JP2007519205A - 燃料プロセス処理サブシステムのための冷却材コンディショニングシステム及び方法 - Google Patents

燃料プロセス処理サブシステムのための冷却材コンディショニングシステム及び方法 Download PDF

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Abstract

冷却材流れを燃料プロセス処理サブシステムに供給するための冷却材コンディショニングシステムが提供される。冷却材コンディショニングシステムには、リフォーメートからの熱を冷却材流れに移行させるための冷却材プレヒーターと、冷却材流れの温度が最低温度以下に低下するのに応答して冷却材流れに選択的に熱を追加するためのヒーターと、少なくとも一つの燃料プロセス処理サブシステムに冷却材流れの一部分を提供するための少なくとも一つの出口流路と、冷却材流れの残余部分を貯蔵タンクに戻すための戻り流路と、が含まれる。冷却材コンディショニングシステムは、冷却材流れの一部分の温度を最低温度以上とし、それにより、燃料プロセス処理サブシステムの、冷却材流れの前記一部分を受ける選択された構成部品内でのリフォーメート流れの凝縮を低減あるいは防止するべく動的に制御自在である。

Description

本発明は、燃料電池システム用の燃料プロセス処理サブシステムのための冷却材システムに関し、詳しくは、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池システムのようなポリマー電解質燃料電池システムの如き燃料電池システムのためのリフォーメート流れのための水コンディショニングシステムに関する。
ＰＥＭ燃料電池システムの多くでは、メタンあるいは類似の炭化水素の如き燃料が、燃料電池の陽極側のための水素富化流れに変換され、加湿された天然ガス（メタン）及び空気が、燃料電池システムの燃料プロセス処理サブシステムによって、リフォーメートとして知られる水素リッチ流れに化学変換されるものが多い。この変換は、改質装置内で触媒によって炭化水素燃料から水素が釈放されることにより生じる。改質装置の一般的な形式のものは、空気と蒸気とを酸化反応体として用いるオートサーマル改質炉（Ａｕｔｏ−ｔｈｅｒｍａｌ Ｒｅａｃｔｏｒ：以下、“ＡＴＲ”）である。水素が遊離するに従い有意量の一酸化炭素（ＣＯ）が発生するが、その量はＰＥＭ膜の汚染を防止するための低レベル（代表的には１０ｐｐｍ未満）に減少されるべきである。
触媒改質プロセスは、関連する水性ガスシフト反応［ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ2，ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2］を伴う酸素性反応及び又は部分酸化反応［ＣＨ4＋1/2Ｏ2→ＣＯ＋２Ｈ2］からなり、リフォーメート流れからは水性ガスシフト反応により幾分かのＣＯが除去されるが、リフォーメート流れ全体としてはある量のＣＯが常に含有され、その量は改質プロセスを行う場所の温度に依存する。初期の反応後、リフォーメート流れ中のＣＯの濃度レベルはＰＥＭ燃料電池のために受け入れ可能なそれを大きく上回る。ＣＯの濃度レベルを受け入れ可能なレベルに低下させるために、一般に、燃料プロセス処理サブシステム中で幾つかの触媒反応を用いてリフォーメート流れ中のＣＯが除去される。リフォーメート流れ中のＣＯの濃度レベルを低減させるための代表的な反応には、先に説明した水性ガスシフト反応のみならず、貴金属触媒を介しての選択酸化反応（リフォーメート流れ中への少量の空気付加を伴う）が含まれる。一般に、リフォーメート流れ中のＣＯの濃度レベルを受け入れ可能なレベルとするためには何段階かのＣＯ除去ステージが必要であり、各ＣＯ除去ステージではリフォーメートの温度を、所望の触媒反応が生じ且つ貴金属触媒の装填量が最小化され得るような厳密な温度範囲に低下させる必要がある。
各ＣＯ除去ステージでのリフォーメートの温度を制御するために、ガス冷却式の熱交換器と比較して小型であるという理由から、液冷式の熱交換器がしばしば用いられる。燃料プロセス処理サブシステムに入る水を改質反応用の蒸気に変換させるべく加熱する必要があることから、熱効率的には、この水を、ＣＯ除去に先立ってリフォーメート流れを冷却する熱交換器のための液体冷却剤として使用するのが良いが、それを実現するのは困難である。
例えば、一般に液体冷却材の温度は冷却するべきリフォーメートの温度よりもずっと低いので、仮にプロセス水が液体冷却材である場合は特に、リフォーメート流れ中に凝縮が生じ得るという問題がある。この問題は、リフォーメート流れ中で凝縮した例えば水のような液体は、燃料プロセス処理サブシステム内のＣＯ除去ユニット或いは水素純化ユニットで用いられる触媒を不活性化させ得ることから、極めて重要である。
燃料プロセス処理用サブシステムのための冷却材コンディショニングシステム及び方法を提供することである。
本発明の一形態によれば、冷却材を燃料電池システムの少なくとも一つの燃料プロセス処理サブシステムに送るための冷却材コンディショニングシステムが提供される。冷却材コンディショニングシステムには、冷却材貯蔵タンクと、液体冷却材流れを送るためのポンプとが含まれる。冷却材コンディショニングシステムには、リフォーメート流れの熱を冷却材流れに移行させるべくリフォーメート流れに連結され、冷却材入口及び冷却材出口を有する少なくとも一つの冷却材プレヒーターが更に含まれる。冷却材コンディショニングシステムは、冷却材出口位置での冷却材流れの温度が最低温度以下に低下した場合に冷却材流れを選択的に加温するために冷却材出口に結合され、冷却材のためのヒーター入口と、冷却材のためのヒーター出口とを含むヒーターをも含んでいる。冷却材コンディショニングシステムは、冷却材流れの一部分をヒーター出口から少なくとも一つの燃料プロセス処理サブシステムに提供するための少なくとも一つの出口流路流と、冷却材流れの残部をヒーター出口から貯蔵タンクに戻すための戻り流路とを更に含む。
