Brennstoffzellen wandeln Brennstoff
direkt in Energie durch eine chemische Reaktion um, die aus derselben
Menge an Kraftstoff im Vergleich zu herkömmlicher Verbrennung mehr Energie
erzielt. Bei einem auf reinem Wasserstoff oder einem auf Brennstoffreformer
basierenden Brennstoffzellensystem wird eine erhebliche Menge an
Wärmeenergie
zwischen Prozessfluiden und Umgebungsluft (wärme-) getauscht. Bei derartigen
Brennstoffzellensystemen kann ein verbesserter Wirkungsgrad erreicht
werden, wenn die überschüssige Wärme; die
durch das System erzeugt wird, verwendet wird. Demgemäß besteht
ein andauernder Bedarf, höhere
Gesamtsystemwirkungsgrade in kleinen hochintegrierten Brennstoffzellensystemen
zu erreichen.
Die vorliegende Erfindung ist auf
den oben erwähnten
Bedarf gerichtet, indem ein Satz von Wärmetauschern eines Brennstoffzellensystems
vorgesehen wird, der integrale Vorrichtungen zur Überführung von Wärmeenergie
in elektrische Energie umfasst, wie beispielsweise thermoelektrische,
thermionische und / oder thermophotovoltaische Vorrichtungen.
Es ist ein Brennstoffzellensystem
offenbart, das einen autothermen Reformer zur Erzeugung eines erhitzten
Reformates aus einer gelieferten Brennstoffmischung durch eine chemische
Reaktion und einen Wärmetauscher
in Fluidverbindung mit dem autothermen Reformer zur Aufnahme des
erhitzten Reformats umfasst. Das Brennstoffzellensystem umfasst
ferner ein thermoelektrisches Modul, das in thermischer Verbindung
mit zumindest einem Anteil des Wärmetauschers
angeordnet und derart ausgebildet ist, um Strom aus dem erhitzten
Reformat zu erzeugen.
Es ist ein anderes Brennstoffzellensystem
offenbart, das einen autothermen Reformer und einen Wärmetauscher
in Fluidverbindung mit dem autothermen Reformer umfasst. Der Wärmetauscher
strahlt Wärmeenergie
ab, wobei ein selektiver Emitter in thermischer Verbindung mit dem
Wärmetauscher
derart angeordnet ist, um Infrarotstrahlung aus der Wärmeenergie
zu erzeugen. Das Brennstoffzellensystem umfasst ferner einen photovoltaischen
Wandler, der dazu ausgebildet ist, die infrarote Strahlung in Elektrizität umzuwandeln.
Es ist ein noch weiteres Brennstoffzellensystem
offenbart, das ein thermophotovoltaisches Stromerzeugungsmodul umfasst,
das in thermischer Verbindung mit zumindest einem Anteil eines Wärmetauschers des
Brennstoffzellensystems angeordnet ist.
Es ist ein weiteres Brennstoffzellensystem
offenbart, das einen autothermen Reformer und einen Wärmetauscher
in Fluidverbindung mit dem autothermen Reformer umfasst. Das Brennstoffzellensystem
umfasst ferner ein Mittel zu Erzeugung von Elektrizität aus Wärmeenergie,
die von dem Wärmetauscher
nutzbar gemacht wird, wobei das Mittel zur Erzeugung von Elektrizität um zumindest
einen Anteil des Wärmetauschers herum
angeordnet ist.
Es ist ein weiteres Brennstoffzellensystem
offenbart, das eine Vielzahl von thermoelektrischen Wärmetauschern
umfasst, die derart ausgebildet sind, so dass sie jeweils Wärme von
einem Abgas von einer von mehreren Wärmequellen in dem Brennstoffzellensystem
aufnehmen können.
Jeder der thermoelektrischen Wärmetauscher
umfasst einen Wärmetauscher,
der das Abgas aufnimmt, ein thermoelektrisches Stromerzeugungsmodul
mit einer Vielzahl thermoelektrischer Elemente, die so verbunden
sind, dass sie eine erste Stirnfläche und eine zweite Stirnfläche bilden,
einen ersten elektrischen Isolator, dessen Vorderseite benachbart der
ersten Stirnfläche
der thermoelektrischen Elemente angeordnet ist, und einen zweiten
elektrischen Isolator, dessen Vorderseite benachbart der zweiten
Stirnfläche
der thermoelektrischen Elemente angeordnet ist. Der erste elektrische
Isolator besitzt eine Rückseite
benachbart einer Wärmeleitwand
des Wärmetauschers. Die
Wärmeleitwand
weist zu einem Heißfluiddurchgang
für das
Abgas, um eine heiße
Seite des Wärmetauschers
zu bilden, und der zweite elektrische Isolator besitzt eine Rückseite,
die zu einem Durchgang für
kaltes Fluid weist, um eine kalte Seite des Wärmetauschers zu bilden. Ein
Fluidrückführdurchgang
steht mit dem Durchgang für
kaltes Fluid in Verbindung, um zu ermöglichen, dass kaltes Fluid,
das aus einem Wärmetausch in
dem Wärmetauscher
erhitzt ist, in dem Brennstoffzellensystem verwendet werden kann.
Es ist ein weiteres Brennstoffzellensystem
offenbart, das einen autothermen Reaktor wie auch eine Vielzahl
thermoelektrischer Wärmetauscher
umfasst, die derart ausgebildet sind, so dass sie jeweils Wärme von
einem Abgas einer jeweiligen Komponente des Brennstoffzellensystems
empfangen können.
Jeder thermoelektrische Wärmetauscher
umfasst einen Wärmetauscher,
der das Abgas von der jeweiligen Komponente des Brennstoffzellensystems
aufnimmt, wie auch ein thermoelektrisches Stromerzeugungsmodul mit
einer Vielzahl thermoelektrischer Elemente, die so verbunden sind,
dass sie eine erste Stirnfläche
und eine zweite Stirnfläche
bilden. Ein erster elektrischer Isolator besitzt eine Vorderseite
benachbart der ersten Stirnfläche
der thermoelektrischen Elemente, und ein zweiter elektrischer Isolator
besitzt eine Vorderseite benachbart der zweiten Stirnfläche der
thermoelektrischen Elemente. Der erste elektrische Isolator besitzt
eine Rückseite
benachbart einer Wärmeleitwand
des Wärmetauschers.
