CN101536227B - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的燃料电池系统用来从液态燃料和气态燃料中产生电和热。它具有重整器和燃料电池堆，燃料电池堆的工作温度高于120℃并且它的废热被用于在蒸发管道(2)中产生水蒸汽。蒸发管道(2)被布置成与待冷却的堆(1)直接热接触。借助于在蒸发管道(2)出口处的保压设备，所述蒸发管道(2)中的压力被设置为产生所期望的堆的温度的值。

Description

燃料电池系统
背景技术
燃料电池系统被用于将液态燃料和气态燃料的能量转化成电流和热。能量的转化无声地发生在燃料电池中，并且在将化学能转化成电能期间具有介于50％和60％之间的效率比，这取决于电池中所选择的电流密度。与由发动机驱动的电流发生器相比，其优点在于，在为远程网络供电以及分散的电-热耦合所需的小输出的情况下在kW范围内特别高效。因此，开发燃料电池系统的工作已在世界范围内完成，但是，直到现在市场上仍没有任何突破。
其原因主要是制造完整的、非常复杂的系统的高昂成本。这个系统包括用重整器处理燃料(使用所谓的燃料处理器)、燃料电池堆以及外围部件，例如热交换器、泵、阀和用于自动操作的电子设备。
装备有聚合物膜并被设计用于高达大约80℃工作温度的PEM燃料电池，要求重整物的CO精细洗涤达到ppm范围，并为保持阴极空气的湿度而需要昂贵的水管理。在这种情况下，用于蒸汽重整器的处理用水可能不能用电池堆的废热来蒸发，因为对此来说温度太低了。
文件WO 2005/084771A2描述了紧凑型重整器，具有集成的蒸发器。这能够被用于高达80％的效率比的重整。如果考虑到由辅助组件例如泵、鼓风机以及电流传感器而带来的10％到15％的总发电的损失，作为结果而得到的整个系统的电效率比为35％到40％。
考虑最近才面世的、在120℃到200℃的温度下工作的高温PEM电池(由PEMEAS und Pat发表)，可省略CO精细洗涤和水管理，从而允许对过程进行相当大的简化。另外，电池堆的废热可被用于处理用水的蒸发。
发明内容
本发明的目的是基于高温电池进一步简化整个过程，以降低生产成本并提供更安全的自动操作。这样一来，整个系统的电效率比应不会降低到低于35％到40％的水平，如果可能的话，甚至更高。
使用根据权利要求1的特征的燃料电池系统实现了这个目的。
高温堆以及优选的转化站或转化反应器也直接接触蒸发管道而被冷却并在蒸汽压力的帮助下被恒温控制。从而，至少堆的废热以及，可选择地，转化反应器的废热被利用，从而提供了效率比。
减小了装置的尺寸和复杂性。除堆和重整器之外，仅仅还必需鼓风机、水泵、冷凝器以及若干阀和配件。不需要独立加热的蒸汽发生器。
过程控制和过程监控特别地简单。只有一个用于重整器的温度的控制电路。至于燃料、空气和水的质量流量，粗略的比例控制已经足够。
整个系统的电效率比高于现有技术中的系统。与蒸汽发生器结合，可以达到高于40％的电效率比，在使用热自动补偿的重整器时，可以达到35％。在这两种情况下，电流和热的总效率比大约为100％。
附图说明
附图中的各图示出了本发明的示例性实施例。附图旨在补充描述。其中：
图1为根据本发明的系统的示例实施例的示意图，以及
图2为根据本发明的系统的修改后的实施例。
具体实施方式
根据图1的实例
为了产生电能，提供了燃料电池堆1，所述堆在高于100℃的温度下工作，优选地在大约120℃下工作。采用堆1的废热来产生用于重整器的蒸汽，采用蒸汽压力将所述堆恒温控制在所期望的温度下。这由蒸发管道2和压力阀16来实现，蒸发管道2，例如，具有一个(或多个)蒸发器管的形式，例如，配置成盘管，直接布置在堆1上，压力阀16，位于如此产生的蒸发器的出口处。在最简单的情况下，例如，在恒定输出的情况下，压力阀为可调节阀。在改变负载的情况下，所述阀为，例如，弹簧偏置的保压阀。可替代地，如此构造的保压设备也可以由具有电子控制器的受控阀表示。
因为堆的温度的自动控制仅经由湿蒸汽区域中的蒸汽压力而进行，所以被提供用来供应蒸发管道2的泵8将更多的水填充到蒸发器中，即，填充到为冷却蒸汽所必需的蒸发管道2中。形成了水/蒸汽混合物。过量的水在位于保压阀16下游的分离器15中被分离。在分离器15中被分离的水返回到缓冲容器9中。
由堆产生的蒸汽的量与在堆中转换的能量成比例(从而也与产生的电功率成比例)并导致大约为5的S/C(蒸汽/碳)比。与通常为3的比值相比，该高的蒸汽过剩量正面影响了过程的安全，但并未负面影响效率比。
