DE10297091T5

DE10297091T5 - System und Verfahren zum Zubereiten von Brennstoff für ein Brennstoffaufbereitungssystem

Info

Publication number: DE10297091T5
Application number: DE10297091T
Authority: DE
Inventors: Leslie L. van Manchester Dine; Bryan New Britain Murach; Paul R. South Windsor Margiott; Joshua D. Ellington Isom
Original assignee: UTC Fuel Cells LLC
Current assignee: UTC Power Corp
Priority date: 2001-08-06
Filing date: 2002-07-18
Publication date: 2004-07-29
Also published as: US6740435B2; JP2005507137A; US20030027025A1; WO2003014012A1

Abstract

Brennstoffzellensystem, aufweisend:
eine Brennstoffzelle, um ein wasserstoffreiches Gas reagieren zu lassen;
ein Brennstoffaufbereitungssystem zum Konvertieren einer Kohlenwasserstoff-Brennstoff/Dampfmischung zu dem wasserstoffreichen Gas; und
eine Einrichtung zum Herstellen der Kohlenwasserstoff-Brennstoff/Dampfmischung, aufweisend (a) Mittel zum Überhitzen eines Kohlenwasserstoff-Brennstoffs, um einen überhitzten Brennstoff bereitzustellen, und (b) Mittel zum Mischen von Wasser mit dem überhitzten Brennstoff, um die Kohlenwasserstoff-Brennstoff/Dampfmischung bereitzustellen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Brennstoffzellensystem und insbesondere auf ein System und ein Verfahren zum Zubereiten der Versorgung für ein Brennstoffaufbereitungssystem, welches den benötigten Brennstoff für das Brennstoffzellensystem erzeugt.
Brennstoffzellen bestehen typischerweise aus einer Anode, einer Kathode und einem Elektrolyten, welcher die Anode und die Kathode voneinander trennt. Die Brennstoffzelle verwendet ein Brennstoff-Reaktantengas, welches typischerweise eine wasserstoffreiche Strömung ist und welches in die Anode der Brennstoffzelle eingeleitet wird, während ein Oxidationsmittel-Reaktantengas, typischerweise Luft, in die Kathode der Brennstoffzelle eingeleitet wird. Ein Katalysator in der Anode bewirkt, dass Wasserstoff oxidiert, was zur Erzeugung von Wasserstoffionen führt, welche durch den Elektrolyten zur Kathode gelangen, wodurch ein elektrisches Potenzial über die Brennstoffzelle erzeugt wird.
Es gibt verschiedene Typen von Brennstoffzellen, nämlich Polymerelektrolytmembran (PEM)-Brennstoffzellen, Phosphorsäure-Brennstoffzellen (phosphoroc acid fuel cell, PAFC) und alkalische Brennstoffzellen (alkaline fuel cell, AFC), u.a.
Brennstoffaufbereitungseinrichtungen, üblicherweise verschiedene Typen von Reformern, werden verwendet, um den erwünschten wasserstoffreichen Gasstrom aus Kohlenwasserstoff-Brennstoff zu erzeugen. Typischerweise benötigen solche Reformer Dampf, zusammen mit dem Brennstoff, zum Ausfüh ren der erwünschten Reaktion. In manchen Fällen benötigt die Brennstoffaufbereitungseinrichtung auch erhitzte Luft, z.B. wenn die Brennstoffaufbereitungseinrichtung ein autothermer Reformer ist.
1 zeigt ein konventionelles Modell, bei welchem Brennstoff, in diesem Fall Methan (CH₄), einem katalytischen Dampfreformer gemeinsam mit einer separaten Dampfströmung zugeführt wird, welche durch Durchleiten von Wasser durch einen Boiler erzeugt wird. Der katalytische Dampfreformer lässt den Kohlenwasserstoff wie gewünscht mit Wasser reagieren, um eine wasserstoffreiche Strömung zum Einleiten in die Brennstoffzelle zu erzeugen.
2 zeigt ein weiteres bekanntes System, in welchem Brennstoff und Dampf zubereitet und einem Reformer, wie oben diskutiert, zugeführt werden und in welchem ebenfalls ein erhitzter Luftstrom bereitgestellt wird, indem Luft durch einen Wärmetauscher geleitet wird. Die Brennstoffaufbereitungseinrichtung in diesem Fall ist entweder ein autothermer Reformer (ATR) oder ein katalytischer Partialoxidierer (catalytic partial oxidizer, CPOX).