Die Wärmeleitwand
weist zu einem Heißfluiddurchgang für das Abgas,
um eine heiße
Seite des Wärmetauschers
zu bilden, und der zweite elektrische Isolator besitzt eine Rückseite,
die zu einem Durchgang für
kaltes Fluid weist, um eine kalte Seite des Wärmetauschers zu bilden. Ein
Fluidrückführdurchgang
steht mit dem Durchgang für
kaltes Fluid in Verbindung, um zu ermöglichen, dass kaltes Fluid,
das aus einem Wärmeaustausch
in dem Wärmetauscher
erhitzt ist, in dem Brennstoffzellensystem verwendet werden kann.
Es ist ein Verfahren zum Betrieb
eines Brennstoffzellensystems offenbart, das umfasst, dass ein autothermer
Reformer betrieben wird, um ein Reformat mit Wärmeenergie zu erzeugen; das
Reformat an einen Wärmetauscher
in Fluidverbindung mit dem autothermen Reformer geliefert wird;
ein Anteil der Wärmeenergie des
Reformats in dem Wärme tauscher
nutzbar gemacht wird; und die Wärmeenergie
in Elektrizität
umgewandelt wird.
Es ist ebenfalls ein Verfahren zur
Erzeugung von Wärmeenergie
und elektrischer Energie offenbart, das umfasst, dass eine Brennstoffmischung
an einen autothermen Reaktor geliefert wird, um Reformat zu erzeugen.
Das Verfahren umfasst ferner, dass ein Temperaturunterschied über eine
Vorrichtung zur Überführung von
Wärmeenergie
in elektrische Energie erzeugt wird, um Elektrizität für Sekundärleistung
(engl. secondary power) zu erzeugen, und Komponenten der Brennstoffmischung
in einem Wärmetauscher
vorerhitzt werden. Das Vorerhitzen umfasst Wärme von dem Reformat, wobei
die Vorrichtung zur Überführung von
Wärmeenergie
in elektrische Energie in thermischer Verbindung mit dem Wärmetauscher
steht. Das Verfahren umfasst ferner, dass das Reformat an einen
Brennstoffzellenstapel geliefert wird, um Elektrizität für Primärleistung (engt.
primary power) und Sekundärwärme (engl.
secondary heat) zu erzeugen.
Diese und andere Merkmale und Vorteile
der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung einiger Ausführungsformen
der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen
besser verständlich.
Es sei angemerkt, dass der Schutzumfang der Ansprüche durch
seinen Wortlaut und nicht durch die spezifische Beschreibung von
Merkmalen und Vorteilen, die in der vorliegenden Beschreibung dargelegt
sind, definiert ist.
Die folgende detaillierte Beschreibung
der Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen
besser verständlich,
in denen gleiche oder ähnliche
Komponenten mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind, wobei:
1 eine
perspektivische Ansicht ist, die eine Ausführungsform eines thermoelektrischen
Stromerzeugungsmoduls zeigt;
2 ein
schematisches Blockschaubild einer Ausführungsform eines auf einem
Brennstoffprozessor basierenden Brennstoffzellensystems mit PrOx
und unter Verwendung thermoelektrischer Wärmetauscher gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
3 ein
schematisches Blockschaubild einer anderen Ausführungsform einer auf einem
Brennstoffprozessor basierenden Brennstoffzellensystems mit PSA
und unter Verwendung thermoelektrischer Wärmetauscher gemäß der vorliegenden
Erfindung ist; und
4 ein
schematisches Blockschaubild des Flusses von Wärmeenergie durch ein thermophotovoltaisches
Stromerzeugungsmodul ist, das zur Verwendung bei einer Ausführungsform
mit thermophotovoltaischem Wärmetauscher
gemäß der vorliegenden
Erfindung geeignet ist.
Für
Fachleute ist es offensichtlich, dass Elemente in den Figuren vereinfacht
und zur Verdeutlichung dargestellt und nicht unbedingt maßstabsgetreu
gezeichnet sind. Beispielsweise können die Abmessungen einiger
der Elemente in den Figuren bezüglich
anderer Elemente übertrieben
dargestellt sein, um ein Verständnis
der Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung zu verbessern.
1 ist
eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel einer Vorrichtung
zur Umwandlung von Wärmeenergie
in elektrische Energie und insbesondere ein thermoelektrisches (TE)
Stromerzeugungsmodul 10 zeigt, das bei der vorliegenden
Erfindung verwendet wird. Das TE-Stromerzeugungsmodul 10 ist
eine Festkörpervorrichtung,
die Elektrizität
als Funktion des Seebeck-Effekts erzeugt. Der Seebeck-Effekt ist
ein Phänomen,
bei dem eine thermoelektrische Stromerzeugung durch Elektrizität bewirkt
wird, die in bestimmten Materialien durch einen Temperaturunterschied
bewirkt wird.
Das TE-Stromerzeugungsmodul 10 erfordert
eine Wärmequelle
und eine Wärmesenke.
Die erzeugte elektrische Energie ist eine Funkti- on der Quellen-
und Senkentemperaturen (Th bzw. Tc), der Wärmemenge, die
von der Quelle zu der Senke fließt, und der Eigenschaften des
TE-Materials. Oftmals
wird der Begriff "thermoelektrische
Güteziffer,
ZT" verwendet, um
die Leistungsfähigkeit
des TE-Materials quantitativ zu bestimmen. Hierbei gilt: ZT = ∀2T/Δ8,
wobei ∀ der
Seebeck-Koeffizient ist, T die durchschnittliche Temperatur (absolut)
ist, Δ der
spezifische elektrische Widerstand ist und 8 die thermische Leitfähigkeit
ist. Der Wirkungsgrad bzw. die Effizienz des TE-Stromerzeugungsmoduls 10 kann
dann aus der Beziehung bestimmt werden: 0 = [(∃–1)/(∃+1)] [(Th-Tc)/Th], wobei ∃ =(1 +
ZT)½.
Daher nimmt der Wirkungsgrad allgemein mit zunehmender Th und abnehmender Tc zu.
