專利名稱：冷卻劑調(diào)節(jié)系統(tǒng)和燃料處理子系統(tǒng)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于燃料電池系統(tǒng)的燃料處理子系統(tǒng)的冷卻劑系統(tǒng)，在更加特殊的應(yīng)用中，本發(fā)明涉及一種用于象聚合體電解燃料電池系統(tǒng)之類的燃料電池系統(tǒng)、比如質(zhì)子交換膜式(PEM)燃料電池系統(tǒng)的重整流(reformate flow)的水調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在許多PEM燃料電池系統(tǒng)中，燃料，比如甲烷或者類似烴類燃料被轉(zhuǎn)換成燃料電池陽極側(cè)的富氫流。在許多系統(tǒng)中，加濕天然氣(甲烷)和空氣利用燃料電池系統(tǒng)的燃料處理子系統(tǒng)通過化學(xué)作用轉(zhuǎn)換成稱為重整物的富氫流。這種轉(zhuǎn)換發(fā)生在重整器中，在那里通過催化作用從烴類燃料中釋放出氫。普通型的重整器是自動熱反應(yīng)器(ATR)，該反應(yīng)器使用空氣和蒸汽作為氧化反應(yīng)物。當(dāng)氫被釋出時，產(chǎn)生大量的一氧化碳(CO)，而一氧化碳的量必須減少到低的水平(通常小于10ppm)，以防止毒害PEM膜。
催化重整過程包括具有相關(guān)水-氣變換的氧化分解反應(yīng)，和部分氧化反應(yīng)。盡管水-氣變換反應(yīng)從重整流中除去了一些CO，但是總的重整流總是含有一定量的CO，該CO量取決于發(fā)生該重整過程的溫度。在初始反應(yīng)之后，重整流的CO量完全超過PEM燃料電池所能接受的量。為了將CO濃度減少到可以接受的程度，在燃料處理子系統(tǒng)中通常采用若干催化反應(yīng)，以除去重整流中的CO。用來減少重整流中的CO的典型反應(yīng)包括上述的水-氣變換反應(yīng)和在貴金屬催化劑上的選擇氧化反應(yīng)(少量的空氣加入到重整流中以形成氧)。通常，需要進(jìn)行多級CO清除，以得到具有可接受CO量的重整流。每級的CO清除需要重整溫度降低到精確的溫度范圍，以便發(fā)生所需的催化反應(yīng)并且可將貴金屬催化劑的裝料量最小化。
在這方面，經(jīng)常采用液冷式熱交換器在每級中控制重整溫度，因為與氣冷式熱交換器相比，它們的結(jié)構(gòu)緊湊。此外，由于進(jìn)入到燃料處理子系統(tǒng)中的液態(tài)水必須加熱，以使其能轉(zhuǎn)換成重整反應(yīng)的蒸汽，所以用熱的方法有效地使用處理水作為熱交換器的液態(tài)冷卻劑以在CO除去之前冷卻重整流。但是，這種方法難以執(zhí)行。
例如，由于液態(tài)冷卻劑通常要比正被冷卻的重整物的溫度低很多，所以在重整流中可能產(chǎn)生冷凝問題。尤其是，當(dāng)處理水是液態(tài)冷卻劑時，更是如此。這個問題特別重要，因為重整流中冷凝的液體，比如水可能使在燃料處理子系統(tǒng)的CO清除或者氫凈化裝置中所用的催化劑不活化。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一種形式，提供一種冷卻劑調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以將冷卻劑供給到燃料電池系統(tǒng)的至少一個燃料處理子系統(tǒng)中。該冷卻劑調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括冷卻劑儲槽和供給液態(tài)冷卻劑流的泵。冷卻劑調(diào)節(jié)系統(tǒng)還包括至少一個冷卻劑預(yù)熱器，該預(yù)熱器連接到重整流中，以將熱量從重整流傳遞到冷卻劑流中，該至少一個冷卻劑預(yù)熱器包括冷卻劑入口和冷卻劑出口。冷卻劑調(diào)節(jié)系統(tǒng)還包括加熱器，該加熱器連接到冷卻劑出口上，從而當(dāng)冷卻劑出口上的冷卻劑流的溫度降到低于最低溫度時有選擇地將熱量加入到冷卻劑流中，該加熱器包括冷卻劑的加熱器入口和冷卻劑的加熱器出口。冷卻劑調(diào)節(jié)系統(tǒng)還包括至少一個出口流通路，以將一部分冷卻劑流從加熱器出口供給到至少一個燃料處理子系統(tǒng)中；和回流通路，以使冷卻劑流的剩余部分從加熱器出口返回到儲槽中。
在優(yōu)選的形式中，該冷卻劑是水。
根據(jù)一種形式，該至少一個出口流通路將一部分冷卻劑流從加熱器出口供給到燃料處理子系統(tǒng)的熱交換器中。
在一種形式中，冷卻劑調(diào)節(jié)系統(tǒng)還包括至少一個出口流通路，該通路將一部分冷卻劑流從加熱器出口供給到燃料處理子系統(tǒng)的至少一個變換反應(yīng)器和/或選擇氧化裝置中。
根據(jù)一種形式，泵以所需的流率供給液態(tài)冷卻劑。
根據(jù)一種形式，泵以恒定的流率供給液態(tài)冷卻劑。
根據(jù)一種形式，在正常工作條件下該部分的冷卻劑流的流率小于泵供給的所需流率。
在一種形式中，冷卻劑調(diào)節(jié)系統(tǒng)還包括在加熱器下游的至少一個壓力調(diào)節(jié)器，以將流到該至少一個燃料處理子系統(tǒng)中的該部分的冷卻劑流保持在所需的壓力上。
根據(jù)一種形式，最低溫度是重整流的露點(diǎn)溫度。
根據(jù)一種形式，冷卻劑調(diào)節(jié)系統(tǒng)還包括溫度傳感器，以測量離開預(yù)熱器的冷卻劑流的溫度。
在一種形式中，加熱器響應(yīng)來自溫度傳感器的信號。
根據(jù)一種形式，該加熱器是電加熱器。
在一種形式中，冷卻劑調(diào)節(jié)系統(tǒng)還包括補(bǔ)充流通路，該通路連接到儲槽中，以將額外的冷卻劑流供給到儲槽中，以形成冷卻劑源。