水的蒸发要求堆1具有最低限温度。因此，堆1优选地保持在备用模式下的温度。这由真空绝热容器3实现，在真空绝热容器3中堆与加热器4布置在一起。
在重整之后，在高温堆中重整物的CO含量必须从8到12vol.％降低到大约1vol.％，这通过在200℃附近的温度范围内发生放热的催化转化反应来实现。正常来说，转化反应器为重整器的组成部分(见WO2005/084771)。本发明却背离了这个原理。这个温度范围与堆1的温度范围重叠。例如，所述温度范围在160°到200°。因此，优选的是，与蒸发管道6连通的转化反应器5被设立到堆1的热容器中。这样，当加热器4处于备用模式时，它也准备好在工作温度下工作。另外，蒸发器管2和6可串联连接，使得水/蒸汽可顺次地流过它们。
蒸汽喷射泵17可被连接到保压阀16以填充所述泵。使用这个泵并经由连接到所述泵的吸入连接器的阀15而将燃料吸入，从而使得燃料泵不是必要的。蒸汽喷射泵在它的出口处喷射蒸汽/燃料混合物。这个混合物经热交换器20供应给重整器23，在热交换器20处混合物被进一步加热。热交换器20由所产生的重整物的热量所加热。
参看根据图1的蒸汽重整器，以下部件位于绝热容器21中：
-重整反应器23，被间接加热并填充催化剂，
-燃烧室24，根据无焰氧化(FLOX)的原理方便地工作以避免形成热NOX，
-热交换器20，在其中由喷射泵17所喷射的燃料/蒸汽混合物被预热，且优选地逆流于向外流动的重整物，以及
-热交换器19，被用于预热由鼓风机13输送的助燃空气以及主要由燃料电池1的残留气体组成的可燃气体，优选地逆流于燃烧室24的排气。
如果热交换器19和20使用高效的逆流装置，重整器的效率比高于90％，从而比重整器具有用于低温堆的集成蒸发器的情况高了10％。
重整物被引导到转化反应器5中并随后进入堆1中。从堆排出的残留气体仍包含15％到25％的重整物的能量含量。这还不足以用来加热重整物，这就是重整物能够经阀18返回燃烧室24的原因。
燃烧室24的排气以及堆1的排出空气在冷凝器11中冷却到冷凝温度以关闭水回路。这导致系统用于电流和热的总效率比为大约100％，相对于较低的热值(所谓的热值操作)。连接到冷凝器11的是热解耦器，热解耦器可被用于分流热输出，例如，用于加热建筑物。
具有控制器设备25的整个系统的自动控制特别简单。取决于系统是使用电流还是使用热作为载体来工作，分接电流信号7或用于热解耦的信号12被用于近似成比例地：
-用阀14改变燃料供给，
-用鼓风机13改变空气，以及/或
-用泵8改变水量。
质量流量的确切比值并不削弱过程的安全性，因为水被过量传送，同样，空气量也并不关键。系统的电效率比仅受到非实质性的影响。同样，因为排气被冷却到凝结，总的效率比非常好。
包括温度传感器22和阀18的蒸汽重整器的温度控制代表唯一需要的控制电路。
根据图2的实例
可以将根据本发明的燃料电池系统与热自动补偿的重整器联接。使用同样的参考标记作为基础，前面的描述是可适用的。另外，下面也是可适用的。燃料的热自动补偿重整，与蒸汽重整相比，具有一定的优势，例如：
-紧凑的设计，因为没有间接的热传递，
-短暂的启动时间，以及
-无碳运转，即使采用更高分子量的(更长的链)碳氢化合物作为燃料，例如，油。
但是，不足之处在于，具有15％到25％的能量含量的堆1的残留气体不能被用于重整。在相同程度上，电效率比下降。但是，总效率比保持为100％，这是因为运转发生在冷凝模式下。
图2的描述与图1中的一致，仅具有下列不同：
热自动补偿重整器包括反应室26以及热交换器27，以使用向外流动的重整物来预热蒸汽/燃料混合物和空气。反应器26中的温度由传感器22和空气阀28控制。由堆冷却器输送的大量过剩蒸汽有益于过程的安全性，特别是当使用难处理的燃料(油，等等)时。当热交换器27为高效逆流装置时，重整器的效率比高于90％。在堆中没有反应掉的残留气体与空气在二次燃烧室29中燃烧并随后被输送到冷凝器11中。
最重要的优点为：
-高温堆，以及转化站也在蒸汽压力的帮助下直接与蒸发管道接触以方便地被恒温控制。
-装置的尺寸被减小。除堆和重整器之外，只再需要鼓风机、水泵、冷凝器以及若干阀和配件。
-过程控制和过程监测特别简单。只有一个用于控制重整器的温度的电路。粗略的比例控制对于燃料、水和空气的质量流量就足够了。
整个系统的电效率比高于现有技术中的系统。与蒸汽重整器结合，可实现高于40％的电效率比，与热自动补偿的重整器结合可实现高于35％的电效率比。在这两种情况下，电流和热的总效率比大约为100％。