Typische Werte für kommerziell erhältliche
thermoelektrische Grundmaterialien in dem interessierenden Temperaturbereich
(90°C bis
700°C) liegen
zwischen etwa 0,9 bis etwa 1,4. Diese umfassen Bismuth-Tellurid (Bi2Te3),
Silicium-Germanium (SiGe), Blei-Tellurid (PbTe) sowie Zink-Cadmium-Antimon
(Zns.aCdo.sSbs ). Es ist gezeigt worden, dass ge füllte Skuderit-Materialien
(engl. filled-skuderite materials), wie beispielsweise CeFe3.5Co0.5Sb12, ZT-Werte von bis zu etwa 1,8 besitzen.
Kürzlich
haben nanostrukturierte (dünnfilmbeschichtete)
thermoelektrische Materialien, die Übergitter-Heterostrukturen
umfassen, wie beispielsweise BiTe3/Sb2Te3 vom p-Typ und
Bi2Te3/Bi2Te2.83Se0.17 vom n-Typ wie auch "Quantentopf"-Materialien (engl. quantum well materials),
wie beispielsweise PbSe0.98Te0.02/PbRTe und B4C/B9C (P-Typ) mit Si/SiGe (n-Typ) ZT-Werte von etwa 1,4
bis 4 gezeigt. Es werden weitere Verfeinerungen bei nanostrukturierten
TE-Materialien durchgeführt,
um ZT-Werte von etwa 8 zu erzielen, die Wirkungsgraden zur Umwandlung
von Wärmeenergie
in elektrische Energie von etwa 50 % des entsprechenden Potentials
des Carnot-Wirkungsgrades entsprechen. Beispielsweise würde ein
System mit Th = 300°C, Tc =
50°C einen
Carnot-Wirkungsgrad von eff = 100 %·(Th-Tc)/Th = 45 % besitzen. Bei einem Quantentopf-ZT
von 8 würde
das TE einen Wirkungsgrad von 22,5 % besitzen.
Wie erwähnt ist, verwendet das TE-Stromerzeugungsmodul 10 Halbleitermaterialien,
die gute Stromleiter sind. Diese Halbleiter sind stark dotiert,
um einen Überschuss
an Elektronen (N-Typ) oder einen Mangel an Elektronen (P-Typ) zu
erzeugen. Ein Halbleiter vom N-Typ entwickelt eine negative Ladung
auf der kalten Seite, und ein Halbleiter vom P-Typ entwickelt eine
positive Ladung auf der kalten Seite. Bei Verwendung bei der vorliegenden
Erfindung wandelt das TE-Stromerzeugungsmodul 10 einen
Anteil der Wärmenergie,
die durch jeden Wärmetauscher
in dem Brennstoffzellensystem fließt, effizient und kompakt in
elektrische Energie um. Diese elektrische Energie wird dazu verwendet,
die parasitären
Lasten bzw. Fremdlasten des Brennstoffzellensystems (Kompressor,
Gebläse,
Pumpen, etc.) zu verringern, wodurch die erzeugte elektrische Netto-Energie
wie auch der Netto-Systemwirkungsgrad
gesteigert wird.
Wie in 1 gezeigt
ist, besitzt das thermoelektrische Stromerzeugungsmodul 10 eine
Vielzahl thermoelektrischer Elemente 12, die aus Halbleitern
vom P-Typ und Halbleitern vom N-Typ bestehen. Die thermoelektrischen
(TE) Elemente 12 vom P-Typ und N-Typ sind kombiniert, um ein Modul 14 aus
thermoelektrischen Elementen zu bilden. Eine geeignete Dicke für die TE-Elemente 12 liegt
zwischen etwa 0,3 bis etwa 3 mm. Wie oben erwähnt ist, sind geeignete Materialien
für die
TE-Elemente gefüllte
Skuderit-Materialien (engl. filled-skuderite materials), Bismuth-Tellurid (Bi2Te3), Silicium-Germanium
(SiGe), Blei-Tellurid (PbTe), Zink-Cadmium-Antimon (Zn3.2Cd0.8Sb3) wie auch
nanostrukturierte (dünnfilmbeschichtete)
thermoelektrische Materialien, die Übergitter-Heterostrukturen umfassen, wie beispielsweise
BiTe3/Sb2Te3 vom p-Typ und Bi2Tes/Bi2Te2.83Se0.17 vom n-Typ wie auch "Quantentopf"-Materialien, wie beispielsweise PbSe0.98Te0.02/PbRTe und
B4C/B9C (P-Typ)
mit Si/Si0.8Ge0.2 (N-TyP).
An beiden Stirnflächen des Moduls 14 mit
thermoelektrischen Elementen sind Leiter oder Metallplatten 16 und 18 derart
angeordnet, dass die TE-Elemente 12, die abwechselnd aus
Halbleitern vom P-Typ und Halbleitern vom N-Typ hergestellt sind,
in Serie geschaltet sind. Anschließend werden elektrische Isolatoren 20 und 22 an
den Stirnflächen
des Moduls 14 mit thermoelektrischen Elementen vorgesehen,
die die Metallplatten 16 bzw. 18 abdecken. Bei einer Ausführungsform
sind die elektrischen Isolatoren 20 und 22 jeweils
eine Lage aus Aluminiumoxid. Bei anderen Ausführungsformen können elektrische
Isolatoren 20 und 22 Aluminiumoxid, Mica, Kapton,
Silpad, ein Polyamidfilm, ein dünner,
mit Silicium beschichteter Vinyl- oder Gummistreifen oder ein beliebiger
anderer elektrischer Isolator sein, der eine elektrische Leitfähigkeit
von Null wie auch eine hohe Wärmeübertragung
vorsieht.
Jeder elektrische Isolator 20 und 22 ist
neben einer jeweiligen Wärmeleitwand 24 und 26 eines
Wärmetauschers
vorgesehen. Zusätzlich
umfasst bei einer Ausführungsform
jede der Wärmeleitwände 24 und 26 eine
gerippte Struktur auf einer Seite und eine glatte, flache Oberfläche auf
der anderen Seite. Bei anderen Ausführungsformen können entweder
eine oder beide der Wärmeleitwände 24 und 26 glatte
und flache Oberflächen
besitzen. Bei diesen Ausführungsformen
ist eine der Wärmeleitwände oder
Wärmesenken,
beispielsweise 24, Abgas 25 von einer Komponente eines
Brennstoffzellensystems ausgesetzt, um eine heiße Seite des Wärmetauschers
zu bilden. Die andere Wärmeleitwand
oder Wärmesenke,
beispielsweise 26, weist zu einem kälteren Fluid 27, um eine kalte
Seite des Wärmetauschers
zu bilden. Obwohl das Abgas 25 und das kältere Fluid 27 so
gezeigt sind, als würden
sie gegenstromig zueinander strömen,
kann die vorliegende Erfindung auch mit Kreuzdurchfluss-Wärmetauschern
verwendet werden.