冷却材の好ましい形態は水である。
本発明の１形態において、少なくとも一つの出口流路はヒーター出口からの冷却材流れを燃料プロセス処理サブシステムの熱交換器に提供する。
本発明の１形態において、冷却材コンディショニングシステムはヒーター出口からの冷却材流れの一部分を少なくとも一つのシフト反応炉及びまたは燃料プロセス処理サブシステムの選択酸化ユニットに提供する。
本発明の１形態において、ポンプは液体冷却材を所望の流れ量下に供給する。
本発明の１形態において、ポンプは液体冷却材を一定の流れ量下に供給する。
本発明の１形態において、通常運転条件下における冷却材流れ部分の流れ量はポンプにより提供される所望の流れ量未満である。
本発明の１形態において、冷却材コンディショニングシステムは、少なくとも一つの燃料プロセス処理サブシステムへの所望圧力下での冷却材流れ部分を維持するための、ヒーターの下流側の少なくとも一つの調圧装置を更に含む。
本発明の１形態において、最低温度はリフォーメート流れの露点温度である。
本発明の１形態において、冷却材コンディショニングシステムはプレヒーターを出る冷却材流れの温度を測定するための温度センサーを更に含む。
本発明の１形態において、ヒーターは温度センサーからの信号に応答する。
本発明の１形態において、ヒーターは電気ヒーターである。
本発明の１形態において、冷却材コンディショニングシステムの冷却材源から貯蔵タンクに追加的な冷却材流れを提供するための、貯蔵タンクに結合した補給流路を更に含む。
本発明の１形態において、冷却材源は燃料電池システムからの再循環流れである。
本発明の１形態によれば、燃料電池システムの少なくとも一つの燃料プロセス処理サブシステムと共に使用するために加圧冷却材源を運転するための方法が提供される。
本発明の１形態において、前記方法は、
冷却材を冷却材源から冷却材プレヒーターの第１流路を通して流動させること、
リフォーメートからの熱を冷却材プレヒーター内の冷却材に移行させること、
冷却材の温度が最低温度以下に低下した場合にヒーター位置で冷却材を選択的に加温すること、
冷却材の一部分を少なくとも一つの冷却材プロセス処理用ユニットに送り、冷却材の残部を貯蔵源に戻すこと、が含まれる。
本発明の１形態において、冷却材は水である。
本発明の１形態において、冷却材は第１流路を通して一定速度下に流動する。
本発明の１形態において、通常運転条件下における冷却材部分の流量は所望の流量未満である。
本発明の１形態において、前記方法には、ヒーターの下流側における圧力を調節して、少なくとも一つの燃料プロセス処理サブシステムに送られる冷却材部分の圧力を所望の圧力に維持することが更に含まれる。
本発明の１形態によれば、最低温度はリフォーメートの露点である。
本発明の１形態において、前記方法にはプレヒーターを出る冷却材の温度を測定する段階が更に含まれる。
本発明の１形態において、前記方法には、プレヒーターを出る冷却材の温度にヒーターを応答させる段階が更に含まれる。
本発明の１形態において、前記方法には、冷却材源から冷却材貯蔵源に補給流れを流動させる段階が更に含まれる。
本発明の１形態において、冷却材源は燃料電池システムの再循環流れから流動される。
本発明は数多くの異なる形態において実施可能であり、図面に例示されまた詳細な説明で説明される実施例は本発明を例示するものであって、これら実施例に限定されるものではない。
図１には、番号１２で略示される燃料プロセス処理サブシステムと共に使用するための、好ましい形態におけるプロセス水コンディショニングシステム８が示される。燃料プロセス処理サブシステム１２は、炭化水素流れ１６からリフォーメート流れ１４を生成し、このリフォーメート流れ１４を図示されないプロトン交換膜燃料電池システムで使用するべく、リフォーメート流れ１４中の一酸化炭素（ＣＯ）量を低下させる。ここで、“燃料流れ”とは、炭化水素流れ１６及びリフォーメート流れ１４の両方を意味するものとする。プロセス水コンディショニングシステム８は、燃料プロセス処理サブシステム１２への一つ以上のプロセス水出口流路１７を提供する。燃料プロセス処理サブシステム１２へのプロセス水出口流路１７の数は燃料プロセス処理サブシステム１２の条件に従い変更可能であり、僅か１つとすることも可能である。
リフォーメート流れ１４を、燃料プロセス処理サブシステム１２の次の構成部品で使用するために所望される温度範囲に冷却するための一対の熱交換器１８が、燃料プロセス処理サブシステム１２内で使用するために提供される。熱交換器１８は２台が示されるが、各熱交換器１８は相互には依存せず、独立して使用可能である。また、燃料プロセス処理サブシステム１２の必要に応じて任意数の熱交換器１８を用いることが出来る。例えば、ある燃料プロセス処理サブシステム１２で必要とされる熱交換器１８は１台であり、他の燃料プロセス処理サブシステム１２では３台以上の熱交換器１８が必要とされ得る。
例示した実施例では、燃料プロセス処理サブシステム１２にはＡＴＲ２０が含まれる。ＡＴＲ２０内で炭化水素流れ１６からリフォーメート流れ１４を生成させるために、一般的な、蒸気リフォーム及び触媒部分酸化法が使用される。反応は、酸素性反応、部分酸化、水性ガスシフト反応［ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ2，ＣＨ4＋1/2Ｏ2→ＣＯ＋２Ｈ2,ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2］から構成される。この触媒反応を生じさせるためには、反応体を、典型的には５００℃を越える高温に持ち来す必要がある。最初の反応に示されるように、過熱蒸気流れ２２が、ＡＴＲ２０に入る反応体の温度を部分的に上昇させるために使用される。燃料電池システムの為の大抵の燃料プロセス処理サブシステムにおけるように、過熱蒸気流れ２２を過熱させ及びまたは発生させるために必要な熱を、ヒーターのような外部熱源から、あるいは図１に示されるように、陽極テールガス流れ２６を燃焼させることによって追加し、この熱を熱交換器２４に移行させる必要がある。
