CN101489664A - 燃料电池系统的重整器和操作重整器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池系统(10)的重整器(12)。所述重整器包含氧化区(48)，储存的燃料可以利用主燃料送料器(50；62)供应到氧化区(48)，用于与氧化剂反应；和混合区(54)，其设置在氧化区(48)的下游，储存的燃料可以利用辅助燃料送料器(56；64)供应到混合区(54)，以与从氧化区(48)形成的物质混合。本发明的特征在于，调整所述主燃料送料器(50；62)和辅助燃料送料器(56；64)供应燃料的方式，使由主燃料送料器(50；62)供应的燃料与由辅助燃料送料器(56；64)供应的燃料在供应的燃料类型和/或其聚集状态和/或压力和/或温度方面不同。本发明还涉及包含所述重整器的燃料电池系统，包含所述燃料电池系统的机动车辆，以及操作所述重整器(12)的方法。

Description

燃料电池系统的重整器和操作重整器的方法
本发明涉及燃料电池系统的重整器，其包含用于利用主燃料送料器接收供应的燃料的氧化区，所述燃料用于与氧化剂反应；和设置在氧化区的下游的混合区，接收利用辅助燃料送料器供应的燃料，所述燃料与从氧化区形成的物质混合。
此外，本发明涉及包含一个所述重整器的燃料电池系统，并涉及包含一个所述燃料电池系统的机动车辆。
另外，本发明还涉及操作燃料电池系统的重整器的方法，其包括下述步骤：从燃料箱向氧化区供应燃料，在氧化区中所述燃料与氧化剂反应；并从燃料箱向设置在氧化区的下游的混合区供应燃料，所述燃料可以在混合区与从氧化区形成的物质混合。
燃料电池系统用于将化学能转化为电能。这种系统的核心元件是燃料电池，其中通过氢和氧的受控反应释放电能。燃料电池系统必须能够处理通常实际使用的燃料。因为氢和氧在燃料电池中反应，必须要调整使用的燃料，从而使供应给燃料电池的阳极的气体的氢比例高，这是重整器的任务。为此，重整器接收供应的燃料和氧化剂(优选空气)，然后燃料在重整器中与氧化剂反应。将由重整器产生的重整产物送至燃料电池堆的各个燃料电池，得到由氢和氧化剂的受控反应释放的电能，所述氢为重整产物的组分。一种一般的重整器可从德国专利DE 103 59 205 A1得知。
本发明的目的是改进一般的重整器、一般的燃料电池系统、一般的机动车辆和操作重整器的一般方法，从而可以优化重整器的操作。
该目的可从独立权利要求实现。
本发明的有利方面和其他实施方案可从从属权利要求得知。
根据本发明的重整器基于一般现有技术，其中设计主燃料送料器和辅助燃料送料器以供应燃料，使由主燃料送料器供应的燃料与由辅助燃料送料器供应的燃料在品级和/或聚集体的状态和/或送料压力和/或送料温度方面不同。本发明基于以下发现，即在氧化区和混合区中对蒸发的质量的要求不同。在氧化区中，当燃料的蒸发使得得到的燃烧均匀并因此均匀的气体混合物进入混合区就足够了，而在混合区，对蒸发的要求较高。在这里必须确保实现均匀蒸发，同时，燃料蒸汽必须与来自氧化区的气体混合物均匀混合。这可以由本发明有利地实现，由主燃料送料器供应的燃料与由辅助燃料送料器供应的燃料在品级和/或聚集体的状态和/或送料压力和/或送料温度方面不同，相对于现有技术其优点在于，可以选择并调整这些参数，从而在相应的区中得到蒸发的最佳起始条件，进一步的优点在于性能模块化()，即重整器的工作区较宽，因为现在可以改进重整器的操作。这意味着在实际中，可以在重整器的氧化区中燃烧一种品级的燃料(比如柴油)，而在混合区中将另一燃料品级的燃料(例如汽油)作为重整反应物(Eduktfür die Reformierung)，混入氧化区燃烧的产物气体中。
可以有利地改进根据本发明的重整器，所述主燃料送料器是送料压力最大10bar的低压送料器，所述辅助燃料送料器是送料压力为50bar或更大的高压送料器。由于在混合区中对蒸发的要求较高，使用高成本的高压送料器具有优势。相反，在氧化区中，使用低成本的低压送料器就足够了。除了节省能源，这还具有通过省去用于氧化区的成本高的多的高压送料器，从而节省成本的优势。