Wärmeleitwände oder
Wärmesenken 24 und 26 können beliebige
Materialien umfassen, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit, eine niedrige Wärmeausdehnungsrate
wie auch eine niedrige dielektrische Konstante vorsehen. Derartige
geeignete Wärmesenkenmaterialien
umfassen Aluminium, Stahl, Legierungen mit hohem Nickelgehalt oder
Superlegierungen, Kupfer, Kupfer-Wolfram (Cu-W), Kupfer-Molybdän, Aluminium-Siliciumcarbid
(Al-SiC), Aluminium-Silicium (Al-Si), Aluminiumnitrid-Keramiken
(AlN), BeO, CuCrNb, Wolfram-, Molybdän- und Niob-Legierungen, Diamant-Metall-Verbundstoffe
(DMC) und deren Kombinationen. Zwischen den Wärmesenken 24 und 26 der
jeweiligen elektrischen Isolatoren 20 und 24 kann
auch eine Lage einer Wärmeleitpaste
vorgesehen sein.
2 zeigt
eine Ausführungsform
eines auf einem Brennstoffprozessor basierenden Brennstoffzellensystems 28 und
eines Satzes von Wärmetauschern.
Jeder der gezeigten Wärmetauscherorte
ist mit zugeordneten thermoelektrischen (TE) Stromerzeugungsmodulen 10 integriert
bzw. kombiniert worden, um ergänzenden
elektrischen Strom zu erzeugen. Wie gezeigt, umfasst das Brennstoffzellensystem 28 einen
Einlass 30, einen autothermen Reformer (ATR) 32,
einen Wärmetauscher 34 zur Übertragung
von Wärme
von dem Reformat auf ATR-Wasserdampf und – Luft (Ref HX) wie auch einen
Reaktor 37 zur CO-Verringerung, wie beispielsweise Wasser-Gas-Shiftreaktoren
der ersten (WGS 1) 36 und zweiten (WGS 2) 38 Stufe.
Das Brennstoffzellensystem 28 umfasst ferner einen Verdampfer 40 zur
Verdampfung von Wasser durch Reformat (Ref/Vap), einen Verdampfer 42 zur
Verdampfung von Wasser durch selektive Oxidation (PrOx/ Vap), einen
Brennstoffzellenstapel 44, einen Wärmetauscher 46 zur Übertragung
von Wärme
von Stapelkühlmittel
an Umgebungsluft (Clnt HX), einen Brenner (Comb) 48 wie
auch einen Verdampfer 50 zur Verdampfung von Wasser durch
den Brenner (Comb/VAP). Der Satz von thermoelektrischen Wärmetauschern 34, 40, 42, 46 und 50 umfasst
einen Wärmetauscher
zur Übertragung
von Wärme
von dem Abgas, das eine oberstromige Komponente des Brennstoffzellensystems 28 verlässt, und
integrale TE-Stromerzeugungsmodule 10, um damit einen Anteil dieser Wärmeenergie
in elektrische Energie umzuwandeln.
Der Ref HX 34 umfasst einen Wärmetauscher
zur Übertragung
von Wärme
von dem Reformat, das den ATR 32 mit einer Austrittstemperatur
von 700 bis 750°C
verlässt,
und integrale TE-Strommodule 10, um damit einen Anteil dieser Wärmeenergie
in elektrische Energie umzuwandeln. Der Ref HX 34 verringert die
Reformattemperatur auf 300 bis 400°C für einen richtigen Betrieb des
unterstromigen Reaktors 37 zur Verringerung von CO. Ref
HX 34 verwendet den Wasserdampf und die Luft, die in den ATR eintreten,
als Kühlfluid.
Bei einer anderen Ausführungsform
kann verdampfendes Wasser ein alternatives Verfahren zur Wärmeentfernung darstellen.
Der Ref/Vap 40 umfasst einen Wärmetauscher
zur Übertragung
von Wärme
von dem Reformat, das den Reaktor 37 zur Verringerung von
CO mit einer Austrittstemperatur von 300 bis 400°C verlässt, und integrale TE-Strommodule
10, um damit einen Anteil dieser Wärmeenergie in elektrische Energie
umzuwandeln. Der Ref/Vap 40 verringert die Reformattemperatur auf
100 bis 200°C
zur End-CO-Reinigung über
einen TE-Reaktor 42 für
selektive bzw. bevorzugte Oxidation (PrOx) (2) oder auf 50 bis 100°C für eine Vorrichtung 52 zur
Druckwechselabsorption (PSA) (3).
Der Ref/Vap 40 verdampft das Wasser zur Verwendung in dem ATR 32.
Bei einer anderen Ausführungsform
würde eine
alternative Konstruktion Umgebungsluft als Kühlfluid verwenden.
Bei den Ausführungsformen für Brennstoffzellensysteme
unter Verwendung eines PrOx-Reaktors ist ein PrOX/Vap 42 in dem
Satz thermoelektrischer Wärmetauscher
enthalten. Der PrOx/Vap 42 umfasst einen Wärmetauscher zur Übertragung
von Wärme
von jeder PrOX-Stufe und integrale TE-Strommodule 10, um damit einen
Anteil dieser Wärmeenergie
in elektrische Energie umzuwandeln. Der PrOX/Vap 42 wird adiabatisch mit
einer Reformattemperatur von 150 bis 300°C betrieben. Der PrOX/Vap 42
verringert die Reformattemperatur auf 100 bis 200°C und verdampft
das Wasser, das in dem ATR 32 verwendet wird. Bei einer
anderen Ausführungsform
kann eine alternative Konstruktion Umgebungsluft als das Kühlfluid
verwenden. Zusätzlich
kann der PrOx/Vap 42 isotherm betrieben werden, was effektiv bedeutet,
dass der thermoelektrische Verdampfer mit dem PrOx-Katalysator auf
der Reformatseite (heißen
Seite) des Wärmetauschers
beschichtet wird.