上述した反応において示されるように、ＣＯは改質プロセスにおいて発生する。発生したＣＯは燃料電池に入る以前に除去する必要がある。なぜならＣＯは膜にとって有害であり、燃料電池性能やその寿命を制限するからである。改質反応において生じるＣＯ量は反応温度に大きく依存する。反応温度が高いと、反応により生じる燃料電池にとって有益な水素ガス量は増大するが有害なＣＯ量も増大する。有害なＣＯをリフォーメート流れ１４から除去するために、ＣＯ除去段階が用いられ得る。
図１に例示する実施例では、炭化水素流れ１６を使用してＡＴＲ２０内でリフォーメート流れ１４が生成され、次いで生成したリフォーメート流れ１４が少なくとも一つの水性ガスシフト反応炉２８に流動される。水性ガスシフト反応炉２８はリフォーメート流れ１４から更にＣＯを除去し、燃料電池システムで使用するための水素ガスを更に発生させる。水性ガスシフト反応炉２８は、水性ガスシフト反応[ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2］に示されるように水を必要とする。必要な水は水性ガスシフト反応を維持するために水性ガスシフト反応炉２８位置で追加され得る。この追加の水はプロセス水コンディショニングシステム８から出口流路１７を経て入手され得る。また、リフォーメート流れ１４から除去する有害なＣＯ量を更に多くするために複数の水性ガスシフト反応炉２８及び２９を使用することができる。
これらの複数の水性ガスシフト反応炉２８及び２９を通過した後においても、リフォーメート流れ１４には尚、有害なＣＯが過剰に含有されている。この有害なＣＯを更に除去するために、少なくとも一つの選択酸化器３０の如き追加の装置が使用され得る。選択酸化反応では代表的には、リフォーメート流れ１４に少量の空気を追加し、この選択酸化反応［ＣＯ＋1/2Ｏ2→ＣＯ2］が必要とする酸素を提供させる必要がある。選択酸化反応は代表的には、貴金属触媒に関して生じる。触媒反応を生じさせるためには、関連する熱交換器１８によって、リフォーメート流れ１４の温度を貴金属触媒の効率を最適化するための所望の温度範囲に低下させる必要がある。代表的には、選択酸化反応は１３０℃〜１８０℃の温度範囲で生じる。選択酸化反応の効率は、触媒に依存するずっと狭い温度範囲では一段と高まる。
リフォーメート流れ１４からＣＯを除去するために複数のユニットが必要となる場合がしばしばある。図１に例示するように、リフォーメート流れ１４からＣＯを除去するために、複数の熱交換器１８と、複数の選択酸化器３０、３１とが用いられる。この場合、代表的には、上流れ側（リフォーメート流れに関しての）の熱交換器１８内のプロセス水流れ部分の流量は下流側の熱交換器１８内のプロセス水流れ部分の流量よりもずっと大きい。なぜなら、上流れ側の熱交換器１８に流入するリフォーメート流れ１４の温度が、下流側の熱交換器１８に入るリフォーメート流れ１４の温度よりもずっと高いからである。一方の熱交換器１８で除去される熱量が他方の熱交換器で除去される熱量より多くとも、プロセス水流れ部分は番号４６で示すように燃料プロセス処理サブシステム１２内に好ましく再循環されて戻り、ＡＴＲ２０内で過熱蒸気流れ２２のために使用されることから、システム全体の熱効率には無関係である。
図１に示す実施例では、リフォーメート流れ１４中の有害なＣＯを、好ましくは１０ｐｐｍ未満の水準にまで除去するために、複数の選択酸化器３０及び３１が用いられ、相互に異なる所望の温度範囲において作動される。プロセス水流れ部分は出口流路１７を介して各リフォーメート冷却システム、即ち熱交換器１８に送られ、リフォーメート流れ１４を各選択酸化器３０、３１のための所望の温度範囲内に冷却する。
リフォーメート流れ１４と、出口流路１７からのプロセス水流れとの間の温度勾配が大きければ最良であるが、出口流路１７からのプロセス水流れ部分を最低温度あるいはそれ以上の温度に維持して、リフォーメート流れ中に水が凝縮しないようにすることが望ましい。この状況は、液体は、選択酸化器３０、３１内で一般に用いられる触媒を不活性化させることから必要となるものである。かくして、液体の水が選択酸化器３０、３１内の触媒と接触するとＣＯ除去反応の性能は低下する。
出口流路１７からのプロセス水流れ部分の温度を所望の温度範囲に維持するために、プロセス水コンディショニングシステム８と、本発明の方法とが使用される。プロセス水コンディショニングシステム８の詳細は図２に例示される。
ある好ましい実施例では、プロセス水源８０が、液体のプロセス水を、プロセス水貯蔵タンク８４のような好適なプロセス水貯蔵源に送るための補給流路８２を提供する。プロセス水流れ８５はプロセス水貯蔵タンク８４からポンプ入口８６に流動し、このプロセス水流れ８５をポンプ８８がポンプ出口９０を通して汲み上げる。ポンプ出口９０を出たプロセス水流れ８５は水プレヒーター９４のプレヒーター入口９２に入り、プロセス水流路９５を通して流動し、その間、リフォーメート流路９６を通過するリフォーメート流れ１４Ａにより加熱される。プレヒーター出口９７を出たプロセス水流れ８５はヒーター１００のヒーター入口９８に入り、このヒーター１００によりプロセス水流れ８５が、所望の最低温度以下である場合に選択的に加熱される。この点に関し、好ましい実施例ではプロセス水流れ８５の温度をヒーター１００の上流側あるいは下流側の何れかにおいて検出して温度信号をヒーター１００に提供し、プロセス水流れ８５を加熱する必要がある場合はこれを伝える温度センサー９９が配置される。あるいは、ヒーター１００には温度センサー９９に代えて、プロセス水流れ８５を選択的に加熱することによりプロセス水温度を調節するための図示されない内部サーモスタットが収納され得る。ヒーター１００を通過したプロセス水流れ８５はヒーター出口１０２からヒーター１００を出、次いで、少なくとも一つの部分流れ１０１と、残部流れ１０３とに分離され得る。図１及び２に示す実施例では、プロセス水流れ８５は、出口流路１７を介して５つの部分流れ１０１に分離され、残部流れ１０３が戻り流路１０４を経て貯蔵タンク８４に戻される。プロセス水流れ８５の部分流れ１０１は、複数の出口流路１７に更に分岐する一つの出口流路１７、あるいは追加的な出口流路１７に更に分岐する複数の出口流路１７を通してさえも、燃料プロセス処理サブシステム１２に送られ得る。図２に例示されるように、プロセス水流れ８５の残部流れ１０３は出口流路１７内の部分流れ１０１の圧力を所望の圧力に維持するために、背圧調節器１０６を通して流動することが好ましい。戻り流路１０４はプロセス水流れ８５の残部流れ１０３を背圧調節器１０６からプロセス水貯蔵タンク８４に送り、残部流れ１０３はこのプロセス水貯蔵タンク内でプロセス水源８０からの追加のプロセス水と結合される。
