CN101473482A - 燃料电池设备中的预热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池设备中的预热装置，该燃料电池设备至少包括燃料电池单元(6)，该燃料电池单元具有阳极侧(7)和阴极侧(8)以及位于二者之间的电解质(9)，该燃料电池设备至少具有通向阳极侧(7)的燃料进口(1)和通向阴极侧(8)的含氧空气进口(11)，以及除硫单元(3)和燃料改变单元(4)和用于燃烧来自阳极和/或阴极侧的废气的后燃器(14)。根据本发明，后燃器(14)被提供有单独的燃料入口管道(24)，用来在燃料电池设备启动阶段将燃料引入后燃器(14)，并且单独输入的燃料在燃烧时所形成的废气中的至少一部分从后燃器(14)送出，用来在启动阶段至少对除硫单元(3)和/或燃料改变单元(4)进行加热。出口管道(27’)(29’)被提供有热交换器(31)和用于调节废气流的调节装置(30)。

Description

燃料电池设备中的预热装置
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分的燃料电池设备的预热装置，该燃料电池设备至少包括燃料电池单元(fuel cell unit)，燃料电池单元的燃料电池中具有阳极侧和阴极侧，阳极侧和阴极侧之间为电解质，燃料电池设备至少具有阳极侧的燃料入口和阴极侧的含氧空气入口，以及除硫单元、燃料改变(fuel modifying)单元和燃烧器，该燃烧器用来燃烧来自阳极侧和/或阴极侧的废气。
本发明还涉及燃料电池设备的预热方法。
背景技术
将来，具有良好效率的一种能源就是燃料电池，这种电池可以将燃料通过化学反应直接转变成电能。燃料电池有两个电极，阳极和阴极，阳极和阴极之间是被称为电解质的离子导电物质。天然气或其它碳氢化合物常被用作燃料，通常，这种燃料必须首先通过，例如，重整而转换成燃料电池所使用的燃料。经过这样处理后的燃料被注入到燃料电池的阳极中，而反应所需的氧则以例如空气的形式相应地注入到燃料的阴极侧。反应时，燃料电池阳极侧的燃料中的氢会释放电子，这些电子经由外部电路，即位于燃料电池后面的负载，从燃料电池的阳极侧移动到阴极侧。这样，在燃料电池内，氢与氧结合从而产生热量和能量，该能量直接被形成为电能，无需再将该能量转变成机械形式。然而，单个燃料电池所产生的电位差一般都很小，所以需要将若干燃料电池串联连接，以形成燃料电池单元，即所谓的燃料电池堆(stack)，也可将燃料电池堆也串联或并联连接，以便进一步增加电压或电流。其中，燃料电池的优点是，效率高、噪声少、活动部分极少。另一个优点是环境友好，排放物清洁，所述排放物只包括水或水蒸汽。
燃料电池动力装置中使用的燃料通常需要根据燃料情况在将燃料注入到燃料电池之前进行各种预处理。例如，这些预处理工作能够包括除硫、从燃料原材料中制取氢，或采用其它催化或非催化方法。不管使用什么样的方法，预处理作业的温度一般都大大高于环境温度。为此，在处理过程中流动的材料也必须被加热，因此，在进行实际处理过程前，通过热交换器或将热量传递到进行实际预处理的反应容器或反应器内来对这些材料进行加热。上述两种方法也可以结合使用。
根据现有技术，可以通过废气循环来满足这种对预热处理的需求，其中的废气是由后燃器经由热交换器产生的，在热交换器内，热量被传递到要被处理的燃料的原材料。除此之外，装有燃料的管路和反应容器通过外部跟踪加热方式和加热电阻器来进行电加热。这种现有技术解决方案的一个缺陷在于，在燃料电池系统的启动阶段，对外部电能的需求和消耗很大，原因在于燃料电池系统本身并不能产生预热所需的足够电能。另一个缺陷是，在该系统后期实际工作阶段，使用电能来进行所述预热作业会消耗燃料电池本身所产生的部分电能。因此，燃料电池设备的电效率就会降低。