Der Clnt Hx 46 umfasst einen Wärmetauscher
zur Übertragung
von Wärme
von dem Brennstoffzellenstapel 44 und integrale TE-Strommodule 10, um
damit einen Anteil dieser Wärmeenergie
in elektrische Energie umzuwandeln. Bei einer Ausführungsform
wird Wärme
von dem Stapel 44 über
ein Zwischen-Wärmeübertragungsfluid
entfernt, wie beispielsweise Wasser oder eine Mischung aus Wasser
und Glykol. Anschließend
wird Wärme
von diesem Fluid auf Umgebungsluft über den Clnt Hx 46 übertragen.
Der Stapel 44 und das Wärmeübertragungsfluid
werden bei relativ hoher Temperatur (> 90°C)
betrieben, um den thermoelektrischen Wirkungsgrad zu maximieren
und die Größe wie auch
den Luftdurchfluss des Clnt Hx 46 zu minimieren.
Der Comb/Vap 50 umfasst einen Wärmetauscher
zur Übertragung
von Wärme
von dem Abgas, das den Brenner 48 mit einer Austrittstemperatur
von 300 bis 800°C
und bevorzugt 500 bis 600°C
verlässt,
und integrale TE-Strommodule (10), um einen Anteil dieser
Wärmeenergie
in elektrische Energie umzuwandeln. Der Comb/Vap 40 verdampft Wasser,
um Wasserdampf zur Stapelbefeuchtung oder Brennstoffverarbeitung vorzusehen.
Der Comb/Vap 50 sieht eine gleichförmige Niedertemperatur-Wärmesenke vor, die den Wirkungsgrad
der TE-Strommodule 10 erheblich erhöht. Infolge seines hohen Zweiphasen-Wärmeübertragungskoeffizienten
ist der Comb/Vap 50 auch typischerweise sehr kompakt. Bei
einer anderen Ausführungsform
kann eine alternative Konstruktion des Comb/Vap 50 Umgebungsluft
als das Kühlfluid
verwenden.
Es sei angemerkt, dass die elektrische
Energie, die in dem Brennstoffzellensystem 28 und insbesondere
dem Brenner 48 erzeugt wird, schneller verfügbar ist,
als die primäre
elektrische Energie von dem Brennstoffzellenstapel 44.
Eine derartige Energie wird bei einer Ausführungsform dazu verwendet,
die Startphase des Systems zu unterstützen. Wenn zusätzlich ein
Schaden eines Brennstoffzellenstapels 44 vorhanden wäre, wie
beispielsweise ein elektrischer Kurzschluss, liefert der Satz von
Wärmetauschern 34, 40, 42 und 50 des Brennstoffzellensystems
ein unabhängiges
Verfahren zur Erzeugung elektrischen Stromes.
Wie gezeigt ist, liefert ein Fluidversorgungsdurchgang 51 das
kalte Fluid 27 (1)
an jeden der thermoelektrischen Wärmetauscher 34, 40, 42, 46 und 50 und
erlaubt, dass das gekühlte
Fluid, das aus einem Wärmetausch
in dem Wärmetauscher
erhitzt ist, in anderen unterstromigen Komponenten des Brennstoffzellensystems
verwendet werden kann. Ein Abgasdurchgang 53 liefert erhitztes
Abgas von einer Wärmequellenkomponente,
beispielsweise dem ATR 32, dem WGS 36 und 38 und
dem Stapel 44 und dem Brenner 48 des Brennstoffzellensystems
an einen jeweiligen oberstromigen TE HX.
Es sei angemerkt, dass die thermoelektrischen
Elemente 14 so ausgebildet sind, dass sie einen DC-Spannungsausgang
vorsehen, der mit den Anforderungen der parasitären elektrischen Lasten des
Brennstoffzellensystems übereinstimmt.
Diese Übereinstimmung
erlaubt einen kleineren DC-DC-Wandler für den Stapel, Einsparungen
hinsichtlich der Masse, dem Volumen, der Energie wie auch den Kosten.
Bei einer Ausführungsform
ist die Vielzahl von TE-Stromerzeugungsmodulen 10 in Serie
derart angeordnet, dass die erzeugte Spannung mit den wesentlichen
elektrischen Fahrzeugzusatzlasten übereinstimmt, wie beispielsweise dem
Kühlergebläse, den
Pumpen, sonstigen Lüftern
und dergleichen. Daher tritt kein DC-DC-Umwandlungsverlust auf.
Die Einsparungen an dem System sind sogar noch größer, da
die erzeugte Menge an elektrischem Strom nicht durch den DC-DC-Wandler
hindurchgeführt
werden muss, der dazu verwendet wird, die hohe Stapelspannung (typischerweise > 100 Volt) auf das
niedrigere Zusatzniveau (typischerweise 12 oder 42 Volt) herunter
zu transformieren.
Wie in 2 und
Tabelle 1 gezeigt ist, existieren verschiedene Plätze in dem
Brennstoffzellensystem, an denen eine große Wärmeenergie übertragen werden kann. Es wurde
eine Pinch-Analyse an dem Brennstoffzellensystem 28 durchgeführt, um
die Menge an Abwärme
zu minimieren und den bzw. die optimalen Orte zur Integration der
thermoelektrischen Stromerzeugungsmodule 10 zu wählen. Tabelle
1 liefert zusätzliche
Information über
jeden thermoelektrischen Wärmetauscher
(TE HX) 34, 40, 42, 46 und 50 und
die geschätzte elektrische
Energie, die über
Integration geeigneter thermoelektrischer Materialien erzeugt wird.
Bei dem gezeigten Beispiel basieren
die Werte auf einem Benzin-Brennstoffzellensystem mit einer Spitzenleistung
von etwa 150 kW Brennstoff, 120 kW Wasserstoff, 65 kW elektrischer
Bruttoleistung und 50 kW elektrischer Nettoleistung (vor Integration
der thermoelektrischen Vorrichtungen). Ein derartiges Brennstoffzellensystem
besitzt eine geeignete Größe für kleinere
oder mittlere Kraftfahrzeuge.