根據(jù)一種形式，冷卻劑源是來自燃料電池系統(tǒng)的再循環(huán)流。
根據(jù)一種形式，提供一種操作增壓冷卻劑供給的方法，該冷卻劑供給燃料電池系統(tǒng)中至少一個燃料處理子系統(tǒng)使用。
在一種形式中，該方法包括步驟使冷卻劑從冷卻劑儲存源流過冷卻劑預(yù)熱器的第一流動通路；使重整物流過冷卻劑預(yù)熱器的第二流動通路；將熱量從重整物傳遞到冷卻劑預(yù)熱器的冷卻劑中；使冷卻劑從冷卻劑預(yù)熱器流到加熱器中；當(dāng)冷卻劑的溫度降到低于最低溫度時，在加熱器中將熱量有選擇地加入到冷卻劑中；使一部分冷卻劑流到該至少一個燃料處理裝置中；以及使冷卻劑的剩余部分返回到儲存源中。
在優(yōu)選形式中，該冷卻劑是水。
根據(jù)一種形式，該冷卻劑以所需的速率流過第一流動通路。
在一種形式中，冷卻劑以恒定的速率流過第一流動通路。
根據(jù)一種形式，在正常工作條件下該部分的冷卻劑的流率小于所需流率。
在一種形式中，該方法還包括調(diào)節(jié)加熱器下游的壓力的步驟，以將到該至少一個燃料處理子系統(tǒng)的該部分的冷卻劑保持在所需的壓力上。
根據(jù)一種形式，最低溫度是重整物的露點(diǎn)溫度。
根據(jù)一種形式，該方法還包括測量離開預(yù)熱器的冷卻劑溫度的步驟。
在一種形式中，該方法還包括使加熱器響應(yīng)離開預(yù)熱器的冷卻劑溫度的步驟。
根據(jù)一種形式，該方法還包括使補(bǔ)充流從冷卻劑源流到冷卻劑儲存源中的步驟。
根據(jù)一種形式，冷卻劑源流自燃料電池系統(tǒng)的再循環(huán)流。
通過完全審閱包括附加權(quán)利要求書和附圖在內(nèi)的整個說明書使其它目的、優(yōu)點(diǎn)和特征變得一目了然。


圖1是包括冷卻劑調(diào)節(jié)系統(tǒng)的燃料處理子系統(tǒng)和體現(xiàn)本發(fā)明方法的典型示意圖；圖2是圖1中冷卻劑調(diào)節(jié)系統(tǒng)和方法的典型示意圖；圖3是曲線圖，示出在各種負(fù)荷下冷卻劑流、重整流和重整物露點(diǎn)的溫度分布；以及圖4是本發(fā)明中所用預(yù)熱器的實施例的透視圖。
具體實施例方式
盡管本發(fā)明容許有各種形式的實施例，但是在附圖中所示的并且在本文中詳細(xì)描述的本發(fā)明具體實施例要理解成，這些公開內(nèi)容應(yīng)視為是本發(fā)明原理的示例而不是用來把本發(fā)明限制成示出的具體實施例。
如在圖1中看到的那樣，設(shè)置優(yōu)選為處理水調(diào)節(jié)系統(tǒng)8形式的冷卻劑調(diào)節(jié)系統(tǒng)8供燃料處理子系統(tǒng)使用，該子系統(tǒng)用12簡要示出，該子系統(tǒng)可以從烴類流16中產(chǎn)生重整流14，并且減少重整流14中的一氧化碳(CO)的量，以便用在質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)(未示出)中。如在說明書中所使用的那樣，短語燃料流表示包括烴類流16和重整流14。處理水調(diào)節(jié)系統(tǒng)8設(shè)有到燃料處理子系統(tǒng)12的一個或者多個處理水出口流通路17。通到燃料處理子系統(tǒng)12的出口流通路17的數(shù)目可以根據(jù)燃料處理子系統(tǒng)12的要求改變，并且可以少到一個出口流通路17。
設(shè)置一對熱交換器18用在燃料處理子系統(tǒng)12中，以把重整流14冷卻到所需的溫度范圍，從而用在燃料處理子系統(tǒng)12的下一個部件中。盡管示出了兩個熱交換器18，但是應(yīng)該知道，這些熱交換器18不相互依賴，而是可以獨(dú)立地工作。此外，當(dāng)燃料處理子系統(tǒng)12需要時，可以使用任何數(shù)目的熱交換器18。例如，一些子系統(tǒng)12可以只需要一個熱交換器18，而其它的子系統(tǒng)可以需要三個或者更多個熱交換器18。
在所示的實施例中，燃料處理子系統(tǒng)12包括自動熱重整器20。通常使用的稱為蒸汽重整和催化部分氧化的方法用來在自動熱重整器20中從烴類流16產(chǎn)生重整流14。所述反應(yīng)包括氧分解反應(yīng)、部分氧化和水-氣變換，，。為了發(fā)生這些催化反應(yīng)，必須使這些反應(yīng)物產(chǎn)生高的溫度，通常該溫度超過500℃。如在第一反應(yīng)中示出的那樣，過熱的蒸汽流22用來部分地提高進(jìn)入到自動熱重整器20中的反應(yīng)物的溫度。如在燃料電池系統(tǒng)的大多數(shù)燃料處理子系統(tǒng)中那樣，必須從外部源中，比如加熱器，或者如圖1所示，通過燃燒陽極尾氣流26并且傳遞熱交換器24中的熱量以產(chǎn)生蒸汽流22加入產(chǎn)生和/或使蒸汽流22過熱所需的熱量。
如在上述反應(yīng)中示出的那樣，在重整過程中產(chǎn)生CO。在進(jìn)入燃料電池之前，必須除去產(chǎn)生的CO，因為CO對膜有毒害作用，因而損害燃料電池的性能和使用壽命。在重整反應(yīng)中產(chǎn)生的CO量極大地取決于反應(yīng)溫度。在較高的溫度時，反應(yīng)產(chǎn)生較多有利于燃料電池的氫氣，但是也產(chǎn)生較多的有毒CO。為了從重整流14中消除有毒的CO，可以使用CO消除階段。
在圖1的所示的實施例中，在使用烴類流16在自動熱重整器20內(nèi)產(chǎn)生重整流14之后，該重整流14流入到至少一個水-氣變換反應(yīng)器28中。水-氣變換反應(yīng)器28用來進(jìn)一步除去重整流14中的有毒CO，并且產(chǎn)生用在燃料電池系統(tǒng)中的更多氫氣。水-氣變換反應(yīng)器28需要水，如在水-氣變換反應(yīng)所示那樣。需要時，在水-氣變換反應(yīng)器28中可加入額外的水，以保持水-氣變換反應(yīng)。額外的水可通過出口流通路17來自處理水調(diào)節(jié)系統(tǒng)8。此外，可以使用多個水-氣變換反應(yīng)器28和29以進(jìn)一步減少重整流14中的有毒CO，這里出口流通路17供給反應(yīng)所需的水。