在这种情况中，特别地，所述辅助燃料送料器是送料压力为50到100bar的高压送料器。
可选地，所述辅助燃料送料器是送料压力为900到1100bar的高压送料器。
此外，可以改进根据本发明的重整器，设计所述主燃料送料器，使其与第一燃料箱相连，并设计所述辅助燃料送料器，使其与另外的第二燃料箱相连。由于各种品级的燃料的不同的温度、焓和蒸发速度，通过用不同品级的燃料供应氧化区和混合区，可以选择各品级，从而优化在相应区中的蒸发和相应的反应。
此外，本发明提供燃料电池系统和包含所述燃料电池系统的机动车辆，该燃料电池系统具有前述优点。
可以有利地改进一般方法，以允许供应到氧化区的燃料与供应到混合区的燃料在品级和/或聚集体的状态和/或送料压力和/或送料温度方面存在不同。根据本发明也在本发明方法的范围内，本发明基于发现在氧化区和在混合区中对蒸发质量的要求不同。在氧化区中，当燃料的蒸发使得燃烧均匀并且进入混合区的气体混合物相应地均匀就足够了，而在混合区，对蒸发的要求较高。在这里要求蒸发均匀，同时，燃料蒸汽需要与来自氧化区的气体混合物均匀混合。这可以由本发明有利地实现，由主燃料送料器供应的燃料与由辅助燃料送料器供应的燃料在品级和/或聚集体的状态和/或送料压力和/或送料温度方面不同，相对于现有技术其优点在于，可以选择并调整这些参数，从而在相应的区中得到蒸发的最佳起始条件，进一步的优点在于性能模块化，即重整器的工作区较宽，因为现在可以改进重整器的操作。这意味着在实际中，可以在重整器的氧化区中燃烧一种品级的燃料(比如柴油)，而在混合区中将另一燃料品级的燃料(例如汽油)作为重整反应物，混入氧化区燃烧的产物气体中。
此外，可以有利地改进根据本发明的方法，供应至氧化区的燃料的送料压力最大为10bar，并且供应至混合区的燃料的送料压力为50bar或更大。
特别地，供应至混合区的燃料的送料压力为50到100bar。
可选地，供应至混合区的燃料的送料压力为900到1100bar。
此外，可以有利地改进根据本发明的方法，供应至氧化区的燃料从第一燃料箱供应，供应至混合区的燃料由另外的第二燃料箱供应。由于各种品级的燃料的不同的温度、焓和蒸发速度，通过用不同品级的燃料供应氧化区和混合区，可以选择各品级，从而优化在相应的区中蒸发和相关的反应。
下面通过参考示例性附图详细说明本发明的优选实施方案，其中：
图1是根据第一示例实施方案的燃料电池系统的图示；
图2是根据第一示例实施方案的重整器的图示；
图3是根据第二示例实施方案的燃料电池系统的图示；
图4是根据第二示例实施方案的重整器的图示。
图1是根据第一示例实施方案的燃料电池系统的图示。机动车辆中安装的燃料电池系统10包含重整器12，其用于接收使用来自燃料箱16并经过第一燃料线14供应的燃料。此外，重整器12接收通过来自第二燃料箱20的第二燃料线18供应的燃料。合适的燃料品级是柴油、汽油、生物气、天然气和其他现有技术已知的品级。在第一示例实施方案的范围内，第一燃料箱16中的燃料的品级与第二燃料箱20中的燃料的品级不同，因此可以有利地在第一燃料箱16中盛装柴油，在第二燃料箱20中盛装汽油。此外，通过第一氧化剂线22向重整器12供应氧化剂，比如空气。由重整器12产生的重整产物通过重整产物线24供应至燃料电池堆26。所述重整产物是富氢气体，其在燃料电池堆26中在阴极进料空气的辅助下产生电和热，所述阴极进料空气通过阴极进料空气线28供应。电能可以通过电接头30来获得。在所示的情况中，阳极废气通过阳极废气线32供应至后燃器36的混合器34。后燃器36通过第三燃料线38接收由第一燃料箱16供应的燃料。此外，后燃器36通过第二氧化剂线40接收供应的氧化剂。在后燃器36中，废弃的阳极极废气与供应的燃料和氧化剂反应，形成燃烧废气，其与混合器42中的阴极废气混合，所述阴极废气通过阴极废气线44从燃料电池堆送至混合器42。几乎不含有毒排放物的燃烧废气流过热交换器46，从而在最终离开燃料电池系统10之前预热阴极进料空气。
