专利名称：重整产品冷却系统和在燃料加工子系统中的使用方法
技术领域：
本发明涉及用于燃料电池系统的燃料加工子系统，和在更特别的应用中，涉及在聚合物电解质膜燃料电池系统(常称为质子交换膜(PEM)的燃料电池系统)的燃料加工子系统中用于重整产品流的冷却系统。
背景技术：
在典型的PEM燃料电池系统中，燃料如甲烷或类似的烃用作燃料电池阳极侧的氢源。在许多系统中，尤其在固定式发电类型的那些系统中，通过燃料电池系统的燃料加工子系统，用化学方法将增湿的天然气和空气转化成称为重整产品的富氢气体流。在该重整工艺过程中，必须降低一氧化碳(CO)的含量到低的水平(典型地小于10ppm)，这是因为PEM燃料电池膜容易被CO中毒。
重整反应典型地是具有缔合水煤气转换[，]和/或部分氧化反应[]的氧化分解反应。尽管与蒸汽重整相关的水煤气转换反应从重整产品物流中除去一些CO，但全部产物重整产品气体总是含有一定程度的CO，其含量取决于重整工艺发生时的温度。关于这一点，重整产品流中的CO浓度通常远远高于PEM燃料电池膜可接受的水平。为了降低CO含量到可接受的水平内，在燃料加工子系统中典型地采用几种催化反应，以清洗即降低重整产品流内的CO。这些催化反应要求重整产品流的温度在相对精确的温度范围内。降低CO的典型反应包括前述水煤气转换，以及在选择或择优的氧化器(PrOx)内，在贵金属催化剂上CO的选择氧化，且典型地将小量空气加入到重整产品流中，以提供催化反应用氧气。通常在充分降低CO含量之前，要求数段CO清洗，其中每一段典型地要求重整产品温度降低到精确的温度范围内，以便发生所需的催化反应。因此，液体冷却的换热器常用于控制在每一段中重整产品的温度。
然而，为了上述目的使用液体冷却的换热器，在燃料电池系统的下调(turndown)(降低的功率)操作期间，在成功地维持所要求的温度方面具有挑战性，其中根据全功率操作条件所要求的温度来降低重整产品流的流速。具体地说，由于需要设计换热器以用于在全流速下合适的传热效率，因此当降低重整产品流的流速时，换热器典型地变得太有效。这可通过调节冷却剂的流速(借助冷却剂泵或旁路阀门的控制)和/或冷却剂温度(借助一部分冷却剂流的循环)来缓和。然而，通过将CO的清洗分成数个不同的反应使得这种调节复杂化，其中每一个反应要求换热器控制重整产品流的温度。由于在下调时，换热器典型地不是全部对以上所述的调节具有相同的应答，因此，可能必须独立地控制每一换热器中冷却剂流和/或温度，从而导致相对复杂的冷却剂控制方案和双套旁路阀门、循环泵等。
发明概述根据本发明的一种形式，提供与燃料加工子系统一起使用的重整产品冷却系统，用以降低质子交换膜燃料电池系统的重整产品流内的一氧化碳含量。燃料加工子系统包括第一和第二择优的氧化器，以氧化在重整产品流内携带的一氧化碳。相对于重整产品流，第二择优的氧化器位于第一择优的氧化器的下游，且要求比第一择优氧化器低的重整产品流的催化反应温度范围。重整产品冷却系统包括第一和第二换热器单元来将热量从重整产品流转移到冷却剂流上。第一换热器单元包括第一和第二核心部分，重整产品流和冷却剂流以彼此换热的关系流经所述核心部分。相对于重整产品流，第一换热器单元位于第一择优的氧化器上游。第二换热器单元包括第三和第四核心部分，重整产品流和冷却剂流以换热的关系流经所述核心部分。相对于重整产品流，第二换热器单元位于第二择优的氧化器上游和第一择优的氧化器下游。
在一种形式中，相对于冷却剂流动和重整产品流动，第一核心部分位于第二核心部分的上游。相对于重整产品的流动，第三核心部分位于第四核心部分的上游。相对于冷却剂的流动，第三和第四核心部分之一位于第一核心部分的上游。相对于冷却剂的流动，第三和第四核心部分中的另一个位于第二核心部分的下游。冷却剂连续地流经第三和第四核心部分之一、第一核心部分、第二核心部分，然后流经第三和第四核心部分中的另一个。重整产品连续地流经第一核心部分、第二核心部分、第一择优的氧化器、第三核心部分、第四核心部分，然后流经第二择优的氧化器。