リフォーメート流れ１４に関するプレヒーター９４の位置は、燃料プロセス処理サブシステム１２の熱条件と、プロセス水コンディショニングシステム８の物理的設計形状とに従い変更することができる。例えば、図１に示されるように、プレヒーター９４は、第２選択酸化器３１を出るリフォーメート流れ１４Ａに関して第２選択酸化器３１の下流側に位置付けられる。この位置は当該実施例のためには最適なものである。それは、第２選択酸化器３１を出たリフォーメート流れ１４Ａは、このリフォーメート流れ１４Ａの温度が、選択酸化器３１に入るリフォーメート流れ１４Ａの温度よりも低いことが要求される図示されない燃料電池システムに流入することから、プロセス水コンディショニングシステム８の熱条件に拘わらず、リフォーメート流れ１４Ａを除熱する必要があるからであり、更には、第２選択酸化器３１を出る際のリフォーメート流れ１４Ａの温度がプロセス水流れ８５を加熱するために適した温度範囲である１３０〜１８０℃の範囲であるからであり、また、プレヒーター９４に入るプロセス水流れの入口温度がリフォーメート流れ１４Ａの露点以下であるためにプレヒーター９４内に凝縮が生じることから、プレヒーター９４は触媒よりも下流側に位置付けられることが好ましいからである。図１には燃料プロセス処理サブシステム１２のリフォーメート流れ１４に関するプレヒーター９４の好ましい位置が例示されるが、プレヒーターの位置はその他の位置とすることも可能である。例えば、プレヒーター９４は選択酸化器３０の前あるいは後、熱交換器１８の前あるいは後、水性ガスシフト反応炉２８及び２９の前あるいは後、あるいはＡＴＲ２０の前あるいは後に位置付けることができる。
プレヒーター９４と同様に、ヒーター１００の位置は特定の燃料プロセス処理サブシステム１２と、プロセス水コンディショニングシステム８の夫々の条件に従って変更することが可能であり、あるいはプレヒーター９４の全てに代替させ得る。図２に例示されるように、ヒーター１００はプレヒーター９４の直ぐ下流側に位置付けられるが、ヒーター１００はプレヒーター９４の上流側に、あるいは、ヒーター１００が貯蔵タンク８４と出口流路１７との間に位置付けられる限りにおいて、図示されない任意のその他のユニットの後に位置付けることができる。通常の非過渡的な運転条件下ではヒーター１００がプロセス水流れ８５を加熱する必要はなく、リフォーメート流れ１４Ａが、プロセス水流れ８５を所望される最低温度あるいはそれ以上の温度に維持するために十分な熱をプレヒーター９４に移行することが好ましい。かくして、好ましい実施例ではヒーター１００は過渡的な運転条件下においてのみ、プロセス水流れ８５を追加的に加熱するために必要とされる。そうした過渡的な運転条件には、燃料プロセス処理サブシステム１２が初期に始動される場合や、燃料プロセス処理サブシステム１２が高負荷及び低負荷の各設定間で切替えられる場合が含まれる。
更に、背圧調節器１０６は、プロセス水流れ８５の部分流れ１０１に所望の圧力を提供する圧力調整手段の一例としてのみ説明されたが、部分流れ１０１に所望の圧力を提供することのできる既知の任意の好適な装置であり得る。更には、背圧調節器１０６は図２では出口流路１７の下流側に位置付けた状態で示されるが、その位置は、特定の燃料プロセス処理サブシステム１２及びプロセス水コンディショニングシステム８の各条件に従って変更することが可能である。
本発明の１実施例では、ポンプ８８は、ポンプ８８が定量ポンプである場合の一定流量であることが好ましい所望の流量でのプロセス水流れ８５を提供する。この実施例では、前記一定流量は、通常運転条件下に出口流路１７を通る合計流量よりも大きく、かくして、プロセス水流れ８５の残部流れ１０３が戻り流路１０４を通して提供され得ることが保証される。プロセス水コンディショニングシステム８が運転されるに従い、出口流路１７の条件は変動し得るが、この条件の変動は、プロセス水流れ８５の残部流れ１０３の流量がこの変動に従い変動することにより補償される。例えば、部分流れ１０１の合計流量が増大すると、ポンプ８８が一定流量のプロセス水流れ８５を提供することから、プロセス水流れ８５の残部流れ１０３の流量は相当量において減少する。ポンプ８８は、出口流路１７の要求する合計流量よりも大きな任意の好適な流量を通常運転条件下に提供し得る。ある用途においては、ポンプ８８の提供する流量が一定ではなく、燃料プロセス処理サブシステム１２におけるプロセス水流れ８５条件に従って変化することが望ましい場合があり得る。
プロセス水流れ８５の部分流れ１０１が出口流路１７を介して燃料プロセス処理サブシステム１２において使用されるに際し、追加的なプロセス水をプロセス水コンディショニングシステム８に追加する必要がある。追加のプロセス水は補給流路８２を介してプロセス水源８０からプロセス水貯蔵タンク８４に追加される。プロセス水源８０は、全負荷下に運転される燃料プロセス処理サブシステム１２に必要なプロセス水流れ８５を維持するために十分なプロセス水を提供することのできる任意のプロセス水源である。補給流路８２を通る補給用のプロセス水の温度は、出口流路１７に送られるプロセス水流れ８５の所望の最低温度未満であることが好ましい。好適なプロセス水源には、燃料電池システムからの再循環流れ、水ライン、任意のその他の好適な冷却材源、あるいはそれらの組み合わせが含まれ得る。