Brennstoffzellen sind zur Verwendung in verschiedenen Bereichen wünschenswert, einschließlich Transport- und/oder Fahrzeuganwendungen, bei welchen die Größe der Anlage kritisch ist. Die Notwendigkeit von Boilern, wie in 1 und 2 dargestellt, zum Erhitzen von Wasser, um Dampf bereitzustellen, führt zu erhöhten Raumanforderungen für die Stromerzeugungsanlage. Ferner benötigt ein derartiges Wasserzirkulationssystem eine beträchtliche Zeit, um nach dem ersten Anfahren Dampf zu bilden, und ein Einfrieren eines solchen Systems ist auch ein Problem.
Ein weiterer Nachteil bekannter Systeme ist, dass die Verwendung eines Boilers zur Erzeugung von Dampf die Steuerung des Dampf/Kohlenwasserstoff-Verhältnisses erschwert und dadurch zu manchen Fällen führt, in welchen im Reformer ein Kohlenstoffüberschuss vorhanden ist, was zu einem Verkoken oder Verschmutzen der Einrichtung führen kann.
Es ist klar, dass Bedarf besteht für verbesserte Systeme und Verfahren zum Aufbereiten von Brennstoff und Brennstoffbestandteilen für Brennstoffzellen, wobei vorzugsweise die resultierende Kraftanlage weniger Raum benötigt.
Es ist daher das Hauptziel der vorliegenden Erfindung, ein System und ein Verfahren zur Zubereitung von Brennstoff für eine Brennstoffzelle zur Verfügung zu stellen, bei welchem bestimmte Komponenten von konventionellen Systemen entfernt werden können, um den für die Brennstoffzelle und verwandte Komponenten benötigten Raum zu reduzieren.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein derartiges System und Verfahren bereitzustellen, bei welchem die Steuerung des Verhältnisses von Dampf zu Kohlenwasserstoff erleichtert wird, um die Kohlenstoffablagerung und Katalysatordeaktivierung zu reduzieren.
Es ist noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein System und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, bei welchem die Anfahrtzeit reduziert ist und die potenziellen Probleme von einfrierendem Wasser vermieden werden.
Andere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden deutlich.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die o.g. Ziele und Vorteile ohne Schwierigkeiten erreicht.
Erfindungsgemäß wird ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt, aufweisend eine Brennstoffzelle, um ein wasserstoffreiches Gas reagieren zu lassen; ein Brennstoffaufbereitungssystem zum Konvertieren einer Kohlenwasserstoff-Brennstoff/Dampfmischung in das wasserstoffreiche Gas; und eine Einrichtung zum Vorbereiten der Kohlenwasserstoff-Brennstoff/Dampfmischung, welches Mittel aufweist zum Überhitzen eines Kohlenwasserstoff-Brennstoffs, um überhitzten Brennstoff bereitzustellen, und Mittel zum Mischen von Wasser mit dem überhitzten Brennstoff, um die Kohlenwasserstoff-Brennstoff/Dampfmischung bereitzustellen.
Ferner wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Hinzufügen von Dampf zu einem Gasstrom für ein Brennstoffaufbereitungssystem zur Verfügung gestellt, welches Verfahren aufweist die Schritte des Bereitstellens eines Gasstroms; Erhitzen des Gasstroms, um einen erhitzten Strom mit einer Temperatur von mindestens etwa 260°C zur Verfügung zu stellen; Hinzufügen von flüssigem Wasser zu dem erhitzten Strom, um das Wasser zu Dampf umzuwandeln und eine Gas-Dampfmischung bereitzustellen; und Zuführen der Gas-Dampfmischung zu einem Brennstoffaufbereitungssystem.