根据一种形式，第一核心部分连接到第二核心部分上，以便将冷却剂流和重整产品流二者供应到第二核心部分。第三核心部分连接到第四核心部分上，以便将重整产品流供应到第四核心部分。第三和第四核心部分之一连接到第一核心部分上，以便将冷却剂流供应到第一核心部分。第三和第四核心部分中的另一个连接到第二核心部分上，以便接收来自第二核心部分的冷却剂流。
在一种形式中，重整产品冷却系统包括冷却剂流动路径，重整产品流动路径，以及第一、第二、第三和第四换热器核心部分，其中每一核心部分包括换热关系的一部分的冷却剂流动路径和一部分的重整产品流动路径，以便将热量从重整产品流传递到冷却剂流上。沿着重整产品流动路径，以编号顺序排列各核心部分，其中第一和第二核心部分位于第一择优的氧化器上游，和第三与第四核心部分位于第一择优的氧化器下游和第二择优的氧化器上游。沿着冷却剂流动路径，以编号顺序排列第一和第二核心部分，沿着冷却剂流动路径，在第一核心部分上游排列第三和第四核心部分之一。沿着冷却剂流动路径，在第二核心部分下游排列第三和第四核心部分中的另一个。
在一种形式中，第三和第四核心部分之一是第三核心部分，和第三和第四核心部分中的另一个是第四核心部分。
根据本发明的一种形式，提供冷却重整产品流到所需的温度范围内的方法以供在质子交换膜燃料电池系统的燃料加工子系统中的第一和第二催化反应，其中在第二催化反应之前，重整产品经历第一催化反应。
在一种形式中，该方法包括下述步骤
a)在第一和第二催化反应之间，热量从重整产品流传递到起始流过的冷却剂流上；b)在第一催化反应之前，热量从重整产品流传递到步骤a)中加热的冷却剂流上；c)在第一催化反应之前，热量从步骤b)中冷却的重整产品流传递到步骤b)中加热的冷却剂上；和d)在第一和第二催化反应之间，热量从步骤c)中冷却的重整产品流传递到步骤c)中加热的冷却剂上。
在一种形式中，该方法包括下述步骤用尚未通过重整产品流而加热的起始流过的冷却剂流和已通过重整产品流在第一催化反应上游加热的另一流过的冷却剂流，将重整产品流冷却到所需的温度范围内以供第二催化反应。
根据一种形式，该方法包括下述步骤采用通过在第一催化反应下游的重整产品流和在第一催化反应上游的重整产品流二者加热的冷却剂流，将重整产品流冷却到所需的温度范围内以供第一催化反应。
在一种形式中，调节冷却剂流的总流速，以将重整产品流冷却到所需温度范围内以供第一和第二催化反应。在进一步的形式中，作为重整产品流速的函数来调节冷却剂的总流速。在进一步的形式中，该函数是线性函数。
根据全部说明书，其中包括所附权利要求和附图的综合描述，其它目的、优点和特征将变得显而易见。
附图简述
图1是体现本发明的重整产品冷却系统和方法的示意图；图2是显示对于根据图1制造的例举冷却系统来说，重整产品流温度作为重整产品下调函数的图表，其中进入该系统的重整产品流的入口温度在重整产品下调的范围内保持恒定；图3是类似于图2的图表，但示出了重整产品流的温度，其中重整产品流的入口温度是进入该系统的重整产品流的流速的线性函数；图4是对于图2和3的例举冷却系统来说，比较冷却剂流下调与重整产品流下调的图表。
图5是体现本发明的重整产品冷却系统和方法的另一实施方案的示意图；图6是显示对于根据图5制造的例举冷却系统来说，流出图5的下游换热器的重整产品流温度的图表；图7是对于图6的例举冷却系统来说，比较冷却剂流下调与重整产品流下调的图表；和图8是在图5所示的冷却系统中使用的换热器单元的一种可能结构的部分放大的剖面图。
优选实施方案的详细说明如图1所示，提供在12处图示的燃料加工子系统中使用的重整产品冷却方法和系统10，用以降低重整产品流14中一氧化碳(CO)的含量，其中所述重整产品流14通过在16处图示的质子交换膜燃料电池系统用燃料加工子系统12供应。重整产品冷却方法和系统10提供有利的冷却剂流动方案，与常规的重整产品冷却系统相比，该流动方案可简化燃料电池系统16。