即使在多個水-氣變換反應(yīng)28和29之后，重整流14通常在其中仍然含有過量的有毒CO。為了消除更多的有毒CO，可以使用額外的裝置，比如至少一個選擇氧化器30。選擇氧化反應(yīng)通常需要在重整流14中加入少量的空氣，以形成選擇氧化反應(yīng)所需的氧。選擇氧化反應(yīng)通常在貴金屬催化劑中發(fā)生。為了發(fā)生催化反應(yīng)，利用有關(guān)的熱交換器18必須將重整流14降低到所需的溫度范圍，以使貴金屬催化劑的效率最佳化。通常，在130℃到180℃的溫度范圍內(nèi)發(fā)生選擇氧化。根據(jù)催化劑，高度有效的選擇氧化發(fā)生在非常窄的溫度范圍內(nèi)。
時?？赡苄枰鄠€裝置從重整流14中除去足夠多的CO。如圖1所示那樣，使用多個熱交換器18和多個選擇氧化器30、31除去重整流14中的CO。通常在這個過程中，處理水流的一部分在上游(相對于重整流)熱交換器18處的流率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于處理水流的一部分在下游熱交換器18處的流率，因為進(jìn)入上游熱交換器18中的重整流14的溫度大大高于進(jìn)入到下游熱交換器18中的重整流14的溫度。如果在一個熱交換器18中除去的熱量多于另一個熱交換器中除去的熱量，則與整個系統(tǒng)的熱效率不相關(guān)，因為處理水流的這些部分優(yōu)選地再循環(huán)回到燃料處理子系統(tǒng)12中，如以46所示那樣，并且用于自動熱重整器20中的蒸汽流22中。
在圖1的實施例中，使用多個選擇氧化器30和31，并且這些氧化器以相互不同所需的溫度范圍進(jìn)行工作，以除去有毒的CO，優(yōu)選地在重整流14中達(dá)到小于10ppm的量。處理水流的一些部分通過出口流通路17導(dǎo)向每個重整冷卻系統(tǒng)18中，從而為相應(yīng)選擇氧化器30和31將重整流14冷卻到所需的溫度范圍內(nèi)。
盡管在重整流14與來自出口流通路17的處理水流的這些部分之間具有大的溫度梯度是最佳的，但是最好還是將來自出口流通路17的處理水流的部分保持在最低溫度或者高于最低溫度，以防止重整流14中的水發(fā)生冷凝。這個方面是需要的，因為液態(tài)水通常使用在選擇氧化器30和31中的催化劑不活化。因此，如果液態(tài)水與裝在選擇氧化器30和31中的催化劑發(fā)生接觸，那么CO除去反應(yīng)的性能將會受到損害。
為了有助于為來自出口流通路17的處理水流的部分保持在所需溫度范圍，使用了處理水調(diào)節(jié)系統(tǒng)8和本發(fā)明的方法。處理水調(diào)節(jié)系統(tǒng)8的更加詳細(xì)的描述示出在圖2中。
在一個優(yōu)選實施例中，處理水源80為向合適的處理水儲存源，比如處理水儲槽84的液態(tài)處理水提供補(bǔ)充流通路82。處理水流85從處理水儲槽84流到泵入口86，在那里，泵88通過泵出口90泵送處理水流85。處理水流85從泵出口90流到水預(yù)熱器94的水預(yù)熱器入口92。處理水流85從預(yù)熱器入口92流過處理水流通路95，在那里，利用通過重整流通路96的重整流14A使其加熱。然后，處理水流85通過預(yù)熱器出口97離開預(yù)熱器94。處理水流85從預(yù)熱器出口97流到加熱器100的加熱器入口98中，其中當(dāng)處理水流85的溫度降到低于最低所需溫度時，加熱器100有選擇地將熱量加入到處理水流85中。在這方面，在一個優(yōu)選實施例中，設(shè)置溫度傳感器99，來檢測加熱器100的上游或者下游的處理水流85的溫度，以向加熱器100提供溫度信號，使在處理水流85需要額外的熱量時發(fā)出信號。另一方面，代替溫度傳感器99，加熱器100可裝內(nèi)部恒溫器(未示出)，以有選擇地將熱量加入到處理水流85中來調(diào)節(jié)處理水溫度。在流過加熱器100之后，該處理水流85經(jīng)過加熱器出口102離開加熱器100。處理水流85可以從加熱器出口102分成至少一部分101和剩余部分103。在圖1和2所示的實施例中，處理水流85經(jīng)過出口流通路17分成五個部分101，而剩余部分103經(jīng)過回流通路104導(dǎo)回槽84中。應(yīng)該知道，處理水流85的部分101經(jīng)過一個出口流通路17、進(jìn)一步被分成多個出口流通路17的一個出口流通路17或者進(jìn)一步分成額外出口流通路17的甚至多個出口流通路17輸送到燃料處理子系統(tǒng)12中。如圖2所示那樣，處理水流85的剩余部分103優(yōu)選地流過背壓調(diào)節(jié)器106，以便將出口流通路17內(nèi)的部分101的壓力保持在所需的壓力上?；亓魍?04使處理水流85的剩余部分103從背壓調(diào)整器106返回到處理水儲槽84中，在那里，與來自處理水源80的額外處理水混合在一起。