Das System und Verfahren der vorliegenden Erfindung kann verwendet werden, um den gewünschten mit Kohlenwasserstoff-Brennstoff vermischten Dampf bereitzustellen, und außerdem, um befeuchtete Luft für den Reformer im Falle einer ATR- oder CPOX-Anlage bereitzustellen, so dass der Bedarf für einen Boiler zur Dampfbildung vollständig vermieden werden kann, wodurch der Raum, welcher von dem Brennstoffzellensystem benötigt wird, wie gewünscht erfindungsgemäß reduziert wird. Typische Brennstoffe umfassen Methan, Erdgas, Benzin, Dieselbrennstoff, Naphtha oder ähnliche.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung folgt mit Bezug auf die angehängten Zeichnungen:
1 und 2 stellen konventionelle Verfahren dar, welche einen katalytischen Dampfreformer und einen autothermen oder CPOX-Reformer verwenden;
3 stellt schematisch ein System und Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung dar, welches einen katalytischen Dampfreformer verwendet;
4 stellt schematisch ein System und Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung dar, welches einen autothermen oder CPOX-Reformer verwendet;
5 stellt ferner ein System zur Bereitstellung einer Dampf/Brennstoffmischung gemäß der vorliegenden Erfindung dar; und
6 stellt grafisch das molare Verhältnis zwischen kumulativem Wasser und CH₄-Kohlenwasserstoff-Brennstoff dar, wie auch die örtliche Wasserinjektion pro Mol CH₄.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die Erfindung bezieht sich auf Brennstoffzellensysteme und insbesondere auf ein System und ein Verfahren zum Bereitstellen von Brennstoff für ein Brennstoffzellensystem.
Eine Brennstoffzelle weist typischerweise eine Anode und eine Kathode auf, wobei ein Elektrolyt zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist, und die Brennstoffzelle durch Zuführen einer wasserstoffreichen Strömung zur Anode arbeitet, während ein Oxidationsmittel-Reaktantengas zur Kathode geführt wird, um ein Potenzial über dem Elektrolyten zu erzeugen. Bereitstellung eines geeigneten wasserstoffreichen Gases zum Zuführen zur Anode ist ein Problem in diesem Industriezweig, und die vorliegende Erfindung bietet eine Lösung dieses Problems.
3 stellt ein Brennstoffaufbereitungssystem 10 dar, in diesem Fall einen katalytischen Dampfreformer, wobei die Materialien gemäß der vorliegenden Erfindung zugeführt werden. Wie oben erläutert, reformiert das Brennstoffaufbereitungssystem 10 eine Kohlenwasserstoff/Dampfmischung katalytisch zu einem wasserstoffreichen Gas, wie es aus dem Stand der Technik bekannt, welches für die Anode einer Brennstoffzelle geeignet ist. Wie in 3 gezeigt und gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Kohlenwasserstoffströmung 12 vorgesehen und wird erwärmt, z.B. unter Verwendung eines Wärmetauschers 14, wie schematisch dargestellt, um eine erhitzte Strömung bereitzustellen. Wasser in der flüssigen Phase wird in die erhitzte Kohlenwasserstoffströmung eingespritzt oder eingemischt, und Wärme von der Kohlenwasserstoffströmung dient dazu, das Wasser zu verdampfen, um eine Kohlenwasserstoff/Dampfmischung 18 bereitzustellen, wie erwünscht. Wie in 3 gezeigt, kann es wünschenswert sein, eine Mehrzahl von Wärmetauschern vorzusehen und Wasser bei einer Mehrzahl von Einspritzpunkten 16 einzuspritzen. Die Einspritzpunkte 16 sind vorzugsweise stromabwärts von dem Ausgang jedes der Wärmetauscher 14 positioniert, wie gezeigt.
Besonders geeignete Kohlenwasserstoffströmungen schließen Methan, Erdgas, Benzin, Dieselbrennstoff, Naphtha und Mischungen aus diesen ein.
Wärmetauscher 14 können bevorzugt betrieben werden, um die Kohlenwasserstoffströmung auf eine Temperatur von mindestens ca. 189°C, stärker bevorzugt zwischen ca. 189°C und 260°C, zu erhitzen. Diese Temperatur wird für Methan als angemessen und in Bezug auf Kohlenstoffablagerung (Brennstoff-Cracking) als bedenkenlos angesehen, und sie ist ausreichend hoch ist, dass eine vernünftige Wassermenge verdampft werden kann, ohne die Strömung unter ein gewünschtes Niveau abzukühlen, z.B. ca. 189°C oder zumindest auf den Taupunkt der Mischung.
Durch Wiederholen der Heiz- und Wassereinspritzschritte kann die Kohlenwasserstoff/Dampfmischung hergestellt werden, so dass sie ein gewünschtes Verhältnis von Wasser zu Methan hat, z.B. ein Mol-Verhältnis von mindestens ca. 3.
Das Endergebnis ist eine Kohlenwasserstoff/Dampfmischung 18, welche für ein Brennstoffaufbereitungssystem 10 geeignet ist, welches unter Verwendung von Hitze und einem Katalysator, wie es im Stand der Technik bekannt ist, die Kohlenwasserstoff/Dampfmischung wie gewünscht konvertiert.