燃料加工子系统12包括一对择优的氧化器18和20，它氧化在重整产品流14内携带的CO。每一择优的氧化器18和20包括合适的催化剂，所述催化剂要求在择优的氧化器18、20内重整产品流14在所需的催化反应温度范围内以发生最佳的催化反应。相对于重整产品流14，择优的氧化器20位于择优的氧化器18的下游，且与择优的氧化器18所要求的催化反应温度范围相比，其典型地要求较低的催化反应温度用于重整产品流14。另外，燃料电池系统16的合适的冷却剂供应子系统22供应冷却剂流24到冷却系统10中，其中优选冷却剂流24具有可调节的总流速和在燃料电池系统16的下调操作过程中保持相对恒定的冷却剂温度。由于存在质子交换膜燃料电池系统16、燃料加工子系统12、择优的氧化器18、20，和冷却剂供应子系统22的许多的已知形式，和由于重整产品冷却方法与系统10可结合任何质子交换膜燃料电池系统的任何燃料加工子系统的多段CO清洗工艺，因此，燃料加工子系统12、质子交换膜燃料电池系统16、择优的氧化器18、20和冷却剂供应子系统22对本发明来说不是关键的和在此不再进一步描述。
重整产品冷却系统10包括箭头线30图示的冷却剂流动路径，箭头线32图示的重整产品流动路径，以及第一、第二、第三和第四换热器核心部分34、36、38和40，其中每一核心部分34、36、38和40包括具有换热关系的一部分冷却剂流动路径30和一部分重整产品流动路径32，以将热量从流经重整产品流动路径32的重整产品流14传递到流经冷却剂流动路径30的冷却剂流24上。沿着重整产品流动路径32，以编号顺序排列核心部分34、36、38和40，其中第一和第二核心部分34和36位于第一择优的氧化器18的上游，和第三与第四核心部分38和40位于第一择优的氧化器18的下游和第二择优的氧化器20的上游。沿着冷却剂流动路径30，以编号顺序排列第一和第二核心部分34和36，沿着冷却剂流动路径30，在第一核心部分34的上游排列第三核心部分38，和沿着冷却剂流动路径，在第二核心部分36的下游排列第四核心部分40，以便冷却剂流24连续地流经第三核心部分38、第一核心部分34、第二核心部分36，然后第四核心部分40。冷却剂流24通过燃料电池系统16的冷却剂供应系统22供应到冷却系统10中。关于这一点，优选冷却剂为合适的液体冷却剂形式。然而，在一些燃料电池系统16中，可有利地以气体冷却剂或者两相流体冷却剂形式提供冷却剂。优选地，将冷却剂流24在燃料电池系统16下调中不改变的所需温度范围内提供到冷却系统10中。
在一些燃料加工子系统12中，理想的是，可在分别于42和44处所示的第一核心部分34和第三核心部分38的上游注入小量的空气，以便在每一择优的氧化器18和20内，提供氧气供催化反应。空气注入系统对于燃料加工子系统12来说是公知的，和空气注入的特定形式高度取决于特定的燃料加工子系统12的细节。此外，应当理解，这种空气注入不是冷却系统10的一部分或者其功能，因此在此不再进一步描述。
每一核心部分34、36、38和40可具有任何合适的构造，其中许多构造是已知的，例如散热片型构造、条-板(bar-plate)型构造、拉伸杯型构造、管状和翼片型构造等。优选地，相对于单程流过核心部分34、36、38和40的重整产品流14，在每一核心部分34、36、38和40内的每一流动路径30和32的各部分提供单程流过的冷却剂流24，且在每一核心部分34、36、38和40内，多个平行的流动通路确定这部分冷却剂流动路径34，和多个平行的流动通路确定这部分重整产品流动路径32。优选地，第一和第二核心部分34构造为相对于重整产品流14，位于择优氧化器18上游的第一换热器单元50，和第三与第四核心部分38和40构造为相对于重整产品流14，位于择优氧化器18下游和择优氧化器20上游的第二换热器单元52。此外，可通过任何合适的流体导管，例如软管、金属管道和/或结合进任何系统10、12、16的其它结构内的流动通路来确定将核心34、36、38和40彼此连接在一起的各流动路径30和32的部分。应当理解，在这一点上，所选择的特定类型的流体导管将高度取决于每一应用的要求和每一核心部分34-40所选的结构，因此流体导管的细节对本发明的冷却剂流动方案来说不是关键的。