图2是根据第一示例实施方案的重整器的图示。重整器12包含氧化区48，其接收来自主燃料送料器50的燃料。主燃料送料器50与第一燃料线14相连，从而主燃料送料器50供应第一燃料箱16中盛装的燃料品级。此外，氧化剂送料器52与第一氧化剂线22相连，利用氧化剂送料器52可以将氧化剂送至氧化区48。在氧化区48中，燃料和氧化剂的反应在燃烧或完全放热氧化反应中进行。然后得到的热产物气流进入下游混合区54，即到图2的右侧。重整器的各个区在图2中由虚线互相分开的区表示。这些区可以通过结构特征分开或流动地相互交界(flieβend ineinander übergehen)。在混合区54中，得到的产物气体通过辅助燃料送料器56与另外的气体混合。在本实施例中，主燃料送料器50和辅助燃料送料器56各包含喷射器，并优选文丘里喷嘴(Venturidüse)。然而，通过包含多孔蒸发器的蒸发型燃料送料器供应的燃料可以分别供应至氧化区48和混合区54。辅助燃料送料器56与第二燃料线18相连，从而在第二燃料箱20而不是第一燃料箱16中盛装的燃料可以通过燃料供应装置供应至辅助燃料送料器56。此外，混合区54可以接收供应的氧化剂。与另外的燃料混合的气体混合物进入重整区58，在重整区58中，在吸热反应中形成富氢气体混合物，优选利用其中设置的催化剂。该重整产物，即富氢气体混合物通过重整产物线24离开重整器12，从而可以在燃料电池堆26中进一步使用。
在第一示例实施方案的一种实施方式中，在第一燃料箱16和第二燃料箱20中盛装同样品级的燃料，但其聚集体状态(即气体、液体)不同。在该设置中，例如，某些燃料以液体形式盛装在一个箱中，同样品级的燃料可以以气体形式盛装在另一个箱中，通过使一个箱中和相应的燃料线中存在的压力高于另一个燃料线来实现，从而保持燃料在气体状态。
应当注意，下面使用的标记数字表示与第一示例实施方案中具有相同功能的元件，为避免重复而省略了其说明。
图3是根据第二示例实施方案的燃料电池系统的图示。第二示例实施方案的燃料电池系统10与图1所示的燃料电池系统不同，不是使用第一燃料箱16和第二燃料箱20，而仅在机动车辆中安装单个燃料箱60。该燃料箱60为第一、第二和第三燃料线14、18、38提供具有相同品级的燃料。
图4是根据第二示例实施方案的重整器的图示。第二示例实施方案的重整器12不是包含图2所示的主燃料送料器，而是包含设计为低压送料器系统的主燃料送料器62。优选地，主燃料送料器62是具有单料喷嘴的低压喷射器，但也可以是包含多孔蒸发器的蒸发型燃料送料器，例如纤维网蒸发单元(Vliesverdampfungseinheit)(金属泡沫型)。低压送料器系统在10bar以下的送料压力下工作。此外，第二示例实施方案的重整器12包含设计为高压系统的辅助燃料送料器64。高压系统是在900到1100bar下操作的喷射器系统，并且可以在优选约1000bar下操作，例如使用共轨系统实现所述压力。可选地，高压送料器系统可以在50-100bar的送料压力下操作，所述压力可通过例如冲击压力喷射器系统实现。
在第二示例实施方案的一种实施方式中，所述主燃料送料器62设计为喷射器(Einspritzdüse)，并且所述辅助燃料送料器64设计为包含多孔蒸发器(例如金属泡沫蒸发器)的蒸发型燃料送料器。
在第二示例实施方案的第二种实施方式中，设计或操作所述主燃料送料器62和辅助燃料送料器64，使由主燃料送料器62送至重整器12的相应区的燃料的温度与由辅助燃料送料器64供应的燃料不同。可选地，燃料的这种不同进料温度可以通过第一燃料线14和/或第二燃料线18中的加热器或冷却器实现。温度的这种差别可能导致主燃料送料器62中的燃料与辅助燃料送料器64中的燃料的聚集状态不同。
应当注意，尽管根据相应的附图分别描述了各示例实施方案和它们的变化，多种示例实施方案和它们的变化的任何组合都在本发明的范围内。例如，可以组合其中将不同品级的燃料供应至包含高和低压燃料送料器的重整器的第一和第二示例实施方案。