Wie aus dem Stand der Technik bekannt, ist die Basisreaktion in einem Brennstoffaufbereitungssystem die Konvertierung von CH₄ und H₂O zu N₂ und CO₂, welche so die notwendige Versorgung der Brennstoffzelle mit Wasserstoff bereitstellt. Aus praktischen Gründen ist etwas CO und H₂O in der Strömung vorhanden, im Falle eines ATR- oder CPOX-Reformers auch etwas N₂. Durch Vergleichen von 3 mit 1 wird deutlich, dass der Schritt des Wassersiedens, um Dampf zur Verfügung zu stellen, vollständig vermieden wird, so wie auch der Dampfboiler selbst vermieden wird. Dies reduziert vorteilhaft den durch die verschiedenen Komponenten der Brennstoffzelle und des Brennstoffaufbereitungssystems belegten Raum und reduziert auch jegliche Verzögerung beim ersten Anfahren des Brennstoffzellensystems, da Dampf gemäß der vorliegenden Erfindung sehr viel schneller erzeugt wird, als es möglich ist unter Verwendung eines konventionellen Bollers und einer Wasserzuleitung zu dem Boller. Ferner wird das Potenzial für Probleme des Einfrierens des Wassersystems verringert und/oder vermieden.
Ein weiterer Vorteil des Systems und des Verfahrens der vorliegenden Erfindung ist, dass das Gesamtverhältnis von Wasser zu Kohlenwasserstoff, und insbesondere von Wasser zu Kohlenstoff, mit dem System und dem Verfahren der vorliegenden Erfindung spezifisch gesteuert werden kann. In konventionellen Verfahren, wie dem in 1 dargestellten, müssen zusätzliche Einrichtungen verwendet werden, um die Menge an Dampf, welche den Boller verlässt, zu überwachen und/oder zu steuern, um das molare Verhältnis von Wasser zu Kohlenstoff steuern zu können. Das ist besonders erwünscht, weil ein unzureichendes Verhältnis von Wasser zu Kohlenstoff zu einem Verkoken und/oder einer Ablagerung von Kohlenstoff auf Komponenten des katalytischen Dampfreformers führen kann, was beides unerwünscht ist, während das direkte Hinzufügen einer bekannten Menge oder Strömung von Wasser zu dem Kohlenwasserstoff die sichere Steuerung dieses Verhältnisses ohne zusätzliche Einrichtungen ermöglicht.
3 zeigt, dass Wärme wie benötigt zu den Wärmetauschern 14 zugeführt wird, um das gewünschte Erhitzen des Kohlenwasserstoffstroms zu ermögli chen. Erfindungsgemäß kann diese Wärme bevorzugt aus der Abwärme erhalten werden, welche durch andere Komponenten des Systems erzeugt wird; beispielsweise wird Abwärme erzeugt durch Verbrennen des Anodenabgases in einem Brenner oder durch Kühlen des Reformer-Aufbereitungsabgases, und derartige Wärme ist eine hervorragende Quelle für die Verwendung in dem System und Verfahren der vorliegenden Erfindung.
In Bezug auf 4 und wie oben erläutert, benötigen bestimmte Brennstoffaufbereitungssysteme die Zuführung von Luft, wie auch von Kohlenwasserstoff und Dampf. 4 zeigt ein Brennstoffaufbereitungssystem 10 als einen autothermen oder CPOX-Reformer, welche zu diesem Typ gehören. Mit derartigen Reformern ist es erwünscht, dass die Luft einen bestimmten Feuchtigkeitsgrad hat, um zusätzliches Wasser in den Reformer einzubringen, welches die benötigte Wassermenge, die zu dem Brennstoffstrom hinzugefügt werden muss, verringert.
Dies wird erfindungsgemäß vorteilhaft ohne einen Boller zur Dampferzeugung erreicht, indem direkt eine Luftströmung erhitzt wird und Wasser in die erhitzte Strömung eingespritzt wird. 4 zeigt ein Brennstoffaufbereitungssystem 10 und eine Kohlenwasserstoffströmung 20, welche durch die Wärmetauscher 22 geleitet wird. Wie in der Ausführungsform von 3 ist eine Zuführung von Wasser vorgesehen, und Wasser wird an den Einspritzpunkten 24 in die erhitzte Kohlenwasserstoffströmung eingespritzt, welche die Wärmetauscher 22 verlässt, so dass Wasser verdampft wird, um die erwünschte Kohlenwasserstoff/Dampfmischung zu erzeugen.