在操作中，通过冷却剂流24流经第一和第二核心部分34和36，重整产品流14冷却到在第一择优氧化器18内第一催化反应的所需催化反应温度范围内。关于这一点，应当理解，通过从重整产品流14传热到冷却剂流24上(其中所述冷却剂流24流经在择优的氧化器18内的第一催化反应下游的第三核心部分38)，从而加热供应到第一和第二核心部分34和36内的冷却剂流24。还应当理解，通过从重整产品流14传热到第一核心部分34内的冷却剂流24上，从而通过在择优的氧化器18内的第一催化反应上游的重整产品流，进一步加热流经第二核心部分36的冷却剂流24。在流经第一和第二核心部分34和36且冷却到所需的催化反应温度之后，将重整产品流14导入到第一择优的氧化器18内并进行第一催化反应，氧化CO，从而从重整产品流14中除去CO。典型地，催化反应导致重整产品流14的温度增加，结果重整产品流14流出择优的氧化器18时具有比进入时高的温度。在流经第一择优的氧化器18之后，重整产品流14流经第三和第四核心部分38和40，其中重整产品流14将热量传递到冷却剂流24上，且冷却到第二择优氧化器20内的催化反应所需的催化反应温度范围内。关于这一点，应当注意，通过流经核心部分38的最初流过的冷却剂流24，首先冷却重整产品流14，其中所述最初流过的冷却剂流24在先没有通过重整产品流14加热过，并因此在流动路径30中，对于冷却剂流24来说，处于最低温度下。还应当理解，流经核心部分24的重整产品流14通过冷却剂流24冷却，所述冷却剂流24在先在第一和第二核心部分34和36中通过第一催化反应上游的重整产品流14和通过流经第三核心部分38的重整产品流14而加热。此外，由于在其它三个核心部分34、36和38内加热的冷却剂流24，和在其它三个核心部分34、36和38内冷却的重整产品流14，因此，在一些应用中，对于第四核心部分40来说，该结构和流动方案允许在一些下调条件下，实际加热流经核心部分40的重整产品流14，而不是冷却重整产品流14，以维持重整产品流14在所需的催化温度范围内。若出现这一情况，则应当注意，流出第四核心部分40的重整产品流14的温度仍低于进入第三核心部分38的重整产品流14的温度，这是因为由流经第三核心部分38的最初流过的冷却剂流24提供的冷却所致。在冷却到所需的催化反应温度范围之后，重整产品流14从第四核心部分40导入到择优的氧化器20内，其中重整产品流14进行第二催化反应，氧化CO，从而从重整产品流14中除去CO。
由于冷却剂流24没有在两个换热器单元50和52之间或者在核心部分34、36、38和40之间隔开，因此燃料电池系统16仅仅需要控制由燃料电池系统16的冷却剂系统22供应的冷却剂流24的总流速。关于这一点，应当理解，具有许多合适和已知的方法控制冷却剂流24的总流速，如流速控制阀、旁路阀、可变流速的冷却剂泵等。在发明人分析的一个实例中，认为所有的换热器核心部分34、36、38和40具有相同的结构和尺寸；对于重整产品流14来说，在第一择优的氧化器18内的最佳催化反应温度为155℃；对于重整产品流来说，在第二择优的氧化器20内的第二催化反应的最佳催化反应温度为147℃；对于所有的调节比(turndown ratio)来说，进入第一核心部分34的重整产品流14的温度通过燃料加工子系统12维持在300℃下；对于所有的调节比来说，进入核心部分40的冷却剂流24的温度通过冷却剂供应系统22维持在100℃下；和通过冷却剂供应系统22调节进入冷却剂系统10(即进入第三核心部分38)内的冷却剂流24的总流速，以便对于所有的调节比来说，维持流出第二核心部分36的重整产品流14的温度在155℃下；这是对于重整产品流14来说，在择优的氧化器18内第一催化反应的假设的最佳催化反应温度。利用这些假设，图2说明了进入第一核心部分34、流出第二核心部分36和进入第一择优氧化器18，并流出第四核心部分40和进入第二择优氧化器20内的重整产品流的计算温度。可以看出，尽管流出第四核心部分40的重整产品流14的温度在重整产品下调的范围内没有完美地维持恒定，但温度没有显著地偏离第二催化反应147℃的最佳催化反应温度而变化，且对合适的催化反应来说在可接受的范围内。
