt, bevor er in den Katho deneingang eintritt, und dass die erste Wasserübertragungsvorrichtung mit dem Eingang eines Kompressors (35) verbunden ist und Wasser an den Luftlieferstrom vor Eintritt des Stromes in die Luftbewegungsvorrichtung überträgt.
  18. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Kombination mit einem Reaktor (30) mit einem Reaktandeneingang für einen Reaktoroxidationsmittelstrom und einem Reaktorreformatausgang für einen Reformatlieferstrom; und durch eine zweite Wasserübertragungsvorrichtung (21) mit (i) einem Reformateingang, der mit dem Reaktorreformatausgang verbunden ist, (ii) einem Reformatausgang; (iii) einem Eingang für Oxidationsmittelgas; (iv) einem Ausgang für Oxidationsmittelgas, der mit dem Reaktandeneingang des Reaktors verbunden ist; und (v) einer Wasserübertragungsmembran, wobei der Ausgang der ersten Wasserübertragungsvorrichtung für Lieferströme mit dem Kathodeneingang der Brennstoffzelle für Kathodenabfluss sowie mit dem Eingang der zweiten Wasserübertragungsvorrichtung für Oxidationsmittelgas verbunden ist.
  19. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wasserübertragungsvorrichtung (21) eine Vielzahl von Rohrleitungen (53) aufweist, die jeweils einen Innenhohlraum und eine Außenfläche aufweisen, deren Wände die Wasserübertragungsmembran umfassen, wobei ein Ende jeder Rohrleitung mit einer dieser zugeordneten Sammelkammer (61) verbunden ist, die den Reformateingang als einen Einlass aufweist, und ein anderes Ende jeder Rohrleitung mit einer weiteren dieser zugeordneten Sammelkammer (62) verbunden ist, die den Reformatausgang als einen Auslass aufweist, um so den Durchfluss des Reformatgasstroms durch den Innenhohlraum zu ermöglichen; und wobei die zweite Wasserübertra gungsvorrichtung ferner ein Gehäuse (56) aufweist, das einen Hohlraum bildet, der zumindest einen Abschnitt der Außenfläche der Rohrleitungen umschließt, wobei das Gehäuse den Eingang für Oxidationsmittelgas als einen Einlass (51) und den Ausgang für Oxidationsmittelgas als einen Auslass (52) aufweist, um eine Strömung dieses Oxidationsmittelgases durch den Hohlraum über die Außenfläche der Rohrleitungen zu ermöglichen, wobei diese Strömung sich jedoch nicht wesentlich mit dem Reformatgasstrom mischt, der durch den Innenhohlraum der Rohrleitungen strömt.
  20. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wasserübertragungsvorrichtung Wasser von dem Reformatstrom auf den Reaktoroxidationsmittelstrom überträgt, und dass die erste Wasserübertragungsvorrichtung Wasser von dem Kathodenabfluss auf den zweiten Oxidationsmittellieferstrom und auf den Kathodenoxidationsmittelstrom überträgt.
  21. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserübertragungsmembran der zweiten Wasserübertragungsvorrichtung Perfluorosulfonsäurepolymer umfasst.
  22. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Kombination mit einem Reaktor (30) für die Erzeugung eines Wasser enthaltenden Reformatlieferstroms unter Verwendung eines Reaktandenstroms, der einen Reaktoroxidationsmittelstrom und einen Reaktorkohlenwasserstoffstrom als Brennstoff umfasst; durch eine zweite Wasserübertragungsvorrichtung (21), die Wasser von dem Reformatlieferstrom auf einen oder beide der Reaktandenströme überträgt und eine Wasserübertragungsmembran umfasst, wobei einer oder beide der Anoden- und Kathodenabflüsse von der Brennstoffzelle erzeugtes Wasser umfassen; durch die zweite Wasserübertragungsvorrichtung Wasser von einem oder beiden der Abflussströme auf den Reaktoroxidationsmittelstrom überträgt, der Luft umfasst, und durch die erste Wasserübertragungsvorrichtung mit dem Reaktor durch die zweite Wasserübertragungsvorrichtung zur Übertragung von Wasser an den Reaktoroxidationsmittelstrom verbunden ist.
  23. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 22 dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wasserübertragungsvorrichtung Wasser von einem oder beiden der Abflussströme auf einen oder mehrere aus Reformatlieferstrom und Kathodenoxidationsmittellieferstrom überträgt.
  24. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Kombination mit einem Reaktor (40) für die Erzeugung eines Wasser enthaltenden Reformatlieferstroms unter Verwendung eines Reaktandenstroms, der einen Reaktoroxidationsmittelstrom und einen Reaktorkohlenwasserstoffstrom als Brennstoff umfasst; durch eine zweite Wasserübertragungsvorrichtung (21), die Wasser von dem Reformatlieferstrom auf einen oder beide der Reaktandenströme überträgt und eine Wasserübertragungsmembran umfasst, wobei die zweite Wasserübertragungsvorrichtung Wasser von einem oder beiden der Abflussströme auf einen oder mehrere aus Reaktoroxidationsmittelstrom, Reformatlieferstrom und Kathodenoxidationsmittellieferstrom überträgt; und der Reaktor einen autothermen Reformer, einen Wasser-Gas-Shift-Reaktor und einen Reaktor für selektive Oxidation umfasst, wobei der autotherme Reaktor Reformat erzeugt, das nacheinander an den Wasser-Gas-Shift-Reaktor und den Reaktor für selektive Oxidation geliefert wird, und wobei die zweite Wasserübertragungsvorrichtung Wasser von dem Reformatlieferstrom überträgt, nachdem das Reformat den Wasser-Gas-Shift-Reaktor verlassen hat und bevor das Reformat in den Reaktor für selektive Oxidation eintritt.
  25. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Kombination mit einem Reaktor (40) für die Erzeugung eines Wasser enthaltenden Reformatlieferstroms unter Verwendung eines Reaktandenstroms, der einen Reaktoroxidationsmittelstrom und einen Reaktorkohlenwasserstoffstrom als Brennstoff umfasst; durch eine zweite Wasserübertragungsvorrichtung (21), die Wasser von dem Reformatlieferstrom auf einen oder beide der Reaktandenströme überträgt und eine Wasserübertragungsmembran umfasst, wobei die zweite Wasserübertragungsvorrichtung Wasser von einem oder beiden der Abflussströme auf einen oder mehrere aus Reaktoroxidationsmittelstrom, Reformatlieferstrom und Kathodenoxidationsmittellieferstrom überträgt; und der Reaktor einen autothermen Reformer, einen Wasser-Gas-Shift-Reaktor und einen Reaktor für selektive Oxidation umfasst, wobei der autotherme Reaktor Reformat erzeugt, das nacheinander an den Wasser-Gas-Shift-Reaktor und den Reaktor für selektive Oxidation (33) geliefert wird, und wobei die zweite Wasserübertragungsvorrichtung Wasser von dem Reformatlieferstrom überträgt, nachdem das Reformat den Reaktor für selektive Oxidation verlassen hat.
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