发明内容
本发明的目的是提供燃料电池设备中的一种成本低性能可靠的预热装置，通过该装置，能够消除现有技术存在的上述缺陷。本发明的特别的目的是，提供燃料电池设备中的预热装置，在该预热装置内，燃料电池系统能够至少部分地或全部地不依赖外部电加热而予以启动。本发明的另外目的是，提供一种解决方案，按照这个方案，燃料和/或反应容器的能够不需要使用燃料电池本身所产生的电能而予以预热。还有，本发明的目的是，提供一种解决方案，按照这个方案，所使用的反应容器在无需消耗外部电能或燃料电池所产生的电能的情况想能够在工作期间被加热。
根据本发明的预热装置的特征在于权利要求1的特征部分所披露的内容。根据本发明的方法的特征在于权利要求7的特征部分所披露的内容。本发明的其它实施例的特征是其它权利要求所披露的内容。
根据本发明的预热装置的基本思路在于，设置通向后燃器的单独的燃料入口管道，用来在燃料电池设备的启动阶段向后燃器供给燃料，而且，该预热装置还包括从后燃器通向除硫单元的管道，用来将废气送到除硫单元，另外还包括用于排除来自除硫单元的废气的出口管道和/或用于将废气送到改变单元的从后燃器到改变单元的管道，以及用于排除来自改变单元的废气的出口管道。此外，除硫单元的出口管道上被提供有用于调节气体流的调节装置，排出管道包括位于调节装置和除硫单元之间的热交换器，和/或改变单元的排出管道上被提供有用于调节废气流率的调节装置，出口管道包括位于调节装置和改变单元之间的热交换器。
在本发明的一个实施例中，除硫单元被包围在与管道相连的壳体内，后燃器的至少部分废气通过该管道被送到所述壳体内。其中，这种布置的优点是，在启动阶段，反应容器能够在无外部电能的情况下而被预热。另一个优点是，在工作期间，无需使用电能，反应容器便能够被预热到正确的处理温度。与现有技术的设备相比，这提高了燃料电池设备的效率，原因在于不需要使用燃料电池自身所产生的电能来预热反应容器。
附图说明
下面，参照附图，通过一个实施例来更详细地介绍本发明，在附图中：
图1是典型燃料电池设备的简化示意图解；
图2是根据本发明的应用到燃料电池设备的装置的简化示意图解。
具体实施方式
图1以简化示意的形式示出了一种典型的燃料电池设备，在该燃料电池设备中，能够适当地使用根据本发明的预热装置。图1所示的燃料电池设备中，构成燃料电池单元6的高温工作的燃料电池堆能够包括，例如，固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell，SOFC)或熔融碳酸盐燃料电池(molten carbonate fuel cell，MCFC)或其它合适的燃料电池类型。所示出的设备的燃料能够是，例如，从天然气中可得到的氢。其它合适的燃料例如包括，甲醇、柴油、煤油和其它碳氢化合物物质。天然气通过入口管1经由热交换器2以加压状态注入到设备内，在热交换器内，燃料通过废气的热量得到加热。除硫单元3位于热交换器2的后方，该除硫单元用来去除燃料中的硫。在除硫单元3之后，天然气被送到起到燃料改变单元(fuel modifying unit)作用的预重整器或重整器4内，在该装置中，从天然气中制取氢。在制取氢时会用到水，水沿入口管16经由热交换器17在压力下送到设备内，在热交换器中，通过废气的热量而使水蒸发。在重整器4内，天然气的碳氢化合物通过水蒸气而被重整成氢、甲醇和碳氧化物。为了增强设备的操作性能，阳极侧7的一部分废气经由热交换器5和鼓风器13而被送到重整器4的入口侧，由此使得二氧化碳和水蒸汽可与入口流相混合。燃料经由所述热交换器5从重整器4输送到由燃料电池堆构成的燃料电池单元6的阳极侧7。燃料电池单元6的燃料电池堆由若干个压装在一起的燃料电池单元构成，每个燃料电池具有阳极侧7、阴极侧8以及位于二者之间的电解质9。在该图中以电池单元的形式概略地示出了燃料电池堆和它们的可能的组合形式。阳极侧7的未进行循环的废气部分被送到后燃器14，在后燃器处，剩余燃料被燃烧，而后，废气经由热交换器17、2和15被排出。