图3采用与图3相同的假设，所不同的是进入第一核心部分34的重整产品流14的温度是进入第一核心部分34的重整产品流14的流速的线性函数，其中在1-1重整产品下调处，所述温度从301℃的温度起向下变化。再者，可看出，流出第四核心部分40的重整产品流的温度在重整产品下调的范围内没有完美地维持恒定，但温度没有显著地偏离第二催化反应147℃的最佳催化反应温度而变化，且对合适的催化反应来说在可接受的范围内。
图4示出了对于在第一择优氧化器18内的第一催化反应来说，维持流出第二核心部分36的重整产品流14的温度在155℃的所需最佳催化反应温度下且在与图2和3的假设相同时获得图2和3的温度所要求的相对于冷却剂流的下调，重整产品流的下调。根据图4可看出，对于图2的恒定重整产品入口温度和图3的线性函数的重整产品入口温度二者来说，冷却剂流的总流速的调节比紧密地遵从线性关系，从而表明，至少在一些应用中，可控制冷却剂流的总流速作为重整产品流14的线性函数或者作为重整产品下调的线性函数，且当重整产品流14沿着重整产品流动路径流动时，不要求重整产品流14温度的反馈。然而，应当理解，当重整产品流14流经重整产品流动路径32时，基于重整产品流14的温度反馈，例如流出第二核心部分36的重整产品流14的温度反馈，在一些应用中，可所需地控制冷却剂流24的总流速。
图5说明了在图1的重整产品冷却系统中的变化，其中在冷却剂流动路径30内的最初流过的冷却剂流24流经第四核心部分40，而不是第三核心部分38，和在冷却剂流动路径30内的最后流过的冷却剂流24流经第三核心部分38，而不是第四核心部分40。因此，在图5的实施方案中，第一、第二和第三核心部分34、36和38以编号顺序沿着冷却剂流路径30排列，和第四核心部分38沿着冷却剂流路径30在第一核心部分34的上游排列，以便冷却剂流24连续地流经第四核心部分40、第一核心部分34、第二核心部分36，然后第三核心部分38。在所有其它方面中，图5的实施方案与图1的相同。
在对于图5的实施方案来说，发明人分析的一个实例中，假设所有换热器的核心部分34、36、38和40具有相同的结构与尺寸；对于重整产品流14来说，在第一择优氧化器18内的最佳催化反应温度为167℃；对于重整产品流14来说，在第二择优氧化器20内第二催化反应的最佳催化反应温度为140℃；对于所有的调节比来说，进入第一核心部分34的重整产品流14的温度通过燃料加工子系统12维持在300℃下；对于所有的调节比来说，进入核心部分40的冷却剂流24的温度通过冷却剂供应相同22维持在100℃下；和通过冷却剂供应系统22调节进入冷却剂系统10(即进入第四核心部分40)的冷却剂流24的总流速，以便对于所有的调节比来说，维持流出第二核心部分36的重整产品流14的温度在167℃下，这是对于重整产品流14来说，在择优的氧化器18内第一催化反应的假设的最佳催化反应温度。利用这些假设，图6说明了在重整产品下调的范围内，流出第四核心部分40并进入第二择优氧化器20内的重整产品流14的计算温度。可以看出，尽管流出第四核心部分40的重整产品流14的温度在重整产品下调的范围内没有完美地维持恒定，但温度没有显著地偏离第二催化反应140℃的最佳催化反应温度而变化，且对合适的催化反应来说在可接受的范围内。利用相同的假设，图7中的实线说明了相对于冷却剂流的下调，重整产品流的下调，这是对于在第一择优氧化器18内的第一催化反应来说，维持流出第二核心部分36的重整产品流14的温度在167℃的所需最佳催化反应温度下，且获得图2的计算温度所要求的。根据该图表可看出，冷却剂流24的总流速的调节比紧密地遵从线性关系(由直线虚线示出)，从而表明至少在一些应用中，可控制冷却剂流24的总流速作为重整产品流14的线性函数或者作为重整产品下调的线性函数，且当重整产品流14沿着重整产品流动路径32流动时，不要求重整产品流14温度的反馈。然而，应当理解，当重整产品流14流经重整产品流动路径32时，基于重整产品流14的温度反馈，例如流出第二核心部分36的重整产品流14的温度反馈，在一些应用中，可所需地控制冷却剂流24的总流速。