Wie ebenfalls gezeigt, ist ein Luftstrom 26 vorgesehen und wird den Heizungen 28 zugeführt, wobei Wasser an den Einspritzpunkten 30 eingespritzt wird, welche stromabwärts von den Heizungen 28 sind, um das Wasser mit den erhitzten Luftströmungen zu mischen und damit den Feuchtigkeitsgehalt bzw. den Taupunkt der Luft zu erhöhen. Die resultierende Kohlenwasser/Dampfmischung 32 und befeuchtete Luft 34 werden dann erfindungsgemäß vorteilhaft dem Brennstoffaufbereiter 10 zugeführt. Wie in 4 gezeigt, können diese Strömungen vor dem Zuführen in den Reformer kombiniert werden oder, je nach Wunsch, separat eingeleitet werden.
Gemäß diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Luftströmung vorzugsweise auf eine so hohe Temperatur wie unter Verwendung der verfügbaren Wärmequellen im System möglich ist erhitzt und mindestens auf eine Temperatur erhitzt, welche ausreichend ist, um eine erwünschte ausreichende Verdampfung des Wassers zu ermöglichen. Außerdem kann das Durchführen dieses Schritts, welcher eine Reihe von Wärmetauschern und Wassereinspritzpunkten verwendet, vorteilhaft das Bereitstellen einer erhitzten Luftströmung mit einem gewünschten hohen Taupunkt ermöglichen. Die erhitzte Luftströmung wird vorzugsweise mit einem Taupunkt erzeugt, der gewählt ist, um ein molares Verhältnis von Dampf zu Brennstoff von mindestens ca. 3 zu ermöglichen, wenn sie mit der Brennstoffströmung kombiniert wird.
Die Ausführungsform von 4 hat die gleichen Vorteile im Zusammenhang des Vermeidens des Erfordernisses eines Bollers für mit dem Kohlenwasserstoff zu mischenden Dampf, wie es in Verbindung mit der Ausführungsform von 3 erläutert wurde. Ferner ermöglicht die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Bereitstellen einer Luftströmung mit einem hohen Grad an darin enthaltenem Wasser, das zur Verwendung mit dem Brennstoffaufbereitungssystem erwünscht ist, wodurch das Erfordernis des Hinzufügens von Wasser in die Brennstoffströmung verringert wird.
Ferner kann erfindungsgemäß die den Wärmetauschern 22, 28 zuzuführende Wärme aus Abwärme erhalten werden, welche durch andere Verfahrenskomponenten erzeugt wird, wie in der Ausführungsform von 3, z.B. von dem Anodenabgasbrenner, Reformerverfahrensabgas und ähnlichem.
Es soll verdeutlicht werden, dass die Ausführungsform von 4 vorteilhaft eine Kohlenwasserstoff/Dampfmischung und befeuchtete Luft zum Zuführen in den Reformer bereitstellt, während das Erfordernis eines Bollers und assoziierter Komponenten vermieden wird. Das ist besonders vorteilhaft und macht eine Brennstoffzelle und ein Brennstoffaufbereitungssystem gemäß der vorliegen den Erfindung besonders geeignet für Transportanwendungen und andere Anwendungen, bei welchen eine Raumverringerung erwünscht ist.
Bezugnehmend auf 5 wird ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung dargestellt. 5 stellt ein Schema gemäß der vorliegenden Erfindung dar, bei welchem Kohlenwasserstoff-Brennstoff und Wasser durch eine Reihe von vier Wärmetauschern 14 und drei Einspritzpumpen 16 für flüssiges Wasser geleitet werden, um ein stufenweises Erhitzen und Einspritzen in die gewünschte Kohlenwasserstoff/Dampfmischung zu ermöglichen.
6 enthält eine Darstellung, welche das Verhältnis zwischen der Anzahl von Wassereinspritzpunkten und kumulativem Mol-Wasser pro Mol CH₄ gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt. Falls das Gas auf 260°C erhitzt und ausreichend Wasser hinzugefügt wird, um die Mischung auf 189°C abzukühlen, können Mol-Verhältnisse von Wasser zu Methan von > mit 16 Einspritzpunkten erreicht werden. Unter Verwendung einer wie in 5 dargestellten Struktur kann dies ohne Schwierigkeiten bewerkstelligt werden und ermöglicht wie gewünscht eine exzellente Erzeugung einer Kohlenwasserstoff/Dampfmischung.