相应地，氧通过鼓风器10提供的空气被送到阴极侧8，空气从阴极侧8沿着入口管11被送入热交换器12，输入的空气在被送到阴极侧8之前由来自阴极侧的废气进行预热。阴极侧的废气的大部分热量用来对输送到热交换器12内的阴极侧的空气进行预热，来自阴极侧的废气被送到热交换器12。少量的热量再与废气一起被送到后燃器14并经过后燃器被排出设备。另外，一部分热量例如经由热交换器15在经过后燃器14后被直接排出设备。
图2是根据本发明的应用到热交换器设备(诸如图1所示的设备)的解决方案的简化示意图解。为了简明起见，图2没有示出图1所示的所有设备。在该设备中，除硫单元3被壳体21包围，壳体21的内部尺寸适当地大于除硫单元3，因此在壳体21的内壁和除硫单元3之间就形成了气体流动空间，主要是从所有侧面来环绕除硫单元3。因此，重整器4或者起到燃料改变单元作用的其它设备被壳体23包围，壳体23的内部尺寸适当大于重整器4，因此在壳体23的内壁和重整器4之间就形成了废气流通空间，该流通空间主要是从所有侧面来环绕重整器4。
单独的燃料管道24连接到后燃器14，通过该管道，未经处理的燃料被送入后燃器。另外，空气管道25连接到燃料管道24，用于借助鼓风器引入空气，这样，使空气与燃料混合，直至燃料在后燃器14中被燃尽为止。在某些情况下，这种混合也能够在实际燃烧器内进行。图1所示的鼓风器10，例如能够起到鼓风器的作用，也能够将空气吹到阴极8。
后燃器14的废气管道20被相应地布置路线(route)，因此，在必要时，除了通向环境大气的废气管道26外，废气能够经由必要的附加处理被送到除硫单元3，具体来说，是通过用于加热除硫单元3的管道27被送到除硫单元3的壳体21，通过管道28送到加热器22用来升高燃料温度以达到适合重整的温度，并通过管道29送到重整器4，具体来讲是重整器4的壳体23，以加热重整器4。废气经由出口管道27’、28’和29’从除硫单元3、加热器22和重整器4排出。出口管道27’、28’和29’与废气管道26形成流体连接。除硫单元3的出口管道27’、加热器22的出口管道28’和重整器4的出口管道29’都设有热交换器31，用来对废气进行冷却，而后将其送入废气管道26。废气中所含的热量借助热交换器31被传递到在加热回路(heating ciruit)32内流动的介质，诸如气体或液体。在加热回路32内被加热的介质例如被送到集中加热管网或其它热量分配管网33。
流通管道(flow channel)24、25和出口管道27’、28’和29’配有调节阀30或类似调节装置，用来打开和关闭管道，并根据需要调节管道内气体的流率。调节阀30沿废气流动方向位于热交换器31下游的除硫单元3的出口管道27’中、加热器22的出口管道28’中和重整器4的出口管道29’中。因此，热交换器31位于调节阀30和除硫单元3之间的除硫单元的出口管道27’中、加热器22和调节阀30之间的出口管道28’中和重整器4和调节阀30之间的重整器的出口管道29’中。
该设备还包括喷射器(ejector)18，用来使阳极侧7的废气进行再循环。阳极侧的废气经由再循环管道19从阳极7被送到喷射器。喷射器18位于燃料入口管道1内，诸如在除硫单元3和重整器4之间。鼓风器或类似装置能够用来代替喷射器18。