根据发明人进行的分析，与图5的实施方案相比，图1的实施方案在更宽范围的重整产品入口温度条件和所需的催化反应温度内看起来更稳定。例如，当进入第一核心部分34内的重整产品入口温度作为进入第一核心部分34的重整产品流速度的线性函数变化时，图1的实施方案看起来更稳定。然而，应当理解，与常规的冷却系统相比，这两个实施方案均提供优势，和在一些应用中，图5的实施方案比图1的实施方案更理想。
优选地，对于图1和5的实施方案二者来说，核心部分34、36、38和40中的每一个在尺寸和基本结构上是相同的。然而，在一些应用中，对于核心部分34和36来说，可能希望具有与核心部分38和40不同的基本结构和/或尺寸，或者对于所有的核心部分34、36、38和40来说，可能希望全部具有不同的基本结构和/或尺寸。仅仅为了阐述的目的，图8示出了核心部分34、36、38和40和换热器单元50与52的一种可能的结构，该图示出了核心部分34、36、38和40的一对34、36、38和40以及换热器单元50或52之一的结构。在图8中看出，在该实施方案中，由多个隔开的平行扁平管道60和在每根管道60之间延伸的蛇形翼片62确定每一个核心部分34-40。管道60的末端被一对相对隔开的、平行圆柱歧管64接收，其中歧管64之一将冷却剂流24分配到管道60内部和另一歧管64收集来自冷却剂管道60内部的冷却剂流24。使用合适的结构框架元件66，将一对核心部分34、36或38、40分别连接在一起，形成换热器单元50或52。在换热器单元50的重整产品入口侧提供合适的挡板68，以将重整产品流14导引到管道60外部并流经每一核心部分34、36、38或40的蛇形翼片62，以便将热量从重整产品流14传递到流经管道60内部的冷却剂流24上。关于这一点，还应当理解，框架元件66形成导管，所述导管在一对核心部分34、36或38、40之间导引重整产品流14。
尽管描述了一种可能的结构，但应当理解，每一核心部分34、36、38和40结构的类型和细节，以及在每一核心部分34、36、38和40之间确定冷却剂流动路径30的流体导管，将高度取决于每一应用的特定要求，例如每一催化反应所需的温度范围，择优的氧化器18和20的结构与布置，燃料电池系统16供应的冷却剂类型，燃料电池系统16提供的冷却剂的温度，由燃料电池系统16供应的冷却剂流24的可获得的流速，进入第一核心部分34的重整产品流14的温度，进入第一核心部分34的重整产品流14的最大流速，重整产品流14的最大下调，和冷却系统10可获得的外壳。因此，本发明无论如何不限制到图4所示的实例，除非在权利要求中明确援引这种结构。
应当理解，对于图1和5的每一实施方案来说，冷却方法和系统10的独特的冷却剂流动路线方案可简化重整产品冷却系统，所述重整产品冷却系统在冷却系统10内不要求冷却剂流向前或向后的旁路，此外，可在燃料电池系统16内提供简化的控制方案，与常规的冷却系统相比，所述简化的控制方案可省去需要多个冷却剂流泵和/或冷却剂流动控制阀或旁路阀。
权利要求
1.在燃料加工子系统中使用的重整产品冷却系统，其用于降低质子交换膜燃料电池系统的重整产品流内的一氧化碳含量，该燃料加工子系统包括第一和第二择优的氧化器，以氧化在重整产品流内携带的一氧化碳，其中相对于重整产品流，第二择优的氧化器位于第一择优的氧化器下游且与第一择优的氧化器相比要求较低的用于重整产品流的催化反应温度范围；该重整产品冷却系统包括第一换热器单元，以将热量从重整产品流传递到冷却剂流，第一换热器单元包括重整产品流和冷却剂流彼此以换热关系流过其中的第一和第二核心部分，相对于重整产品流，第一换热器单元位于第一择优的氧化器上游，相对于冷却剂流和重整产品流二者，第一核心部分位于第二核心部分上游；和第二换热器单元，以将热量从重整产品流传递到冷却剂流，第二换热器单元包括重整产品流和冷却剂流以换热关系流过其中的第三和第四核心部分，相对于重整产品流，第二换热器单元位于第二择优的氧化器上游和第一择优的氧化器下游，相对于重整产品流，第三核心部分位于第四核心部分的上游，相对于冷却剂流，第三和第四核心部分之一位于第一核心部分的上游，相对于冷却剂流，第三和第四核心部分中的另一个位于第二核心部分的下游；其中冷却剂连续地流经第三和第四核心部分之一、第一核心部分、第二核心部分，然后第三和第四核心部分中的另一个，和重整产品连续地流经第一核心部分、第二核心部分、第一择优的氧化器、第三核心部分、第四核心部分，然后第二择优的氧化器。