預(yù)熱器94相對于重整流14的位置可以根據(jù)燃料處理子系統(tǒng)12的熱量要求和處理水調(diào)節(jié)系統(tǒng)8的結(jié)構(gòu)設(shè)計來改變。例如，如圖1所示那樣，預(yù)熱器94相對于重整流14A設(shè)置在第二選擇氧化器31的下游，為清楚起見，當(dāng)離開選擇氧化器31時，該重整流14A已標(biāo)記為14A。對于這個實施例，這個位置是最佳的，在選擇氧化器31之后，重整流14A流到燃料電池系統(tǒng)(未示出)，該系統(tǒng)需要重整流14A處于比離開選擇氧化器31的重整流14A更低的溫度上，因此，從重整流14A中必須除去熱量，而不管處理水調(diào)節(jié)系統(tǒng)8的熱量要求如何。另外，當(dāng)離開選擇氧化器31時，重整流14A的溫度處于130-180℃的范圍內(nèi)，這個溫度范圍是加熱處理水流85的合適溫度范圍。此外，由于作為到預(yù)熱器94的處理水流入口溫度低于進(jìn)入預(yù)熱器94中的重整流14A的露點(diǎn)的結(jié)果而在預(yù)熱器94中可能發(fā)生冷凝，因此位于任何催化劑下游的預(yù)熱器94的位置是優(yōu)選的。盡管圖1示出了預(yù)熱器94相對于燃料處理子系統(tǒng)12的重整流14的優(yōu)選位置，但是還具有其它可能的位置。例如，預(yù)熱器94可以設(shè)置在選擇氧化器30之前或者以后、在熱交換器18之前或者以后、在水-氣變換反應(yīng)器28和29之前或者以后，或者在自動熱重整器20之前或者以后。
與預(yù)熱器94相類似，加熱器100的位置根據(jù)每個特殊燃料處理子系統(tǒng)12和處理水調(diào)節(jié)系統(tǒng)8的要求可以改變，或者可以全部地更換預(yù)熱器94。如圖2所示那樣，加熱器100直接設(shè)置在預(yù)熱器94的下游，但是加熱器100可以設(shè)置在預(yù)熱器94的上游或者任何其它裝置(未示出)之后，只要加熱器100位于槽84與出口流通路17之間就行。優(yōu)選地，在正常的非瞬態(tài)工作條件下，不需要加熱器100將熱量加入到處理水流85中，重整流14A將傳遞預(yù)熱器94中的足夠熱量，以將處理水流85保持在所需的最低溫度或者最低溫度以上。因此，在優(yōu)選的實施例中，只在瞬態(tài)工作條件下，需要加熱器100將額外的熱量加入到處理水流85中。這種瞬態(tài)條件包括在燃料處理子系統(tǒng)12初始啟動時，以及當(dāng)燃料處理子系統(tǒng)12在較高負(fù)荷設(shè)定值與較低負(fù)荷設(shè)定值之間發(fā)生改變時。
另外，背壓調(diào)整器106只是壓力調(diào)節(jié)裝置的一個示例，該壓力調(diào)節(jié)裝置能夠提供所需壓力的處理水流85的一部分101。背壓調(diào)節(jié)器106可以是現(xiàn)有技術(shù)中已知的、能夠提供所需壓力的處理水流85的一部分101的任何合適裝置。此外，盡管背壓調(diào)節(jié)器106在圖2中表示為位于出口流通路17的下游，但背壓調(diào)節(jié)器106的這個位置根據(jù)每個特殊燃料處理子系統(tǒng)12和處理水調(diào)節(jié)系統(tǒng)8的要求也可以改變。
在本發(fā)明的一個實施例中，泵88提供所需流率的處理水流85，該流率優(yōu)選為恒定的流率，而泵88是恒定流率的泵。在這個實施例中，恒定的流率大于正常工作條件下通過出口流通路17的、混合的流率，因而確保處理水流85的剩余部分103可以通過回流通路104。當(dāng)處理水調(diào)節(jié)系統(tǒng)8操作時，出口流通路17的要求可以波動。為了補(bǔ)償流率的波動，處理水流85的剩余部分103的流率將相應(yīng)地波動。例如，當(dāng)部分101的總流率增大時，處理水流85的剩余部分103的流率降低一相應(yīng)量，因為泵88提供恒定流率的處理水流85。應(yīng)該知道，在正常工作條件下，泵88可以提供處理水流85，其任何合適的流率均大于出口流通路17所需的混合流率。還應(yīng)該知道，在一些應(yīng)用中，最好泵88提供的流率不是恒定的，而是隨著燃料處理子系統(tǒng)12的處理水流85的要求改變而變化。
當(dāng)處理水流85的部分101經(jīng)過出口流通路17用在燃料處理子系統(tǒng)12中時，必須將額外的處理水加入到處理水調(diào)節(jié)系統(tǒng)8中。從處理水源80經(jīng)過補(bǔ)充流通路82將額外的處理水加入到處理水儲槽84中。處理水源80可以是任何處理水源，該處理水源能夠提供足夠的處理水，以保持向在全負(fù)荷下操作的燃料處理子系統(tǒng)12所需的處理水流85。優(yōu)選的是，通過流動通路82的處理水的這一補(bǔ)充流的溫度應(yīng)該低于導(dǎo)向出口流通路17的處理水流85的最低所需溫度。合適的處理水源可以包括來自燃料電池系統(tǒng)、水管路、任何其它合適的冷卻劑源或者其混合的再循環(huán)流。
返回參照圖1，圖中示出，兩個出口流通路17供給至兩個熱交換器18的處理水流85的部分101。如前面論述的那樣，供給到熱交換器18的處理水流85的部分101被加熱，以將該部分101保持在最低溫度或者大于該最低溫度，從而防止重整流14冷凝，由此使選擇氧化器30和31中的催化劑不活化。因此，最好將最低溫度設(shè)定在重整流14中水的露點(diǎn)溫度或者接近該露點(diǎn)溫度，以防止或者減少熱交換器18中任何局部冷點(diǎn)，其中該熱交換器18可能使重整流14中的水冷凝。在特別優(yōu)選的實施例中，最低溫度設(shè)定成不要比部件，比如選擇氧化器30中的重整流14的露點(diǎn)低很多，其中該選擇氧化器30接受處理水流85的部分101。如前面所述的那樣，液態(tài)水可以使在選擇氧化器30和31中用的催化劑不活化。此外，還最好將處理水流85保持在足夠低的溫度，以便有效地從重整流14中除去熱量。如果重整流14與熱交換器18中處理水流85的部分101之間的溫度梯度不夠大，那么重整流14在離開熱交換器18之前便不能充分地冷卻。如果重整流14沒有充分地冷卻，選擇氧化器則不能充分地從重整流14中除去CO，因為催化劑被優(yōu)化在選擇的溫度范圍內(nèi)。因此，在圖1和2所示的實施例中，將處理水流85保持在最低溫度或者大于最低溫度不僅是理想的，而且還不會使處理水流85過熱，因此不會浪費(fèi)熱量。在特別優(yōu)選的實施例中，預(yù)熱器94從重整流14A中除去足夠熱量，以確保PEM燃料電池(如果采用)不會由于過高的溫度而受到重整流14A的損害。因此，在這些特別優(yōu)選的實施例中，預(yù)熱器94具有兩個作用，即加熱處理水流85和把重整流14A冷卻到合適溫度，以用在PEM燃料電池中，其中對于整個系統(tǒng)而言，與預(yù)熱處理水流85以使預(yù)熱器94根據(jù)重整流14A的冷卻要求設(shè)定尺寸相比，冷卻重整流14A可能更加重要。