借助根据本发明的解决方案，燃料、除硫单元3和重整器4的预加热可以在燃料电池设备启动阶段进行，即，经由单独的燃料入口管道24，在除硫之前，将至少一部分原始燃料输送到后燃器14，并通过管道27，将至少一部分燃料燃烧形成的废气送到除硫单元3，诸如送入除硫单元3的壳体21，用来对除硫单元3进行加热。相应地，燃料如此燃烧后的一部分废气经由管道29被送到燃料改变单元，诸如重整器4的壳体23，用来对改变单元进行加热。此外，沿管道28经由独立管道24引入的燃料的一部分废气被送到加热器22，这样，在燃料除硫后通过加热器来增加燃料的温度。废气沿出口管道27’、28’和29’从除硫单元3、加热器22和重整器4被送到热交换器31，在热交换器31处，废气得到冷却。废气中所含的热量通过热交换器31被传递到加热回路32内流动的介质。进入除硫单元3、加热器22和重整器4内的废气的流可以根据需要通过出口管道27’、28’和29’的调节阀30来调节，这些调节阀可以基于除硫单元3、加热器22和重整器4的温度测量来进行控制。
在燃料电池设备实际工作期间，诸如启动阶段，是不需要预热的，但是，相同的出口管道27、28和29能够被用来输送废气，来对反应容器进行加热，以使它们的温度保持在该过程所需的水平。这将能够补偿该过程中的任何热量损失，并增加该过程的效率。
对所属领域的技术人员显而易见的是，本发明并不仅限于上述实施例，而是能够在后面所附权利要求的范围之内进行修改。因此，该设备的设计和所使用各设计部件的设计能够不同于上述所描述的。因此，例如，除硫单元和起到燃料改变单元作用的重整器或预重整器能够被布置在一个壳体内而不是两个单独的壳体内。
还对所属领域的技术人员显而易见的是，该燃料电池设备内循环的物质-诸如燃料、废气和空气的循环都不需要与上述所描述的相同，而是能够以多种方式并使用不同的设备配置来执行。
对本领域技术人员还显而易见的是，燃料改变单元能够根据燃料电池设备的配置而不同，但应是适合这个用途的设备。
还有，本领域技术人员将显而易见的是，根据本发明的解决方案并不仅限于上述的固体氧化物燃料电池(SOFC)或熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)，而是能够与若干其它类型燃料电池结合使用。
此外，本领域技术人员将显而易见的是，除了上述天然气外，所使用的燃料能够是适合用于燃料电池的任何其它燃料。也能够使用其它材料来替代氢，由此，能够使用相应的燃料处理单元来替代重整器。

Claims (9)

1.一种燃料电池设备中的预热装置，所述燃料电池设备至少包括燃料电池单元(6)，所述燃料电池单元(6)的燃料电池包括阳极侧(7)和阴极侧(8)以及位于二者之间的电解质(9)，所述燃料电池设备包括阳极侧(7)上的燃料入口(1)和阴极侧(8)上的含氧空气入口(11)以及除硫单元(3)、燃料改变单元(4)和用于燃烧来自阳极侧和/或阴极侧的废气的燃烧器(14)，所述后燃器(14)被提供有单独的燃料入口管道(24)，用于在燃料电池设备的启动阶段期间将燃料引入所述后燃器(14)，所述装置包括：
- 从所述后燃器(14)到所述除硫单元(3)的管道(27)，用来将废气送往所述除硫单元(3)，以及出口管道(27’)，用来排出来自所述除硫单元(3)的废气；和/或
- 从所述后燃器(4)到改变单元(4)的管道(29)，用来将废气送往改变单元(4)，以及出口管道(29’)，用来排出来自所述改变单元(4)的废气，其特征在于：
- 所述除硫单元(3)的所述出口管道(27’)被提供有用于调节废气流率的调节装置(30)，并且所述出口管道(27’)被提供有热交换器(31)，该热交换器(31)位于所述调节装置(30)和所述除硫单元(3)之间；和/或
- 所述改变单元(4)的所述出口管道(29’)被提供有用于调节废气流率的调节装置(30)，并且所述出口管道(29’)被提供有热交换器(31)，该热交换器(31)位于所述调节装置(30)和所述改变单元(4)之间。