Es sollte klar sein, dass wenngleich die vorliegende Veröffentlichung in Bezug auf Methan als Kohlenwasserstoff-Brennstoff gegeben ist, andere Kohlenwasserstoff-Brennstoffe in gleicher Weise gemäß dem System und dem Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendbar wären. Obwohl die Brennstoffaufbereitungssysteme 10 in 3 und 4 als ein katalytischer Dampfreformer bzw. ein adiabatischer Reformer, wie z.B. ein autothermer (ATR) oder CPOX-Reformer, gezeigt sind, können andere Typen von Brennstoffaufbereitungssystemen unter Verwendung der erfindungsgemäßen Materialien betrieben werden, z.B. thermische Dampfreformer, Hybridreformer, zyklische Reformer und ähnliche. In der Tat können das System und das Verfahren der vorliegenden Erfindung in ihrer breitesten Anwendung ohne Schwierigkeiten an jegliche Verfahrensart angepasst werden, bei welcher es erwünscht ist, eine erhitzte Gas/Dampfmischung bereitzustellen. Außerdem sind das System und das Verfahren der vorliegenden Erfindung besonders gut geeignet zur Verwendung mit Poly merelektrolytmembran (PEM)-Brennstoffzellen, obwohl das System und das Verfahren mit anderen Typen von Brennstoffzellen ebenfalls nützlich wären.
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die hier beschriebenen und gezeigten Darstellungen beschränkt ist, welche lediglich beispielhaft für die beste Art der Ausführung der Erfindung sind, und welche in Form, Größe, Anordnung der Teile und Details des Betriebs geändert werden können. Die Erfindung soll alle solche Veränderungen umfassen, welche innerhalb des durch die Ansprüche definierten Umfangs fallen.
Zusammenfassung
Ein Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzelle zum Reagieren Lassen eines wasserstoffreichen Gases (19); ein Brennstoffaufbereitungssystem (10) zum Konvertieren einer Kohlenwasserstoff-Brennstoff/Dampfmischung (18) in das wasserstoffreiche Gas; und ein System zum Herstellen der Kohlenwasserstoff-Brennstoff/Dampfmischung, welches (a) eine Struktur (14) zum Überhitzen eines Kohlenwasserstoff-Brennstoffs (12) aufweist, um einen überhitzten Brennstoff bereitzustellen, und (b) eine Struktur (16) zum Mischen von Wasser mit dem überhitzten Brennstoff aufweist, um die Kohlenwasserstoff-Brennstoff/Dampfmischung bereitzustellen.

Claims

Brennstoffzellensystem, aufweisend: eine Brennstoffzelle, um ein wasserstoffreiches Gas reagieren zu lassen; ein Brennstoffaufbereitungssystem zum Konvertieren einer Kohlenwasserstoff-Brennstoff/Dampfmischung zu dem wasserstoffreichen Gas; und eine Einrichtung zum Herstellen der Kohlenwasserstoff-Brennstoff/Dampfmischung, aufweisend (a) Mittel zum Überhitzen eines Kohlenwasserstoff-Brennstoffs, um einen überhitzten Brennstoff bereitzustellen, und (b) Mittel zum Mischen von Wasser mit dem überhitzten Brennstoff, um die Kohlenwasserstoff-Brennstoff/Dampfmischung bereitzustellen.
System nach Anspruch 1, bei welchem die Mittel zum Überhitzen eine Mehrzahl von in Reihe angeordneten Wärmetauschern zum Überhitzen einer den Kohlenwasserstoff-Brennstoff enthaltenden Strömung aufweisen, und bei welchem die Mittel zum Mischen des Wassers eine Mehrzahl von Wassereinspritzpunkten aufweisen, welche jeweils stromabwärts von jedem Wärmetauscher der Mehrzahl von Wärmetauschern positioniert sind.
System nach Anspruch 1, ferner aufweisend eine Einrichtung zum Bereitstellen einer befeuchteten Luftströmung für das Brennstoffaufbereitungssystem, wobei die Einrichtung zum Bereitstellen aufweist: (a) Mittel zum Erhitzen einer Luftströmung, um eine erhitzte Luftströmung bereitzustellen, und (b) Mittel zum Mischen von Wasser mit der erhitzten Luftströmung, um die befeuchtete Luftströmung bereitzustellen.