處理水流85、重整流14A和重整露點(diǎn)的溫度分布曲線示出在圖3中，這是通過該系統(tǒng)8的一個優(yōu)選形式的計算機(jī)模型模擬的。模擬假定，通過補(bǔ)充流通路82的補(bǔ)充處理水流的溫度是45℃，處理水流85的質(zhì)量流率在全負(fù)荷和10％的負(fù)荷下是26.7g/s，混合的所有部分101的質(zhì)量流率在全負(fù)荷下是20.7g/s，而在2％的負(fù)荷下是2g/s，重整物的質(zhì)量流率在全負(fù)荷下是55.5g/s，而在10％的負(fù)荷下是5.55g/s，燃料電池系統(tǒng)在t＝0秒時在全負(fù)荷下處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，流量和重整溫度在t＝200秒時降低到它們10％的負(fù)荷值，而燃料處理系統(tǒng)的剩余部分假定為瞬時改變，并且流量和重整溫度在t＝2000秒時返回到它們的全負(fù)荷狀態(tài)，燃料處理系統(tǒng)的其余部分再次假定為瞬時改變。在進(jìn)入到預(yù)熱器94之前處理水流85的溫度分布用線A表示，即槽84內(nèi)的處理水的溫度。在離開加熱器100之后處理水流85的溫度分布用線B表示。線C表示進(jìn)入預(yù)熱器94之前重整流14A的溫度分布，而線D則表示直接離開預(yù)熱器94之后重整流14A的溫度分布。重整露點(diǎn)溫度分布(重整流14A中水的露點(diǎn))用線E表示。在圖3的頂部，示出燃料處理子系統(tǒng)12的工作負(fù)荷在整個指定時期內(nèi)的全負(fù)荷或者10％的負(fù)荷。
如圖3所示那樣，在時期t1期間，燃料處理子系統(tǒng)12在全負(fù)荷下工作。對于這個實施例，加熱器100構(gòu)造成當(dāng)離開加熱器100的處理水流85的溫度TB總是低于80℃時，便將熱量加入到處理水流85中。盡管在全負(fù)荷下工作，但是離開加熱器100之后的處理水流85的溫度仍然高于80℃的最低溫度，因此在加熱器100中不加入熱量。這表示，重整流14A將足夠多的熱量傳遞到預(yù)熱器94內(nèi)的處理水流85中，從而把處理水流85保持在最低溫度或者大于該最低溫度。
在t＝200秒時，燃料處理子系統(tǒng)12從全負(fù)荷工作改變到10％的負(fù)荷工作。進(jìn)入(線C)和離開(線D)預(yù)熱器94的重整流14A的溫度立即明顯下降。因此，離開加熱器100的處理水流85的溫度TB由于重整流14A的溫度降低而下降，因此，從重整流14A中傳遞到預(yù)熱器94中處理水流85的熱量減少。加熱器100立即識別，離開預(yù)熱器94的處理水流85的溫度TB已降到低于最低溫度(80℃)，并且加熱器100開始將熱量加入到處理水流85中。在時期t2期間，加熱器100將熱量加入到處理水流85中，直到離開加熱器100的處理水流85的溫度TB高于最低溫度為止，在該最低溫度點(diǎn)，加熱器100不開動，因而停止加入熱量。
如圖3所示那樣，當(dāng)燃料處理子系統(tǒng)12改變工作負(fù)荷時，進(jìn)入預(yù)熱器94中重整流14A的溫度變量ΔTC沒有和離開預(yù)熱器94的重整流14A的溫度變量ΔTD一樣大。這是由于重整流14A的流率基本上(接近數(shù)量級)因較低的工作負(fù)荷而降低所致。在工作負(fù)荷較低的情況下，不需要燃料處理子系統(tǒng)12產(chǎn)生與較高負(fù)荷下一樣大的重整流14A的流率。因此，重整流14A夾帶的熱量在較低的負(fù)荷下而減少。較低的流率和由此較少的熱量仍被用來加熱預(yù)熱器94內(nèi)同量的處理水流85，因為泵88供給處理水流85的恒定流率。因此，離開預(yù)熱器94的重整流14的溫度變量ΔTD高于進(jìn)入預(yù)熱器94中重整流14的溫度變量ΔTC。
另外，如圖3所示那樣，在時期t2期間，離開加熱器100的處理水流85的溫度TB在升高，因為加熱器100正將熱量加入到處理水流85中。在10％的負(fù)荷下，燃料處理子系統(tǒng)12不需要處理水流85的大部分101，因此，與在全負(fù)荷下工作相比，流過出口流通路17的處理水流85的部分101基本上(接近數(shù)量級)減少。在所示的實施例中，泵88供給恒定流率的處理水流85，因此，處理水流85的剩余部分103的流率由于在t2和t3(10％負(fù)荷)期間處理水流85的部分101減少而提高。由于大量的處理水流85經(jīng)過回流通路104作為剩余部分103返回到儲槽84中，因此從處理水源80中需要較少量的處理水流85。因此，當(dāng)加熱器100在加入熱量時，槽84中的處理水流85的溫度TA比較快速地升高。其結(jié)果是，離開預(yù)熱器94的重整流14A的溫度TD升高(在t2期間)，因為當(dāng)進(jìn)入預(yù)熱器中的處理水流85溫度TA升高時較少的熱量傳遞到處理水流85中。
一旦離開加熱器100的處理水流85的溫度TB超過最低溫度，加熱器100便停止將熱量供給到處理水流85中。如圖3所示那樣，在大約t＝390秒時，加熱器100關(guān)閉。在時期t3期間，燃料處理子系統(tǒng)12繼續(xù)在10％的負(fù)荷下工作。在這期間，加熱器100不再供給熱量，因為進(jìn)入到預(yù)熱器94中的重整流14供給了足夠的熱量，以將處理水流85保持在最低溫度以上。