Wie aus Tabelle 1 ersichtlich ist,
ist der TE-Wärmetauscher
mit dem größten TE-Wirkungsgrad
und dem größten Potential
zur Erzeugung elektrischer Energie der Wasserdampfer 50 an
dem Ausgang des Brenners 48. Der Wasserverdampfer 50 wird
dazu verwendet, in etwa die Hälfte
des Wasserdampfes zu erzeugen, der von dem Brennstoffprozessor (ATR
und WGS) benötigt
wird. Ein Grund, warum der Wirkungsgrad so hoch ist (8 %), besteht
darin, dass die kalte Seite bei eirier relativ niedrigen Temperatur,
die der Wasserverdampfungstemperatur (etwa 120°C abhängig von dem Systemdruck) entspricht,
fixiert bleibt. Ein hoher Zweiphasen-Wärmeübertragungskoeffizient erlaubt
einen großen
Energieübergang
in einer relativ kleinen Masse und einem relativ kleinen Volumen.
Derzeitige Comp/Vaps 50 besitzen
eine spezifische Wärmeübertragungskapazität von 5
kWth/kg und 10 kWth/L.
Die Masse und das Volumen nehmen nicht nur über die thermoelektrischen
Elemente (zwischen den Heiß-
und Kaltfluiddurchgängen)
zu, sondern auch durch einen Zusatz eines kleinen Wärmetauschers (HX)
unterstromig des TE HX 50, um den Wärmewiderstand der TE-Elemente 12 zu
kompensieren. Die Gesamtmassen- und Volumenzunahme ist in Tabelle
1 gezeigt. Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, dass die geschätzte Menge
an TE-Elementen 12, die dazu benötigt werden, um 1,6 kWe in
einem Brennstoffzellensystem mit 50 kWe zu erzeugen, etwa 0,3 m2 beträgt.
Der Verdampfer 40 zur Verdampfung
von Wasser durch Reformat nach dem WGS 38 der zweiten Stufe
wie auch der Verdampfer 42 zur Verdampfung von Wasser durch
PrOx sind infolge des hohen Zweiphasen-Wärmeübertragungskoeffizienten auf
der kalten Seite auch kompakt. Die kleinere thermoelektrische Güteziffer
wie auch der kleinere Wirkungsgrad lassen sich auf die niedrigere
Betriebstemperatur zurückführen. Der
Wärmetauscher 34 zur Übertragung
von Wärme
von dem Reformat auf den ATR-Wasserdampf und -Luft ist ein Gas/Gas-Wärmetauscher. Sowohl die heiße Seite
als auch die kalte Seite besitzen relative niedrige Wärmeübertragungskoeffizienten
und sind großen
Temperaturänderungen
ausgesetzt. Daher ist die durchschnittliche Temperaturdifferenz
(Th-Tc) relativ klein, was in einem moderaten Wirkungsgrad von 4
% und einer wesentlichen Menge an TE-Material 12 resultiert.
Schließlich ist der Wärmetauscher 46 zur Übertragung
von Wärme
von dem Stapelkühlmittel
auf Umgebungsluft der Wärmetauscher
mit der kältesten
Temperatur und der niedrigsten thermoelektrischen Güteziffer
und einem Wirkungsgrad von 1,5 %. Er benötigt auch das meiste TE-Material 12.
Jedoch ist er infolge der großen
Wärmemenge,
die durch diesen Wärmetauscher
abgegeben wird, hinsichtlich des Brenners/Verdampfers bei der erzeugten
elektrischen Gesamtleistung nur der zweite.
Die Energiedichte jedes thermoelektrischen
Stromerzeugungsmoduls 10 mit seinen zugeordneten Wärmetauschern
beträgt
etwa 0,01 bis etwa 0,15 W/cm2 entsprechend
einer Temperaturdifferenz zwischen den elektrischen Isolatoren 20 und 22 (1). Zusammengenom men werden
etwa 4,8 kW elektrische Energie bei normalen Betriebstemperaturen
erzeugt.
Es sei angemerkt, dass der größte Teil,
wenn nicht die gesamte Energie aus einer Verringerung der Abwärme kommt,
die an die Umgebung abgegeben wird. Bei dem gezeigten Beispiel erhöht eine
Umwandlung dieser Abwärmeenergie
in 4,8 kW an elektrischer Energie über die Vielzahl von TE-Stromerzeugungsmodulen 10 den
Nettosystemwirkungsgrad von 0 = 100 % · (elektrische Energie) /
(Brennstoffenergie) = 100 % (50 kW) / (150 kW) = 33 % auf 100 % · (54,8
kW) / (150 kW) = 37 %. Obwohl dieser Wirkungsgrad von 37 % eine
perfekte thermische Integration annimmt, kann ein Verlust an Energie
in dem Brennstoffzellensystem 10 über thermoelektrische Entnahme
mit einer nahezu gleichen Menge an Brennstoffenergie, die dem ATR 32 hinzugesetzt
wird, kompensiert werden.
Beispielsweise kommen etwa 3,7 kW
elektrische Energie von dem TH HX 34, 40, 42 und 50 bei
dem gezeigten Beispiel von Tabelle 1. Wenn diese verlorene Energie über Brennstoffenergie
kompensiert werden müsste,
würde der
Nettosystemwirkungsgrad betragen: 0 von etwa 100 % · (elektrische
Energie) / (Brennstoffenergie) = 100 % · (53,7 kW) / (153,7 kW) =
35 %. Daher zeigt abhängig
von dem Niveau der thermischen Integration das gezeigte System mit
50 kWe eine Erhöhung
des Nettowirkungsgrades von 33 % ohne TE-Integration auf 35 % bis
37 % mit TE-Integration. Demgemäß sieht
in dem Brennstoffzellensystem 28 eine wieder integrierte
Wärme eine
Nettoverstärkung
des Wirkungsgrades vor. Zusätzlich
kann durch Zusatz von Wärmetauscheroberfläche diese
zusätzliche
Brennstoffenergie auf einem Minimum gehalten werden, die sich dem Wert
der erzeugten elektrischen TE-Energie annähert.