図１を参照するに、２つの出口流路１７がプロセス水流れ８５の部分流れ１０１を２つの熱交換器１８に提供している。先に議論したように、熱交換器１８に提供されるプロセス水流れ８５の部分流れ１０１は、リフォーメート流れ１４が凝縮して選択酸化器３０及び３１の内部の触媒を不活性化させないよう、その最低温度あるいはそれ以上の温度に維持されるべく加熱される。従って、その最低温度を、リフォーメート流れ１４内の水の露点あるいはそれに近い温度に設定し、熱交換器１８内にリフォーメート流れ１４内の水を凝縮させるコールドスポットが生じないようにする、あるいはその可能性を低下させることが望ましい。もっと好ましい実施例では、前記最低温度は、プロセス水流れ８５の部分流れ１０１を受ける構成部品、例えば選択酸化体３０内のリフォーメート流れ１４の露点よりも大幅に低くはない温度に設定される。先に説明したように、液体の水は選択酸化器３０及び３１において用いる触媒を不活性化し得る。プロセス水流れ８５の温度を、リフォーメート流れ１４を効果的に除熱するために十分低い温度に維持することも望ましい。熱交換器１８内における、リフォーメート流れ１４と、プロセス水流れ８５の部分流れ１０１との間の温度勾配が十分に大きくないと、リフォーメート流れ１４は熱交換器１８を出る以前に十分冷却されない恐れがある。リフォーメート流れ１４が十分に冷却されないと、選択酸化器は、触媒が選択された温度範囲に最適化されていないことから、リフォーメート流れ１４から効果的にＣＯを除去することができない。従って、図１及び図２に例示する実施例では、プロセス水流れ８５の温度を最低温度あるいはそれ以上の温度に維持することのみならず、プロセス水流れ８５が過熱されて熱が無駄にならないようにすることも望ましい。更に好ましい実施例では、プレヒーター９４が、仮に用いられるとしてＰＥＭ燃料電池が過剰温度のリフォーメート流れ１４Ａによって損傷しないことが保証されるに十分、リフォーメート流れ１４Ａを除熱する。かくして、これらのより好ましい実施例では、プレヒーター９４は、ＰＥＭ燃料電池で使用するために適した温度への、プロセス水流れ８５の加熱と、リフォーメート流れ１４Ａの冷却との２つの目的を有するが、この場合、プレヒーター９４がリフォーメート流れ１４Ａのための冷却条件に基づいて形状付けされ得るように、リフォーメート流れ１４Ａの冷却は、プロセス水流れ８５の前加熱よりもシステム全体に対する重要性がおそらく高い。
プロセス水流れ８５、リフォーメート流れ１４Ａ、の温度プロファイルと、リフォーメートの露点とが、プロセス水コンディショニングシステム８の一つの好ましい形態のコンピューターモデルによってシミュレートしたものとして図３に例示される。このシミュレーションでは、補給流路８２を通る補給プロセス水流れの温度を４５℃、プロセス水流れ８５の全負荷及び１０％負荷時の質量流量を２６．７ｇ/ｓ、合計流れでの部分流れ１０１の全体における全負荷時及び２％負荷時の質量流量を各２０．７ｇ/ｓ及び２ｇ/ｓ、リフォーメート流れの全負荷時及び１０％負荷時の質量流量を各５５．５ｇ/ｓ及び５．５５ｇ/ｓ、燃料電池システムがｔ＝０秒の時に全負荷下に安定運転され、ｔ＝２００秒の時に各流れ及びリフォーメート流れの温度が、燃料プロセス処理サブシステムの残余部分が即座に変化するとの仮定の下に、その１０％負荷下の値に低下し、ｔ＝２０００秒の時に各流れ及びリフォーメート流れの温度が、同じく燃料プロセス処理サブシステムの残余部分が即座に変化するとの仮定の下に、その全負荷状態下のそれに復帰するものと仮定される。プロセス水流れ８５の、プレヒーター９４に流入する以前の温度は、ラインＡ、即ち、貯蔵タンク８４内のプロセス水の温度として表され、ヒーター１００を出た後のその温度プロファイルはラインＢによって表される。ラインＣは、リフォーメート流れ１４Ａの、プレヒーター９４に入る以前の温度プロファイルを、またラインＤはリフォーメート流れ１４Ａの、プレヒーター９４を出た直後の温度プロファイルを例示している。リフォーメートの露点温度プロファイル（リフォーメート流れ１４Ａ内の水の露点）はラインＥで表される。図３の上部には、燃料プロセス処理サブシステム１２の指定期間に渡る運転負荷が、全負荷あるいは１０％負荷下の何れかであるかが表示される。
図３に例示されるように、期間ｔ1では燃料プロセス処理サブシステム１２は全負荷運転される。本実施例ではヒーター１００は、ヒーター１００を出るプロセス水流れ８５の温度ＴBが８０℃以下である場合は常にプロセス水流れ８５を加熱するような設定とされる。全負荷運転される間、ヒーター１００を出るプロセス水流れ８５の温度は最低温度である８０℃以上であるので、ヒーター１００位置ではプロセス水流れ８５は加熱されない。これは、プレヒーター９４内でリフォーメート流れ１４Ａが、プロセス水流れ８５を最低温度あるいはそれ以上の温度に維持するために十分な熱をプロセス水流れ８５に移行させていることを示している。
ｔ＝２００秒の位置では、燃料プロセス処理サブシステム１２の運転条件は全負荷から１０％負荷のそれへと変化する。この変化によりリフォーメート流れ１４Ａの、プレヒーター９４に入る（ラインＣ）及び出る（ラインＤ）温度は直ちに著しく降下し、リフォーメート流れ１４Ａの温度が低下すると、ヒーター１００を出るプロセス水流れ８５の温度ＴBは低下し、かくしてプレヒーター９４内でリフォーメート流れ１４Ａからプロセス水流れ８５に移行される熱量が減少する。すると直ちにヒーター１００は、プレヒーター９４を出るプロセス水流れ８５の温度ＴBが最低温度（８０℃）以下に低下したと認識し、プロセス水流れ８５への加熱を開始する。期間ｔ2の間、ヒーター１００は、ヒーター１００を出るプロセス水流れ８５の温度ＴBが最低温度以上となるまでプロセス水流れ８５を加熱し、プロセス水流れ８５が最低温度となると不活性化されて加熱を停止する。