System nach Anspruch 3, bei welchem die Mittel zum Erhitzen einer Mehrzahl von in Reihe angeordneten Wärmetauschern aufweisen, um eine die Luft enthaltende Strömung zu erhitzen, und bei welchem die Mittel zum Mischen von Wasser mindestens einen Wassereinspritzpunkt aufweisen, der stromabwärts von mindestens einem der Mehrzahl von Wärmetauschern positioniert ist.
System nach Anspruch 3, bei welchem Wärme für die Mehrzahl von Wärmetauschern Abwärme von der Brennstoffzelle und/oder dem Brennstoffaufbereitungssystem umfasst.
System nach Anspruch 1, bei welchem die Wärme für die Mittel zum Erhitzen Abwärme von der Brennstoffzelle und/oder dem Brennstoffaufbereitungssystem umfasst.
System nach Anspruch 1, bei welchem die Brennstoffzelle eine Polymerelektrolytmembran (PEM)-Brennstoffzelle ist.
Verfahren zum Hinzufügen von Dampf zu einer Gasströmung für ein Brennstoffaufbereitungssystem, aufweisend die folgenden Schritte: Bereitstellen einer Gasströmung; Erhitzen der Gasströmung, um eine erhitzte Strömung mit einer Temperatur von mindestens ca. 189°C bereitzustellen; Hinzufügen von flüssigem Wasser zu der erhitzten Strömung, um das Wasser zu Dampf umzuwandeln und eine Gas/Dampfmischung bereitzustellen, und Einleiten der Gas/Dampfmischung in ein Brennstoffaufbereitungssystem.
Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem die Gasströmung ein Kohlenwasserstoff-Brennstoff ist und bei welchem das Brennstoffaufbereitungssystem den Kohlenwasserstoff-Brennstoff zu einer wasserstoffreichen Gasströmung für eine Brennstoffzelle konvertiert.
Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem der Kohlenwasserstoff-Brennstoff gewählt ist aus der Gruppe, die aus Methan, Erdgas, Benzin, Dieselbrennstoff, Naphtha und Mischungen davon besteht.
Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem die Gasströmung Methan ist.
Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem der Schritt des Erhitzens ein Überhitzen des Kohlenwasserstoff-Brennstoffs aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem der Schritt des Erhitzens ein Erhitzen der Gasströmung auf eine Temperatur zwischen ca. 189°C und ca. 260°C aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem der Schritt des Hinzufügens ein Hinzufügen des flüssigen Wassers aufweist, um eine Gasströmungsmischung mit einer Temperatur von mindestens ca. 189°C zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner aufweisend den Schritt des Wiederholens des Schritts des Erhitzens und des Schritts des Hinzufügens mit der Gas/Dampfmischung bis die Mischung ein molares Verhältnis von Wasser zu Kohlenwasserstoff-Brennstoff von mindestens ca. 3 hat.
Verfahren nach Anspruch 8, ferner aufweisend den Schritt des Einleitens einer befeuchteten Luftströmung in das Brennstoffaufbereitungssystem.
Verfahren nach Anspruch 16, bei welchem der Schritt des Einleitens der befeuchteten Luftströmung ein Bereitstellen einer Luft enthaltenden Strömung aufweist, Erhitzen der Strömung, um eine erhitzte Strömung bereitzustellen, und Hinzufügen von flüssigem Wasser zu der erhitzten Strömung aufweist, um eine befeuchtete Luftströmung bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 17, ferner aufweisend ein Wiederholen des Schritts des Erhitzens und des Schritts des Hinzufügens mit der befeuchteten Luftströmung, um eine endgültige befeuchtete Luftströmung mit einem Taupunkt bereitzustellen, der gewählt ist, um ein molares Verhältnis von Dampf zu Brennstoff von mindestens ca. 3 bereitzustellen, wenn die Luftströmung mit der Brennstoffströmung kombiniert wird.
Verfahren nach Anspruch 16, bei welchem Wärme für den Schritt des Erhitzens Abwärme ist, die von dem Brennstoffaufbereitungssystem und/oder der Brennstoffzelle erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem Wärme für den Schritt des Erhitzens Abwärme ist, welche von dem Brennstoffaufbereitungssystem und/oder der Brennstoffzelle erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem die Brennstoffzelle eine Polymerelektrolytmembran (PEM)-Brennstoffzelle ist.