Es existieren noch viele mögliche Alternativen
hinsichtlich des gezeigten Brennstoffzellensystems, das in 2 gezeigt ist. 3 zeigt eine derartige Alternative.
Anstelle des PrOx 42, der in dem Brennstoffzellensystem 10 von 2 verwendet ist, verwendet
das System von 3 einen
Druckwechselabsorber (PSA) 52 zur Kohlenmonoxidreinigung
(CO-Reinigung).
Obwohl der PrOx-Wasserverdampfer 42 und die zugehörigen TE-Stromerzeugungsmodule 10 beseitigt
sind, steigt die Leistung des Brenners 48 infolge des zusätzlichen Wasserstoffes
von dem Abgas des PSA 52. Dies erhöht seinerseits die elektrische
Energie von dem TE-Verdampfer 50 zur
Verdampfung von Wasser durch Brennerabgas.
Allgemein könnte, wenn es erwünscht ist,
weniger Wasser in dem Brennstoffprozessor zu verwenden, einer oder
mehrere der Wasserverdampfer 40, 42 und / oder
50 Umgebungsluft oder Prozessluft (ATR-Luft) als das Fluid der kalten Seite
verwenden. Alternativ dazu könnte
der Reformat-HX 34 über
Wasserverdampfung gekühlt
werden, obwohl daraus wahrscheinlich eine Verringerung des Wirkungsgrades
des Brennstoffprozessors resultieren würde. Zusätzlich könnte das einphasige Wasser
oder die einphasige Wasser/ Glykol-Mischung, die allgemein als das
Stapelkühlmittel
in dem Clnt HX 46 verwendet werden, mit einem zweiphasigen
Fluid ersetzt werden, das Wasser für Hochtemperaturstapel umfasst.
Dies könnte
den Wirkungsgrad dieser TE-Anwendung verbessern, indem eine gleichförmigere
Temperatur der kalten Seite erreicht wird, und könnte die Kompaktheit des TE
HX verbessern, indem der Wärmeübertragungskoeffizient
auf der kalten Seite erhöht
wird.
Selbstverständlich könnte entweder der Brennstoffreformer
als eine Wasserstofferzeugungseinheit oder der Brennstoffzellenstapel,
der durch reinen Wasserstoff beliefert wird, separat betrieben werden.
Es können
verschiedene Brennstoffe in dem Brennstoffprozessor verwendet werden,
wie beispielsweise Benzin, Erdgas, Methanol und Ethanol. Zusätzlich zu
Kraftfahrzeug- oder anderen mobilen Anwendungen könnte eine breite
Vielzahl stationärer
Anwendungen einen Nutzen aus den oben beschriebenen Erfindungen
ziehen.
Schließlich können zusätzlich zu dem thermoelektrischen
Stromerzeugungsmodul 10, das oben erwähnt ist, andere Verfahren zur Überführung von
Wärmeenergie
direkt in elektrische Energie entwickelt werden, die auf eine ähnliche
Art und Weise verwendet werden können.
Diese umfassen Alkali-Metall-Wandler zur Umwandlung von Wärme in Elektrizität (AMTEC),
thermionische Wandler und thermophotovoltaische Wandler. Diese Vorrichtungen
sind kommerziell nicht verfügbar
und erfordern typischerweise hohe Temperaturen für einen effizienten Betrieb
(> 500°C). Jüngste Fortschritte
haben jedoch die Minimaltemperatur in den Bereich von 300°C abgesenkt,
wodurch diese als Kandidaten für
den TE HC 34, 50 und möglicherweise 40 in Frage kommen
können.
Beispielsweise kann bei einer alternativen
Ausführungsform,
die in 4 gezeigt ist,
anstelle der Verwendung thermoelektrischer Elemente ein selektiver
Emitter 60 vorgesehen werden. Der selektive Emitter 60 steht
dabei in thermischer Verbindung mit einer Wärmequelle, wie z B. einer Wärmeleitwand 24 von
zumindest einem der Wärmetauscher,
die ausreichend Wärme
vorsieht, wie beispielsweise dem Ref HX 32, dem Ref/Vap 40,
dem PrOx/Vap 42 und dem Com/Vap 50 und / oder ATR 32.
Der selektive Emitter 60 emittiert Photonen (Licht) in
einem begrenzten Spektralband (oder Infrarotstrahlung) 62,
wenn er durch Abwärme
erhitzt wird, die von dem jeweiligen Wärmetauscher in dem Brennstoffzellensystem 28 abgestrahlt
wird. Die Lieferung von Wärmeenergie 64 an
den selektiven Emitter 60 resultiert in einer rückgeführten Strahlung 66 zu rück zu dem Wärmetauscher
und einer Wärmekonvektion 68,
die sich von der Oberfläche
des selektiven Emitters 60 ausbreitet. Obwohl ein Anteil
des Flusses der von dem selektiven Emitter 60 emittierten
Infrarotstrahlung 62 reflektiert 70 werden kann, fließt der größte Teil
der Infrarotstrahlung 62 durch einen photovoltaischen Wandler 72,
der einen Photostrom (oder Elektrizität) 74 erzeugt.
Der selektive Emitter 60 kann
ein photovoltaisches Material umfassen, das angeregte Photonen erzeugt,
wie beispielsweise Yttrium, Aluminium, Granat, Silicium, Kohlenstoff
und dergleichen, wie auch Kombinationen, die zumindest eines der
vorhergehenden Materialien umfassen. Auf der Wärmequellenseite 61 kann der
selektive Emitter 60 mit einem Dünnmetallsubstrat vorgesehen
sein, das Materialien umfasst oder mit Materialien beschichtet ist,
deren Strahlungs-Emissionsvermögen in einem
schmalen Spektralbereich bevorzugt maximal ist. Die Auswahl des
Materials ist abhängig
von der Betriebstemperatur des selektiven Emitters 60 und
kann durch Fachleute bestimmt werden. Diese Materialien umfassen
Seltenerdmetalle, wie beispielsweise Erbium, Thulium, Holmium wie
auch Gallium, Antimon, Indium, Arsen, Aluminium, Kobalt, Platin,
Radium und dergleichen, wie auch Legierungen, Oxide und Kombinationen,
die zumindest eines der vorhergehenden Materialien umfassen. Diese
Materialien reflektieren bevorzugt die Breitbandstrahlung, die durch
die Wärmequelle
erzeugt wird.