図３に示されるように、燃料プロセス処理サブシステム１２の運転負荷が変化すると、プレヒーター９４に入るリフォーメート流れ１４Ａの温度ΔＴCの変化量は、プレヒーター９４を出るリフォーメート流れ１４Ａの温度ΔＴDの変化量ほど大きくはない。それは、低負荷運転されることでリフォーメート流れ１４Ａの流量が実質的に減少（概略大きさのオーダーで）するからである。低負荷運転時は燃料プロセス処理サブシステム１２は、高負荷運転時における程大きな流量でのリフォーメート流れ１４Ａを生じさせる必要がないので、リフォーメート流れ１４Ａによって担持される熱量は低負荷運転時には減少する。ポンプ８８が一定流量のプロセス水流れ８５を提供することから、低流量、従って低熱量が、プレヒーター９４内のそうした一定流量のプロセス水流れ８５を加熱するために引き続き用いられる。かくして、プレヒーター９４を出るリフォーメート流れ１４の温度ΔＴDの変化量は、プレヒーター９４に入るリフォーメート流れ１４の温度ΔＴCのそれよりも大きくなる。
また、図３に示されるように、期間ｔ2の間、ヒーター１００を出るプロセス水流れ８５の温度ＴBは、ヒーター１００がこのプロセス水流れ８５を加熱することから高くなる。１０％負荷下では燃料プロセス処理サブシステム１２はプロセス水流れ８５の部分流れ１０１を大量には必要としないことから、出口流路１７を通して流動するプロセス水流れ８５の部分流れ１０１の流量は全負荷運転時のそれと比較して実質的に（概略大きさのオーダーで）減少する。例示した実施例ではポンプ８８は一定流量のプロセス水流れ８５を提供し、かくして、期間ｔ2及びｔ3（１０％負荷下）におけるプロセス水流れ８５の部分流れ１０１の流量が低下するとプロセス水流れ８５の残部流れ１０３の流量が増大する。戻り流路１０４を介して大量のプロセス水流れ８５が残部流れ１０３として貯蔵タンク８４に戻ることから、プロセス水源８０に要求されるプロセス水流れ８５の量は少なくなる。従って、貯蔵タンク８４内のプロセス水流れ８５の温度ＴAは、ヒーター１００がプロセス水流れ８５を加熱すると比較的急激に上昇する。その結果、プロセス水流れ８５がプレヒーターに入る際のプロセス水流れ８５の温度ＴAが高いので、プロセス水流れ８５に移行される熱量が少なくなり、プレヒーター９４を出るリフォーメート流れ１４Ａの（期間ｔ2の間の）温度ＴDは高くなる。
ヒーター１００を出るプロセス水流れ８５の温度ＴBが最低温度以上となると、ヒーター１００はプロセス水流れ８５の加熱を停止する。図３に示されるように、ヒーター１００はｔ＝３９０秒時に停止される。期間ｔ3の間、燃料プロセス処理サブシステム１２は１０％負荷での運転を継続する。この期間中、ヒーター１００は、プレヒーター９４に入るリフォーメート流れ１４がプロセス水流れ８５の温度を最低温度以上に維持するために十分な加熱を提供することから、もはや加熱を提供することはない。
図３に示されるように、プレヒーター９４内でのリフォーメート流れ１４Ａの温度ΔＴR1の変化は、プレヒーター９４内でのプロセス水流れ８５の温度ΔＴC1におけるそれと同じである。期間ｔ3を参照するに、プレヒーター９４内でのリフォーメート流れ１４Ａの温度ΔＴR3の変化は、プレヒーター９４内でのプロセス水流れ８５の温度ΔＴC3のそれよりもずっと大きい。これは、１０％負荷運転時のプロセス水流れ８５の流量に対するリフォーメート流れ１４Ａの流量の比が、全負荷運転時のそれと比較して著しく小さいからである。
概略ｔ＝２０００秒の時点で、燃料プロセス処理サブシステム１２は再度全負荷運転される。図３に示されるように、プレヒーター９４に入る（ＴC）及び出る（ＴD）リフォーメート流れ１４Ａの各温度は急上昇し、負荷変動を伴いつつその流量が増大するに従い、安定温度に整定する。ヒーター１００を出るプロセス水流れ８５の温度ＴBも、リフォーメート流れ１４Ａの温度が上昇するに従い同じく短時間で急上昇するが、プレヒーター９４に入るプロセス水流れ８５の温度ＴAが低下すると最低温度よりも高い安定温度状況となる。プレヒーター９４に入るプロセス水流れ８５の温度ＴAの劇的な低下は、出口流路１７を介して燃料プロセス処理サブシステム１２に流動するプロセス水流れ８５の部分流れ１０１と、戻り流路１０４を経て貯蔵タンク８０に流動するプロセス水流れ８５の残部流れ１０３との各流量が変化することに拠るものである。ポンプ８８が一定量のプロセス水流れ８５を提供する際は燃料プロセス処理サブシステム１２はプロセス水流れ８５の部分流れ１０１を大量に要求し、かくして貯蔵タンク８４に入るプロセス水流れ８５の残部流れ１０３の流量が等量分減少する。仮に、貯蔵タンク８４に流動するプロセス水流れ８５の残部流れ１０３の温度ＴBが種々の負荷下（即ち図３に示すように、全負荷〜１０％負荷）に概略同じ温度に維持されると仮定すると、プロセス水源８０からの補給プロセス水の流量が増大する（プロセス水源８０から入るプロセス水の温度がプロセス水流れ８５の残部流れ１０３の温度ＴB以下である限りにおいて）ことから、高負荷下にプレヒーター９４に入るプロセス水流れ８５の温度ＴAは低下する。
かくして、プロセス水コンディショニングシステム８はその好ましい形態において、燃料プロセス処理サブシステム１２が安定負荷状況下で運転される間、ヒーター１００からの追加の加熱を要することなく、プロセス水流れ８５をその際床温度に維持するに十分な熱をリフォーメート流れ１４Ａからプロセス水流れ８５に移行するような設計とされ、また、燃料プロセス処理サブシステム１２の過渡的運転状況下において、プロセス水流れ８５をその最低温度とするための熱をヒーター１００を介して選択的に追加するようにも設計される。
本発明のプロセス水コンディショニングシステム８は、燃料プロセス処理サブシステム１２に設定された様々の負荷条件に整合させるべく動的に運転することができる。リフォーメート流れ１４Ａの流量が著しく降下する場合でも、プロセス水コンディショニングシステム８は、ヒーター１００を介してプロセス水流れ８５の温度を最低温度とするように調節することが可能である。更には、プロセス水流れ８５の残部流れ１０３は戻り流路１０４を介して再循環されることで、燃料プロセス処理サブシステム１２の流れ条件が変化した場合に熱を浪費するのではなく逆に、プロセス水コンディショニングシステム８内に追加された熱を有効に維持する。