为了实现重整，蒸汽/燃料比，即所谓的蒸汽/碳比或S/C比，必须被控制，例如，考虑蒸汽重整，为大约S/C＝3。与输出无关的是，燃料电池输送能量，即，大约一半为电流，一半为废热。如果废热被用于产生蒸汽，可得到大约为5的S/C比。事实上，这比所要求的要高，但是，没有必要对质量流量进行测量和控制。
因此，例如，用10bar的蒸汽压力将堆的温度恒温控制在大约160℃到180℃的温度，即，与输出无关。这可用简单的保压阀实现。
根据本发明的燃料电池系统被用于从液态燃料和气态燃料中产生电流和热。所述系统包括重整器和燃料电池堆，燃料电池堆的工作温度高于120℃，并提供用于在蒸发管道2中产生蒸汽的废热。蒸发管道2被布置成与待冷却的堆1直接热接触。在蒸发管道2的出口处的保压设备被设置成将所述管道中的压力调节到可导致所期望的堆的温度的值。

Claims (12)

1.一种燃料电池系统，用于从液态燃料和气态燃料产生电流和热，所述系统包括重整器以及燃料电池堆，燃料电池堆具有高于120℃的工作温度并提供用于在第一蒸发管道中产生蒸汽的废热，通过利用堆的废热向重整器提供蒸汽，来自动控制和/或调节蒸汽/燃料比，其特征在于：
-第一蒸发管道被布置成与待冷却的堆(1)直接热接触，
-在第一蒸发管道出口处的保压设备，被设置成将所述第一蒸发管道中的压力调节到导致所期望的堆的温度的值，
-转化反应器(5)也被蒸汽加热或冷却，所述反应器与第二蒸发管道传热联接，以及
-第二蒸发管道被保压设备(16)恒温控制。
2.权利要求1的燃料电池系统，特征在于，保压设备包括保压阀(16)，由此水分离器(15)设立在所述保压阀的上游。
3.权利要求1的燃料电池系统，特征在于，堆(1)与备用加热器(4)被封套在真空绝热容器(3)中。
4.权利要求1的燃料电池系统，特征在于，转化反应器(5)容纳在真空绝热容器(3)中。
5.权利要求1的燃料电池系统，特征在于，保压设备包括保压阀(16)，特征还在于，在保压阀(16)的下游，喷射泵(17)设置成为重整器吸入流体。
6.权利要求1的燃料电池系统，特征在于，控制设备(25)用阀(14)来改变燃料的质量流量，用鼓风机(13)来改变空气的质量流量，并用泵(8)来改变水的质量流量，按照需要以近似成比例的方式进行。
7.权利要求1的燃料电池系统，特征在于，重整器是采用间接加热的蒸汽重整器，它的以下部件位于绝热容器(21)中：
-重整反应器(23)，被间接加热并填充催化剂，
-燃烧室(24)，根据无焰氧化的原理方便地工作以避免形成热NOX，
-第一热交换器(20)，在其中由喷射泵(17)所喷射的燃料/蒸汽混合物被预热，并逆流于向外流动的重整物，以及
-第二热交换器(19)，被用于预热由鼓风机(13)输送的助燃空气以及主要由燃料电池(1)的残留气体组成的可燃气体，其逆流于燃烧室(24)的排气。
8.权利要求1的燃料电池系统，特征在于，重整器为热自动补偿的重整器，该热自动补偿重整器位于绝热容器中，包括反应室(26)以及热交换器(27)，以使用向外流动的重整物来预热蒸汽/燃料混合物和空气，反应室(26)中的温度由传感器(22)和空气阀(28)控制。
9.权利要求1的燃料电池系统，特征在于，堆的温度被湿蒸汽的温度自动控制。
10.一种使用燃料电池系统从液态燃料和气态燃料中产生电流和热的方法，该燃料电池系统包括重整器和燃料电池堆，燃料电池堆具有高于120℃的工作温度，并提供用于产生蒸汽的废热，通过利用堆的废热向重整器提供蒸汽，来自动控制和/或调节蒸汽/燃料比，特征在于：
-堆(1)被冷却，其中第一蒸发管道被布置成与待冷却的堆(1)直接热接触，
-在第一蒸发管道出口处的保压设备，被设置成将所述第一蒸发管道中的压力调节到导致所期望的堆的温度的值，
-转化反应器(5)也被蒸汽加热或冷却，所述反应器与第二蒸发管道传热联接，
-第二蒸发管道被保压设备(16)恒温控制，以及
-借助于喷射泵将产生的蒸汽与燃料混合以用于重整器。
11.权利要求10的方法，特征在于，控制设备(25)用阀(14)改变燃料的质量流量，用鼓风机(13)改变空气的质量流量，并用泵(8)改变水的质量流量，按照需要以近似成比例的方式进行。
12.权利要求10的方法，特征在于，堆的温度被湿蒸汽的温度自动控制。
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