2.根据权利要求1所述的预热装置，其特征在于，所述除硫单元(3)被壳体(21)包围，和/或所述燃料改变单元(4)被壳体(23)包围，管道(27，29)连接到所述壳体中，用来将废气从所述后燃器(14)送到所述壳体(21，23)内。
3.根据权利要求1或2所述的预热装置，其特征在于，在所述除硫单元(3)之前，单独的燃料入口管道(24)被连接到燃料入口管道(1)。
4.根据权利要求1到3中任何一项所述的预热装置，其特征在于，连接到所述单独的燃料入口管道(24)的空气管道(25)用来将另外的空气引入所述后燃器(14)。
5.根据上述权利要求中任何一项所述的预热装置，其特征在于，所述装置包括位于所述燃料入口管道(1)内用来对燃料进行加热的加热器(22)，和设置于所述后燃器(14)和所述加热器(22)之间用来将废气送到所述加热器(22)的管道(28)，以及用来将来自所述加热器(22)的废气排出的出口管道(28’)。
6.根据权利要求5所述的预热装置，其特征在于，所述出口管道(28’)被提供有用于调节废气流率的调节装置(30)，并且所述出口管道(28’)被提供有热交换器(31)，该热交换器(31)位于所述调节装置(30)和所述加热器(22)之间。
7.一种燃料电池设备的预热方法，所述燃料电池设备包括燃料电池单元(6)，该燃料电池单元的燃料电池包括阳极侧(7)和阴极侧(8)以及位于二者之间的电解质(9)，该燃料电池设备至少具有通向所述阳极侧(7)的燃料入口(1)和通向所述阴极侧(8)的含氧空气入口(11)，以及除硫单元(3)、燃料改变单元(4)和用于燃烧来自所述阳极侧和阴极侧的废气的燃烧器(14)，采用这种方法，在所述燃料电池启动阶段，燃料被送到所述后燃器(14)，燃料在所述后燃器(14)内燃烧，通过将所述后燃器(14)内燃烧燃料的废气送到所述除硫单元(3)而使得所述除硫单元(3)得到加热，废气经由出口管道(28’)从所述除硫单元(3)排出，和/或通过将所述后燃器(14)内燃烧燃料的废气送到所述改变单元(4)而使得所述燃料改变单元(4)得到加热，废气经由出口管道(29’)从所述改变单元(4)排出；
其特征在于：
- 到所述除硫单元(3)的废气流通过设置于所述出口管道(28’)中的调节装置(30)来调节，所述废气流通过位于所述调节装置(30)和所述除硫单元(3)之间的出口管道(28’)内的热交换器(31)予以冷却；和/或
- 到所述改变单元(4)的废气流通过设置于所述出口管道(29’)中的调节装置(30)来调节，所述废气流通过位于所述调节装置(30)和所述改变单元(4)之间的出口管道(29’)内的热交换器(31)来加以冷却。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述装置包括位于所述燃料入口管道(1)中的用于加热燃料的加热器(22)，所述加热器通过将所述后燃器(14)内燃烧燃料的废气送到所述加热器(22)而得到加热，废气沿出口管道(28’)从所述加热器(22)排出，到所述加热器(22)的废气流通过位于所述出口管道(28’)中的调节装置(30)来调节，并且所述废气流通过位于所述调节装置(30)和所述加热器(22)之间的出口管道(28’)中的热交换器(31)来加以冷却。
9.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，到所述除硫单元(3)和/或所述改变单元(4)和/或所述加热器(22)的废气流是基于所述单元的温度测量予以控制的。
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