プレヒーター９４の非常に好ましい実施例が図４に示される。この実施例では、プレヒーターは２列の交差流れ式の熱交換器であり、プレヒーターである熱交換器９４を通して円筒状の入口ヘッダ１２２から円筒状の外側ヘッダ１２４に至る流路９５を確定する２本の平行管１２０を備えている。各平行管間には、熱交換器９４を通してこれら平行管１２０の外側にリフォーメート流れ１４Ａのための流路９６を確定する蛇行フィン１２６が伸延される。各平行管１２０は、その一対の９０°ねじれ部分を介して曲管１３２と連結する一対の脚部１３０を有する。代表的には熱交換器９４によって受けられるプロセス水流れ８５の流量は比較的少ないことから、プロセス水流れ８５を多数の平行管１２０に均等に分与するのが難しくなり得る。このことから、流体直径が極めて小さい（概略８１０μｍ）流路を用いることが望ましい。かくして、前記非常に好ましい形態では、各平行管１２０はそうした極めて流体直径の小さい４本の流路を平行管の主たる軸線に沿って均等に配分したアルミ押出管である。それらの小直径の全ての流路は、その各平行な流路に沿っての十分な圧力降下を許容し、かくしてプロセス水流れ８５の均等な分与を実現する一方で尚、管内流速を、平行管の腐食が問題となる速度以下に維持する。また、そうした小直径の流路は、各平行管１２０の短辺側の小寸法化を許容し、それが熱交換器９４のリフォーメート側に大きな表面積を提供し、かくして非常にコンパクトな設計形状を可能とする。
図４には熱交換器９４の非常に好ましい実施例が示されるが、任意の好適な熱交換器９４を使用可能であり、ある用途では熱交換器９４のためのその他の形式及び構造が望ましい場合があり得る。従って、請求項に記載するものを除き、図４に示す構造に限定しようとするものではない。
プロセス水コンディショニングシステム８は、ここでは燃料電池システム、特にはプロトン交換膜形式の燃料電池システムのために特に有益な燃料プロセス処理サブシステム１２との関連において説明したが、プロセス水コンディショニングシステム８は、燃料電池システムあるいはプロトン交換膜形式の燃料電池システムと共に使用するように特に適合されない燃料プロセス処理サブシステムを含む任意の数多くの燃料プロセス処理サブシステムにおいて使用され得る。例えば、プロセス水コンディショニングシステム８は水素供給ステーションで使用するための水素を生成するために主に機能する燃料プロセス処理システムとの関連において使用することができる。従って、請求項に特に記載されるものを除き、燃料電池システムとの使用に限定されるものではない。
冷却材コンディショニングシステムを含む燃料プロセス処理サブシステム及び、本発明を具体化する方法のダイヤグラム図である。 図１の冷却材コンディショニングシステム及び方法のダイヤグラム図である。 冷却材流れ、リフォーメート流れ、種々の負荷下でのリフォーメートの露点を表す温度プロファイルのグラフである。 本発明で使用するプレヒーターの１実施例の斜視図である。
符号の説明
８ プロセス水コンディショニングシステム
１２ 燃料プロセス処理サブシステム
１４ リフォーメート流れ
１６ 炭化水素流れ
１７ 出口流路
１８ 熱交換器
２０ ＡＴＲ
２２ 過熱蒸気流れ
２６ 陽極テールガス流れ
２８、２９ 水性ガスシフト反応炉
３０、３１ 選択酸化器
８０ プロセス水源
８２ 補給流路
８４ 貯蔵タンク
８５ プロセス水流れ
８８ ポンプ
９０ ポンプ出口
９２ プレヒーター入口
９４ プレヒーター
９５ プロセス水流路
９６ リフォーメート流路
９７ プレヒーター出口
９９ 温度センサー
１００ ヒーター
１０１ 部分流れ
１０２ ヒーター出口
１０３ 残部流れ
１０６ 背圧調節器
１２０ 平行管

Claims (42)

  1. 少なくとも一つの燃料プロセス処理サブシステムに冷却材を供給するための冷却材コンディショニングシステムであって、
    冷却材貯蔵タンクと、
    冷却材流れを供給するためのポンプにして、ポンプ入口及びポンプ出口を有するポンプと、
    リフォーメート流れからの熱を冷却材流れに移行させるためにリフォーメート流れに連結した少なくとも一つの冷却材プレヒーターにして、ポンプ出口に連結した冷却材入口と、冷却材出口とを有する冷却材プレヒーターと、
    冷却材出口位置での冷却材流れの温度が最低温度以下となった場合に冷却材流れに選択的に熱を追加するために冷却材出口に連結したヒーターにして、冷却材のためのヒーター入口と、冷却材のためのヒーター出口とを有するヒーターと、
    ヒーター出口からの冷却材流れの一部分を少なくとも一つの燃料プロセス処理サブシステムに送るための少なくとも一つの出口流路と、
    ヒーター出口からの冷却材流れの残余部分を貯蔵タンクに戻すための戻り流路と、
    を含む冷却材コンディショニング用システム。
  2. ポンプが所望の流量での冷却材流れを供給する請求項１の冷却材コンディショニング用システム。
  3. ポンプが一定流量での冷却材流れを供給する請求項１の冷却材コンディショニング用システム。
  4. 通常運転条件下での冷却材流れの一部分の流量が所望の流量未満である請求項２の冷却材コンディショニング用システム。
  5. 少なくとも一つの燃料プロセス処理サブシステムに送られる冷却材流れの一部分を所望の圧力に維持するための少なくとも一つの調圧装置をヒーターの下流側に更に含む請求項１の冷却材コンディショニング用システム。
  6. 冷却材流れの最低温度がリフォーメート流れの露点温度である請求項１の冷却材コンディショニング用システム。
  7. プレヒーターを出る冷却材流れの温度を測定するための温度センサーを更に含む請求項１の冷却材コンディショニング用システム。
  8. 温度センサーからの信号にヒーターが応答する請求項７の冷却材コンディショニング用システム。
  9. ヒーターが電気ヒーターである請求項１の冷却材コンディショニング用システム。
  10. 冷却材源から貯蔵タンクに追加の冷却材流れを提供するために貯蔵タンクに連結した補給流路を更に含む請求項１の冷却材コンディショニング用システム。
  11. 冷却材源が、燃料電池システムからの再循環流れである請求項１０の冷却材コンディショニング用システム。