在圖3中可以看到，在預(yù)熱器94中時的重整流14A的溫度變量ΔTR1與在預(yù)熱器94中時的處理水流的ΔTC1大約相同。參照時期t3，在預(yù)熱器94中時的重整流14A的溫度變量ΔTR3明顯大于在預(yù)熱器94中時的處理水流的ΔTC3。這是由于全負(fù)荷與10％負(fù)荷相比，重整流14A的流率與處理水流85的流率的比率明顯減小。
在大約t＝2000秒時，燃料處理子系統(tǒng)12再次處于全工作負(fù)荷之下。如在圖3中看到的那樣，當(dāng)重整流14A的流率隨著負(fù)荷的改變而增大時，進(jìn)入(TC)和離開(TD)預(yù)熱器94的重整流14A的溫度快速升高并且穩(wěn)定到穩(wěn)態(tài)溫度。當(dāng)重整流14A的溫度升高時，離開加熱器100的處理水流85的溫度TB也迅速升高一短暫時期，但是當(dāng)進(jìn)入預(yù)熱器94中的處理水流85的溫度TA降低時，則下降到高于最低溫度的穩(wěn)態(tài)溫度。進(jìn)入預(yù)熱器94中的處理水流85的溫度TA下降劇烈是因為經(jīng)過出口流通路17流到燃料處理子系統(tǒng)12的處理水流85的部分101和經(jīng)過回流通路104流到儲槽80的處理水流85的剩余部分103的流率改變所致。當(dāng)泵88供給處理水流85的恒定流率時，燃料處理子系統(tǒng)12需要處理水流85的部分101更大的流率，該流率使到儲槽84的處理水流85的剩余部分103的流率同樣減小。如果流到儲槽88的處理水流85的剩余部分103的溫度TB在各種負(fù)荷(即全負(fù)荷-10％負(fù)荷，如圖3所示那樣)期間依然保持在大約同一溫度上，則進(jìn)入預(yù)熱器94的處理水流85的溫度TA將在較高負(fù)荷下降低，這是因為來自儲存源80的補(bǔ)充處理水的流率增大所致(只要從儲存源80進(jìn)入的處理水的溫度低于處理水流85的剩余部分103的溫度TB就行)。
因此，可以看到，在其優(yōu)選的形式中，處理水調(diào)節(jié)系統(tǒng)8設(shè)計成將足夠的熱量從重整流14A傳遞到處理水流85中，以保持最低溫度且不需要來自加熱器100的額外熱量，同時燃料處理系統(tǒng)12工作在穩(wěn)態(tài)負(fù)荷條件下，并且處理水調(diào)節(jié)系統(tǒng)8還設(shè)計成在燃料處理子系統(tǒng)12的瞬態(tài)條件下經(jīng)過加熱器100有選擇地將熱量加入到處理水流85中，以達(dá)到處理水85的最低溫度。
本發(fā)明的處理水調(diào)節(jié)系統(tǒng)8能夠動態(tài)工作，以調(diào)節(jié)到設(shè)置在燃料處理子系統(tǒng)12中的各種負(fù)荷要求。盡管重整流14A的流率可能明顯下降，但是處理水調(diào)節(jié)系統(tǒng)8仍能通過加熱器100調(diào)節(jié)處理水流85的溫度，以達(dá)到最低溫度。另外，與在燃料處理子系統(tǒng)12中流量要求改變時浪費(fèi)熱量相反，處理水流85的剩余部分103經(jīng)過回流通路108進(jìn)行再循環(huán)，從而有效地在處理水調(diào)節(jié)系統(tǒng)8內(nèi)保持加入的熱量。
預(yù)熱器94的一個特別優(yōu)選實施例示出在圖4中。在這個優(yōu)選實施例中，預(yù)熱器是具有多個平行管120的兩排交叉流式熱交換器，這些管120限定通過熱交換器94從圓柱形入口集管122到圓柱形出口集管124的處理水流85的流動通路95。蛇形散熱片126在每個管120之間延伸，以在整個熱交換器94的在管120的外面限定重整流14A的流動通路96。每個管120具有一對支架130，這對支架130經(jīng)由管120上的一對90°扭轉(zhuǎn)部134被彎頭132所連接。由于通常由熱交換器94接受的處理水流85的流率較低，因此可能難以在多個平行管120中間均勻地分配處理水流85。在這方面，最好使用非常小的液壓直徑(大約810微米)的流動通道。因此，在特別優(yōu)選的形式中，每個管120是擠壓的鋁管，其具有四個圓形通道，這些通道尺寸設(shè)定成沿著管的主軸線均勻地分布。這些小流動通道便于沿著每個平行通道有足夠的壓降，從而實施均勻地分配處理水流85，同時仍然將管內(nèi)速度保持在管的腐蝕可能成為問題的水平以下。另外，小流動通道便于每個管120具有較小的尺寸，這些管120在熱交換器94的重整側(cè)上提供大的表面積，致使結(jié)構(gòu)高度緊湊。
盡管圖4示出熱交換器94的一個特別優(yōu)選實施例，但是應(yīng)該知道，任何合適的熱交換器可以用于熱交換器94中，并且在一些應(yīng)用中，其它類型和結(jié)構(gòu)對于熱交換器94可能是理想的。因此，對圖4所示的結(jié)構(gòu)不構(gòu)成限制，除非在權(quán)利要求中有明確的詳述。
應(yīng)該知道，盡管本文結(jié)合對燃料電池系統(tǒng)，特別是對質(zhì)子交換膜式燃料電池系統(tǒng)特別有利的燃料處理子系統(tǒng)12描述了冷卻劑調(diào)節(jié)系統(tǒng)8，但是冷卻劑調(diào)節(jié)系統(tǒng)8可以應(yīng)用于任何數(shù)目的燃料處理子系統(tǒng)中，該燃料處理子系統(tǒng)包括不是特別適合與燃料電池系統(tǒng)或者質(zhì)子交換膜式燃料電池系統(tǒng)一起使用的燃料處理子系統(tǒng)。例如，冷卻劑調(diào)節(jié)系統(tǒng)8可以與燃料處理系統(tǒng)結(jié)合使用，該燃料處理系統(tǒng)的主要功能是產(chǎn)生氫，以用在氫供應(yīng)站中。因此，沒有規(guī)定限制與燃料電池系統(tǒng)一起使用，除非在權(quán)利要求中有特別的詳述。
權(quán)利要求