Der selektive Emitter 60 könnte aus
Materialien mit einem Bandspalt hergestellt werden, der der Wellenlänge des
Durchflusses von Wärmeenergie 64 entspricht.
Typischerweise können
Elektronen in dem Valenzband eines Atoms nicht von dem Atom entweichen.
Wenn jedoch ein Infrarot-Photon, das die richtige Energiemenge umfasst,
auf ein Atom auftrifft, kann ein Elektron in das Leitungsband angehoben
werden und fließen.
Die Menge an Energie, die benötigt
wird, um ein Elektron zu befreien, hängt von der elektrischen Eigenschaft
ab, die als der Bandspalt bekannt ist. Ein kleiner Bandspalt maximiert
eine Lichtabsorption und daher den Ausgangsstrom, während ein
großer
Bandspalt eine Ausgangsspannung maximiert. Daher kann ein photovoltaischer
Wandler mit kleinem Bandspalt, d.h. etwa 0,55 Elektronenvolt (eV)
bis etwa 1,1 eV höhere
Wirkungsgrade erreichen.
Der selektive Emitter 60 transformiert
Wärme,
die durch diesen adsorbiert wird, in Infrarotstrahlung 62, die
durch photovoltaische Wandler 72 effizient umgewandelt
werden kann. Es kann eine vernachlässigbare Menge an Infrarotstrahlung
unterhalb des effektiven Bandspaltes der photovoltaischen Wandler 72 erzeugt und
von dem System verbreitet werden. Wärmeenergie 64 wird
durch den selektiven Emitter 60 abgefangen, der seinerseits
Strahlung 62 erzeugt, die durch die photovoltaischen Wandler 72 in
Elektrizität 74 umgewandelt wird.
Die photovoltaischen Wandler 72 umfassen
bevorzugt ein Material, das so ausgebildet ist, dass es mit dem
Emissionsspektrum des selektiven Emitters 60 übereinstimmt.
Diese Materialien können
aus Materialien gewählt
werden, die in den Gruppen III bis IV in dem Periodensystem enthalten
sind, und umfassen bevorzugt Indium, Gallium, Arsen, Antimon, Phosphor
und dergleichen, wie auch Legierungen, Oxide und Kombinationen,
die zumindest eines der vorhergehenden Materialien umfassen.
Der selektive Emitter 60 wie
auch eine Serie von photovoltaischen Zellen (oder Wandlern) 72 kann
als ein thermophotovoltaisches Stromerzeugungsmodul 76 vorgesehen
sein, um Wärmestrahlung
von der Wärmequelle
durch photovoltaische Erzeugung in Elektrizität zu überführen. Die durch das thermophotovoltaische Stromerzeugungsmodul 76 erzeugte
Elektrizität
kann dazu verwendet werden, eine Stromquelle für das Brennstoffzellensystem
oder andere vorzusehen.
Die Wärmequelle liefert Wärmeenergie
in der Form von Abwärme
von dem Brennstoffzellensystem 28 zur Rückgewinnung durch das thermophotovoltaische
Stromerzeugungsmodul 76 zur Verarbeitung in Elektrizität. Das Brennstoffzellensystem 28 kann
eine Lieferung von Wärmeenergie 64 bis
zu etwa 800°C
an das thermophotovoltaische Stromerzeugungsmodul 76 vorsehen.
Infolge der Nähe der Wärmequelle (beispielsweise Ref
HX 34, Ref/Vap 40, Comb/Vap 50) zu dem photovoltaischen Wandler 72 kann
der Wirkungsgrad der Isolierung aufgrund des bidirektionalen Austauschs
der Strahlung zwischen der Wärmequelle
und dem thermophotovoltaischen Stromerzeugungsmodul 76 größer als 80
% sein. Somit kann der rückgeführte Strahlungsfluss 66 von
der Wärmequelle
wiederverwendet werden, die ihrerseits mehr Wärmeenergie zur Verwendung durch
das thermophotovoltaische Stromerzeugungsmodul 76 erzeugt,
um elektrische Energie zu erzeugen. Bei der alternativen Ausführungsform
kann zumindest einer der Wärmetauscher
in dem Brennstoffzellensystem 28 von dem thermophotovoltaischen
Stromerzeugungsmodul 76 und optional einer zusätzlichen
Lage eines nicht-thermophotovoltaischen Materials 78 umgeben (oder
in dieses eingeschlossen) sein.
Während
die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen
beschrieben worden ist, sei zu verstehen, dass zahlreiche Änderungen
innerhalb des Schutzumfanges der beschrie benen erfinderischen Konzepte
möglich
sind. Insbesondere sei zu verstehen, dass, obwohl der Satz von TE HXs
hinsichtlich einer Verwendung in einem autothermen Brennstoffzellensystem
für Kohlenwasserstoffe
beschrieben worden ist, die hier ausgeführten Prinzipien gleichermaßen auf
Brennstoffzellensysteme anwendbar sind, die durch andere endotherm
reformierbare Brennstoffe beliefert werden, wie beispielsweise Methanol, Ethanol
oder fossile Brennstoffe (beispielsweise Methan oder Erdgas).
Zusätzlich können, obwohl der Satz von TE
HXs als Teil eines Brennstoffprozessors gezeigt worden ist; der
einen Wasser-Gas-Shift-Reaktor
wie auch einen Endstufenreiniger (d.h. PrOx-Reaktor oder Druckwechselabsorber)
umfasst, andere Mechanismen und Anordnungen zur Verringerung von
CO verwendet werden. Demgemäß ist davon
auszugehen, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen
beschränkt
ist, sondern ihr vollständiger
Schutzumfang nur durch den Wortlaut der folgenden Ansprüche definiert ist.
Zusammengefasst ist ein Satz von
Wärmetauschern
für ein
Brennstoffzellensystem offenbart, die Vorrichtungen zur Überführung von
Wärme in
Elektrizität
umfassen. Diese Vorrichtungen wandeln einen Anteil der Wärmeenergie,
die durch jeden Wärmetauscher
fließt,
in elektrische Energie um. Es sind auch Verfahren zum Betrieb des
Brennstoffzellensystems offenbart.