  12. 少なくとも一つの燃料プロセス処理サブシステムに水を供給するための水コンディショニングシステムであって、
    水貯蔵タンクと、
    水流れを供給するためのポンプにして、ポンプ入口及びポンプ出口を有するポンプと、
    リフォーメート流れからの熱を水流れに移行させるためにリフォーメート流れに連結した少なくとも一つの水プレヒーターにして、ポンプ出口に連結した水入口と、水出口とを有する水プレヒーターと、
    水出口位置での水流れの温度が最低温度以下となった場合に水流れに熱を選択的に追加するために水出口に連結したヒーターにして、水のためのヒーター入口と、水のためのヒーター出口とを有するヒーターと、
    ヒーター出口からの水流れの一部分を少なくとも一つの燃料プロセス処理サブシステムに送るための少なくとも一つの出口流路と、
    ヒーター出口からの水流れの残余部分を貯蔵タンクに戻すための戻り流路と、
    を含む水コンディショニング用システム。
  13. ポンプが所望の流量での水流れを供給する請求項１２の水コンディショニング用システム。
  14. ポンプが一定流量での水流れを供給する請求項１２の水コンディショニング用システム。
  15. 通常運転条件下での水流れの一部分の流量が所望の流量未満である請求項１３の水コンディショニング用システム。
  16. 少なくとも一つの燃料プロセス処理サブシステムに送られる水流れの一部分を所望の圧力に維持するための少なくとも一つの調圧装置をヒーターの下流側に更に含む請求項１２の水コンディショニング用システム。
  17. 最低温度がリフォーメート流れの露点温度である請求項１２の水コンディショニング用システム。
  18. プレヒーターを出る水流れの温度を測定するための温度センサーを更に含む請求項１２水コンディショニング用システム。
  19. ヒーターが温度センサーからの信号に応答する請求項１８の水コンディショニング用システム。
  20. ヒーターが電気ヒーターである請求項１２の水コンディショニング用システム。
  21. 水源から貯蔵タンクに追加の水流れを提供するために貯蔵タンクに連結した補給流路を更に含む請求項１２の水コンディショニング用システム。
  22. 水源が、燃料電池システムからの再循環流れである請求項２１の水コンディショニング用システム。
  23. 少なくとも一つの燃料プロセス処理サブシステムと共に使用するための加圧液体冷却材源の運転方法であって、
    冷却材貯蔵源からの液体冷却材を冷却材プレヒーターの第１流路を通して流動させること、
    冷却材プレヒーターの第２流路を通してリフォーメート流れを流動させてリフォーメートから冷却材プレヒーター内の液体冷却材に熱を移行させること、
    冷却材プレヒーターからヒーターに液体冷却材を流動させること、
    液体冷却材の温度が最低温度以下となった場合にヒーター位置で液体冷却材に選択的に熱を追加すること、
    液体冷却材の一部分を少なくとも一つの燃料プロセス処理サブシステムに流動させること、
    液体冷却材の残余部分を冷却材貯蔵源に戻すこと、
    を含む方法。
  24. 液体冷却材が冷却材プレヒーターの第１流路を通して所望の流量下に流動される請求項２３の方法。
  25. 通常運転条件下での液体冷却材の一部分の流量が所望の流量未満である請求項２４の方法。
  26. 液体冷却材が冷却材プレヒーターの第１流路を通して一定流量下に流動する請求項２３の方法。
  27. 冷却材流れの一部分の、ヒーターから下流側の圧力を調整して、少なくとも一つの燃料プロセス処理サブシステムに流動する冷却材流れの一部分の圧力を所望の圧力に維持することを更に含む請求項２３の方法。
  28. 最低温度がリフォーメート流れの露点温度である請求項２３の方法。
  29. プレヒーターを出る冷却材流れの温度を測定することを更に含む請求項２３の方法。
  30. プレヒーターを出る冷却材流れの温度に応答するヒーターを有するようにした請求項２９の方法。
  31. 冷却材源から冷却材貯蔵源に補給流れを流動させることを更に含む請求項２３の方法。
  32. 冷却材源が燃料電池システムの再循環流れから流動される請求項３１の方法。
  33. 少なくとも一つの燃料プロセス処理サブシステムと共に使用するための加圧液体水源の運転方法であって、
    水貯蔵源からの水を水プレヒーターの第１流路を通して流動させること、
    水プレヒーターの第２流路を通してリフォーメート流れを流動させてリフォーメートから水プレヒーター内の水に熱を移行させること、
    水プレヒーターからヒーターに水を流動させること、
    水の温度が最低温度以下となった場合にヒーター位置で水に選択的に熱を追加すること、
    水の一部分を少なくとも一つの燃料プロセス処理サブシステムに流動させること、
    水の残余部分を水貯蔵源に戻すこと、
    を含む方法。
  34. 水が水プレヒーターの第１流路を通して所望の流量下に流動される請求項３３の方法。
  35. 通常運転条件下での水の一部分の流量が所望の流量未満である請求項３４の方法。
  36. 水が水プレヒーターの第１流路を通して一定流量下に流動する請求項３３の方法。
  37. 水流れの一部分の、ヒーターから下流側の圧力を調整して、少なくとも一つの燃料プロセス処理サブシステムに流動する水流れの一部分の圧力を所望の圧力に維持することを更に含む請求項３３の方法。
  38. 最低温度がリフォーメート流れの露点温度である請求項３３の方法。
  39. プレヒーターを出る水流れの温度を測定することを更に含む請求項３３の方法。
  40. プレヒーターを出る水流れの温度に応答するヒーターを有するようにした請求項３９の方法。
  41. 水源から水貯蔵源に補給流れを流動させることを更に含む請求項３３の方法。
  42. 水源が燃料電池システムの再循環流れから流動される請求項４１の方法。
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