尽管在附图中没有明确显示，但可以设置相应的传送装置，比如可以在燃料线14、18和38，氧化剂线22和40，以及阴极送料空气线28中设置泵或鼓风机和/或控制阀。
应当理解，在上述说明、附图和权利要求中披露的本发明的特征本身或任何组合对于实现本发明可能是关键的。
附图标记
10 燃料电池系统
12 重整器
14 第一燃料线
16 第一燃料箱
18 第二燃料线
20 第二燃料箱
22 第一氧化剂线
24 重整产物线
26 燃料电池堆
28 阴极送料空气线
30 电接头
32 阳极废气线
34 混合器
36 后燃器
38 第三燃料线
40 第二氧化剂线
42 混合器
44 阴极废气线
46 热交换器
48 氧化区
50 主燃料送料器
52 氧化剂送料器
54 混合区
56 辅助燃料送料器
58 重整区
60 燃料箱
62 主燃料送料器
64 辅助燃料送料器

Claims (13)

1、用于燃料电池系统(10)的重整器(12)，其包含
-氧化区(48)，其接收由主燃料送料器(50；62)供应的贮存燃料，所述燃料用于与氧化剂反应；和
-设置在氧化区(48)的下游的混合区(54)，其接收由辅助燃料送料器(56；64)供应的贮存燃料，所述燃料与从氧化区(48)形成的物质混合，
所述重整器的特征在于，设计所述主燃料送料器(50；62)和辅助燃料送料器(56；64)以供应燃料，以使由主燃料送料器(50；62)供应的燃料与由辅助燃料送料器(56；64)供应的燃料在品级和/或聚集体的状态和/或送料压力和/或送料温度方面不同。
2、权利要求1的重整器(12)，其特征在于所述主燃料送料器(62)是送料压力最大为10bar的低压送料器，所述辅助燃料送料器(64)是送料压力为50bar或更大的高压送料器。
3、权利要求2的重整器(12)，其特征在于所述辅助燃料送料器(64)是送料压力为50到100bar的高压送料器。
4、权利要求2的重整器(12)，其特征在于所述辅助燃料送料器(64)是送料压力为900到1100bar的高压送料器。
5、前述权利要求任一项的重整器(12)，其特征在于设计所述主燃料送料器(50)，使其与第一燃料箱(16)相连，并设计所述辅助燃料送料器(56)，使其与另外的第二燃料箱(20)相连。
6、燃料电池系统(10)，其包含前述权利要求任一项的重整器(12)。
7、机动车辆，其包含权利要求6的燃料电池系统(10)。
8、权利要求7的机动车辆，其特征在于提供两个燃料箱(16，20)，其中一个燃料箱(16)与重整器(12)的主燃料送料器(50)相连，第二燃料箱(20)与辅助燃料送料器(56)相连。
9、操作燃料电池系统(10)的重整器(12)的方法，其包括下述步骤：
-从燃料箱(16；60)向氧化区(48)供应燃料，在氧化区(48)中所述燃料与氧化剂反应；并
-从燃料箱(20；60)向设置在氧化区(48)的下游的混合区(54)供应燃料，所述燃料可以在混合区(54)与从氧化区(48)形成的物质混合，
其特征在于供应到氧化区(48)的燃料与供应到混合区(54)的燃料在品级和/或聚集体的状态和/或送料压力和/或送料温度方面不同。
10、权利要求9的方法，其特征在于用最大10bar的送料压力将燃料送至氧化区(48)，并且送至混合区(54)的燃料的送料压力为50bar或更大。
11、权利要求10的方法，其特征在于供应到混合区(54)的燃料在送料压力为50到100bar的送料压力下供应。
12、权利要求10的方法，其特征在于供应到混合区(54)的燃料在送料压力为900到1100bar的送料压力下供应。
13、权利要求9到12任一项的方法，其特征在于供应到氧化区(48)的燃料从第一燃料箱(16)供应，供应到混合区(54)的燃料从独立的第二燃料箱(20)供应。
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