2.权利要求1的重整产品冷却系统，其中第三和第四核心部分之一是第三核心部分，和第三和第四核心部分中的另一个是第四核心部分。
3.权利要求1的重整产品冷却系统，其中第三和第四核心部分之一是第四核心部分，和第三和第四核心部分中的另一个是第三核心部分。
4.在燃料加工子系统中使用的重整产品冷却系统，其用于降低质子交换膜燃料电池系统的重整产品流内的一氧化碳含量，该燃料加工子系统包括第一和第二择优的氧化器以氧化在重整产品流内携带的一氧化碳，其中相对于重整产品流，第二择优的氧化器位于第一择优的氧化器下游且与第一择优的氧化器相比要求较低的用于重整产品流的催化反应温度范围；该重整产品冷却系统包括第一换热器单元，以将热量从重整产品流传递到冷却剂流，第一换热器单元包括重整产品流和冷却剂流彼此以换热关系流过其中的第一和第二核心部分，相对于重整产品流，第一换热器单元位于第一择优的氧化器上游，第一核心部分连接到第二核心部分上，以将冷却剂流和重整产品流这二者供应到第二核心部分；和第二换热器单元，以将热量从重整产品流传递到冷却剂流，第二换热器单元包括重整产品流和冷却剂流以换热关系流过其中的第三和第四核心部分，相对于重整产品流，第二换热器单元位于第二择优的氧化器上游和第一择优的氧化器下游，第三核心部分连接到第四核心部分上，以将重整产品流供应到第四核心部分上，第三和第四核心部分之一连接到第一核心部分上，以将冷却剂流供应到第一核心部分上，第三和第四核心部分中的另一个连接到第二核心部分上，以接收来自第二核心部分的冷却剂流。
5.权利要求4的重整产品冷却系统，其中第三和第四核心部分之一是第三核心部分，和第三和第四核心部分中的另一个是第四核心部分。
6.权利要求4的重整产品冷却系统，其中第三和第四核心部分之一是第四核心部分，和第三和第四核心部分中的另一个是第三核心部分。
7.在燃料加工子系统中使用的重整产品冷却系统，其用于降低质子交换膜燃料电池系统的重整产品流内的一氧化碳含量，该燃料加工子系统包括第一和第二择优的氧化器以氧化在重整产品流内携带的一氧化碳，其中相对于重整产品流，第二择优的氧化器位于第一择优的氧化器下游且与第一择优的氧化器相比要求较低的用于重整产品流的催化反应温度范围；该重整产品冷却系统包括冷却剂流动路径；重整产品流动路径；和第一、第二、第三和第四换热器核心部分，其中每一核心部分包括具有换热关系的部分冷却剂流动路径和部分重整产品流动路径，以将热量从重整产品流传递到冷却剂流上，沿着重整产品流动路径，以编号顺序排列各核心部分，其中第一和第二核心部分位于第一择优的氧化器上游，和第三与第四核心部分位于第一择优的氧化器下游和第二择优的氧化器上游，沿着冷却剂流动路径，以编号顺序排列第一和第二核心部分，沿着冷却剂流动路径，在第一核心部分上游排列第三和第四核心部分之一，沿着冷却剂流动路径，在第二核心部分下游排列第三和第四核心部分中的另一个。
8.权利要求7的重整产品冷却系统，其中第三和第四核心部分之一是第三核心部分，和第三和第四核心部分中的另一个是第四核心部分。
9.权利要求7的重整产品冷却系统，其中第三和第四核心部分之一是第四核心部分，和第三和第四核心部分中的另一个是第三核心部分。
10.冷却重整产品流到所需的温度范围以进行在质子交换膜燃料电池系统的燃料加工子系统中的第一和第二催化反应的方法，其中在第二催化反应之前，使重整产品经历第一催化反应，该方法包括下述步骤a)在第一和第二催化反应之间，热量从重整产品流传递到起始流过的冷却剂流上；b)在第一催化反应之前，热量从重整产品流传递到步骤a)中加热的冷却剂流上；c)在第一催化反应之前，热量从步骤b)中冷却的重整产品流传递到步骤b)中加热的冷却剂上；和d)在第一和第二催化反应之间，热量从步骤c)中冷却的重整产品流传递到步骤c)中加热的冷却剂上。
11.权利要求10的方法，进一步包括调节冷却剂流总流速的步骤、
12.权利要求10的方法，进一步包括作为重整产品流速的函数调节冷却剂流的流速的步骤。