1.一種冷卻劑調(diào)節(jié)系統(tǒng)，用于將冷卻劑供給到至少一個燃料處理子系統(tǒng)中，該冷卻劑調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括冷卻劑儲槽；供給冷卻劑流的泵，該泵包括泵入口和泵出口；至少一個冷卻劑預(yù)熱器，該預(yù)熱器連接到重整流中，以將熱量從重整流傳遞到冷卻劑流中，該至少一個冷卻劑預(yù)熱器包括連接到泵出口的冷卻劑入口和冷卻劑出口；加熱器，該加熱器連接到冷卻劑出口上，從而當(dāng)冷卻劑出口處的冷卻劑流的溫度降到低于最低溫度時有選擇地將熱量加入到冷卻劑流中，該加熱器包括用于冷卻劑的加熱器入口和用于冷卻劑的加熱器出口；至少一個出口流通路，其將一部分冷卻劑流從加熱器出口引導(dǎo)到至少一個燃料處理子系統(tǒng)；以及回流通路，其使冷卻劑流的剩余部分從加熱器出口返回到儲槽。
2.如權(quán)利要求1所述的冷卻劑調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其特征在于，泵以所需的流率供給冷卻劑流。
3.如權(quán)利要求1所述的冷卻劑調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其特征在于，泵以恒定的流率供給冷卻劑流。
4.如權(quán)利要求2所述的冷卻劑調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其特征在于，在正常工作條件下的該部分的冷卻劑流的流率小于所需的流率。
5.如權(quán)利要求1所述的冷卻劑調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)還包括在加熱器下游的至少一個壓力調(diào)節(jié)器，以將到所述至少一個燃料處理子系統(tǒng)的該部分的冷卻劑流保持在所需的壓力上。
6.如權(quán)利要求1所述的冷卻劑調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其特征在于，最低溫度是重整流的露點(diǎn)溫度。
7.如權(quán)利要求1所述的冷卻劑調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)還包括溫度傳感器，以測量離開預(yù)熱器的冷卻劑流的溫度。
8.如權(quán)利要求7所述的冷卻劑調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其特征在于，加熱器響應(yīng)來自溫度傳感器的信號。
9.如權(quán)利要求1所述的冷卻劑調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其特征在于，該加熱器是電加熱器。
10.如權(quán)利要求1所述的冷卻劑調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)還包括補(bǔ)充流通路，該通路連接到儲槽中，以將額外的冷卻劑流從冷卻劑源供給到儲槽中。
11.如權(quán)利要求10所述的冷卻劑調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其特征在于，冷卻劑源是來自燃料電池系統(tǒng)的再循環(huán)流。
12.一種水調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其將水供給到至少一個燃料處理子系統(tǒng)，該水調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括儲水槽；供給水流的泵，該泵包括泵入口和泵出口；至少一個水預(yù)熱器，該預(yù)熱器連接到重整流中，以將熱量從重整流傳遞到水流中，該至少一個水預(yù)熱器包括連接到泵出口的進(jìn)水口和出水口；加熱器，該加熱器連接到出水口上，從而當(dāng)出水口的水流的溫度降到低于最低溫度時有選擇地將熱量加入到水流中，該加熱器包括用于水的加熱器入口和用于水的加熱器出口；至少一個出口流通路，其將一部分水流從加熱器出口供給到至少一個燃料處理子系統(tǒng)；以及回流通路，其使水流的剩余部分從加熱器出口返回到儲槽中。
13.如權(quán)利要求12所述的水調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其特征在于，泵以所需的流率供給水流。
14.如權(quán)利要求12所述的水調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其特征在于，泵以恒定的流率供給水流。
15.如權(quán)利要求13所述的水調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其特征在于，在正常工作條件下該部分的水流的流率小于所需的流率。
16.如權(quán)利要求12所述的水調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)還包括在加熱器下游的至少一個壓力調(diào)節(jié)器，以將到所述至少一個燃料處理子系統(tǒng)的該部分水流保持在所需的壓力上。
17.如權(quán)利要求12所述的水調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其特征在于，最低溫度是重整流的露點(diǎn)溫度。
18.如權(quán)利要求12所述的水調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)還包括溫度傳感器，以測量離開預(yù)熱器的水流的溫度。
19.如權(quán)利要求18所述的水調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其特征在于，加熱器響應(yīng)來自溫度傳感器的信號。