13.权利要求12的方法，其中该函数是线性函数。
14.冷却重整产品流到所需的温度范围以进行在质子交换膜类燃料电池系统的燃料加工子系统中的第一和第二催化反应的方法，其中在第二催化反应之前，使重整产品经历第一催化反应，该方法包括下述步骤通过将热量从重整产品流传递到尚未通过重整产品流加热的起始流过的冷却剂流上，和通过将热量在重整产品流和另一流过的冷却剂流之间传递，将重整产品流冷却到所需的温度范围内以进行第二催化反应，其中所述另一流过的冷却剂流已被在起始流过和在第一催化反应上游这二者的重整产品流预热。
15.权利要求14的方法，其中冷却步骤包括调节冷却剂流的总流速。
16.权利要求14的方法，其中冷却步骤包括作为重整产品流的流速的函数调节冷却剂流的总流速。
17.权利要求16的方法，其中该函数是线性函数。
18.权利要求14的方法，其中对于重整产品流的第一流速来说，热量从重整产品流传递到另一流过的冷却剂流上，对于重整产品流的第二流速来说，热量从所述的另一流过的冷却剂流传递到重整产品流上，其中第二流速小于第一流速。
19.冷却重整产品流到所需的温度范围以进行在质子交换膜类燃料电池系统的燃料加工子系统中的第一和第二催化反应的方法，其中在第二催化反应之前，使重整产品经历第一催化反应，该方法包括下述步骤采用通过第一催化反应下游的重整产品流和第一催化反应上游的重整产品流二者加热的冷却剂流，将重整产品流冷却到所需的温度范围内以进行第一催化反应。
20.权利要求19的方法，其中冷却步骤包括调节冷却剂流的总流速。
21.权利要求19的方法，其中冷却步骤包括作为重整产品流的流速的函数调节冷却剂流的总流速。
22.权利要求21的方法，其中该函数是线性函数。
23.冷却重整产品流到所需的温度范围以进行在质子交换膜类燃料电池系统的燃料加工子系统中的第一和第二催化反应的方法，其中在第二催化反应之前，使重整产品经历第一催化反应，该方法包括下述步骤采用通过第一催化反应下游的重整产品流和第一催化反应上游的重整产品流二者加热的冷却剂流，将重整产品流冷却到所需的温度范围内以进行第一催化反应；和采用尚未通过重整产品流加热的起始流过的冷却剂流和在第一催化反应上游通过重整产品流加热的另一流过的冷却剂流，将重整产品流冷却到所需的温度范围内以进行第二催化反应。
24.权利要求23的方法，其中冷却步骤包括调节冷却剂流的总流速。
25.权利要求23的方法，其中冷却步骤包括作为重整产品流的流速的函数调节冷却剂流的总流速。
26.权利要求25的方法，其中该函数是线性函数。
27.权利要求23的方法，其中对于重整产品流的第一流速来说，热量从重整产品流传递到另一流过的冷却剂流上，对于重整产品流的第二流速来说，热量从所述的另一流过的冷却剂流传递到重整产品流上，其中第二流速小于第一流速。
全文摘要
提供与燃料加工子系统(12)一起使用的重整产品冷却系统(10)，用以降低质子交换膜燃料电池系统(16)的重整产品流(14)内的一氧化碳含量。燃料加工子系统(12)包括第一和第二择优的氧化器(18，20)，氧化在重整产品流内携带的一氧化碳。重整产品冷却系统(10)包括冷却剂流动路径(30)、重整产品流动路径(32)、和第一、第二、第三、与第四换热器核心部分(34，36，38，40)。沿着重整产品流动路径(32)，以编号顺序排列各核心部分(36－40)，其中第一和第二核心部分(34，36)位于第一择优的氧化器(18)上游，和第三与第四核心部分(38，40)位于第一择优的氧化器(18)下游和第二择优的氧化器(20)上游。沿着冷却剂流动路径(30)，以编号顺序排列第一和第二核心部分(34，36)，沿着冷却剂流动路径(30)，在第一核心部分(34)上游排列第三和第四核心部分(38，40)之一，沿着冷却剂流动路径(30)，在第二核心部分下游排列第三和第四核心部分中(38，40)的另一个。
文档编号H01M2/04GK1757131SQ200380109995
公开日2006年4月5日 申请日期2003年12月18日 优先权日2003年2月28日
发明者J·瓦伦萨 申请人:穆丹制造公司