20.如權(quán)利要求12所述的水調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其特征在于，該加熱器是電加熱器。
21.如權(quán)利要求12所述的水調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)還包括補(bǔ)充流通路，該通路連接到儲槽中，以將額外的水流從水源供給到儲槽中。
22.如權(quán)利要求21所述的水調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其特征在于，水源是來自燃料電池系統(tǒng)的再循環(huán)流。
23.一種操作增壓液態(tài)冷卻劑供給的方法，該冷卻劑供給至少一個燃料處理子系統(tǒng)使用，該方法包括步驟使液態(tài)冷卻劑從冷卻劑儲存源流過冷卻劑預(yù)熱器的第一流動通路；使重整物流過冷卻劑預(yù)熱器的第二流動通路；將熱量從重整物傳遞到冷卻劑預(yù)熱器中的液態(tài)冷卻劑；使液態(tài)冷卻劑從冷卻劑預(yù)熱器流到加熱器中；當(dāng)液態(tài)冷卻劑的溫度降到低于最低溫度時，有選擇地在加熱器處將熱量加入到液態(tài)冷卻劑；使一部分液態(tài)冷卻劑流到所述至少一個燃料處理子系統(tǒng)中；以及使液態(tài)冷卻劑的剩余部分返回到儲存源中。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，該液態(tài)冷卻劑以所需的流率流過第一流動通路。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，在正常工作條件下該部分的液態(tài)冷卻劑的流率小于所需的流率。
26.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，該液態(tài)冷卻劑以恒定的流率流過第一流動通路。
27.如權(quán)利要求23所述的方法，該方法還包括調(diào)節(jié)加熱器下游的壓力的步驟，以將到所述至少一個燃料處理子系統(tǒng)的該部分冷卻劑流保持在所需的壓力上。
28.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，最低溫度是重整流的露點(diǎn)溫度。
29.如權(quán)利要求23所述的方法，該方法還包括測量離開預(yù)熱器的冷卻劑流的溫度的步驟。
30.如權(quán)利要求29所述的方法，該方法還包括使加熱器響應(yīng)離開預(yù)熱器的冷卻劑流的溫度的步驟。
31.如權(quán)利要求23所述的方法，該方法還包括使補(bǔ)充流從冷卻劑源流到冷卻劑儲存源中的步驟。
32.如權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于，冷卻劑源流自燃料電池系統(tǒng)的再循環(huán)流。
33.一種操作增壓液態(tài)水供給的方法，該水供給至少一個燃料處理子系統(tǒng)使用，該方法包括步驟使水從儲水源流過水預(yù)熱器的第一流動通路；使重整物流過水預(yù)熱器的第二流動通路；將熱量從重整物傳遞到水預(yù)熱器的水；使水從水預(yù)熱器流到加熱器；當(dāng)水的溫度降到低于最低溫度時，有選擇地在加熱器處將熱量加入到水中；使一部分水流到該至少一個燃料處理子系統(tǒng)；以及使水的剩余部分返回到儲存源中。
34.如權(quán)利要求33所述的方法，其特征在于，該水以所需的流率流過第一流動通路。
35.如權(quán)利要求34所述的方法，其特征在于，在正常工作條件下該部分水的流率小于所需的流率。
36.如權(quán)利要求33所述的方法，其特征在于，該水以恒定的流率流過第一流動通路。
37.如權(quán)利要求33所述的方法，該方法還包括調(diào)節(jié)加熱器下游的壓力的步驟，以將到所述至少一個燃料處理子系統(tǒng)的該部分水保持在所需的壓力上。
38.如權(quán)利要求33所述的方法，其特征在于，最低溫度是重整物的露點(diǎn)溫度。
39.如權(quán)利要求33所述的方法，該方法還包括測量離開預(yù)熱器的水的溫度的步驟。
40.如權(quán)利要求39所述的方法，該方法還包括使加熱器響應(yīng)離開預(yù)熱器的水的溫度的步驟。
41.如權(quán)利要求33所述的方法，該方法還包括使補(bǔ)充流從水源流到儲水源中的步驟。
42.如權(quán)利要求41所述的方法，其特征在于，水源流自燃料電池系統(tǒng)的再循環(huán)流。
全文摘要
一種冷卻劑調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)將冷卻劑流供給到燃料處理子系統(tǒng)中。冷卻劑調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括冷卻劑預(yù)熱器，其將熱量從重整流傳遞到冷卻劑流中；加熱器，其響應(yīng)冷卻劑流降到低于最低溫度而有選擇地將熱量加入到冷卻劑流中；至少一個出口流通路，其將一部分冷卻劑流供給到至少一個燃料處理子系統(tǒng)中；以及回流通路，其將冷卻劑流的剩余部分返回到儲槽中。冷卻劑調(diào)節(jié)系統(tǒng)可動態(tài)控制，以提供高于最低溫度的一部分冷卻劑流，從而減少或者防止重整流在接受該部分冷卻劑流的燃料處理子系統(tǒng)所選擇的部件中發(fā)生冷凝。
文檔編號C01B3/38GK1906788SQ200480040227
公開日2007年1月31日 申請日期2004年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月26日
發(fā)明者葉龍·瓦倫薩, 馬克·G·沃斯 申請人:穆丹制造公司