CN101743658B - 用于运行燃料电池的方法以及燃料电池设备 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于运行、特别是用于启动燃料电池特别是固体氧化物燃料电池(SOFC)的方法，该方法包括具有第一或初始启动阶段和可选的第二或中间启动阶段的启动运行，在稳态运行激活前，在燃料电池已达到低于稳态运行温度的预定中间温度时起动第二或中间启动阶段，其中在第一或初始启动阶段期间燃料与氧气在燃烧器单元(2)内进行放热反应，并且来自燃烧器单元(2)的输出气体用于预热和被动地加热燃料电池(1)。此外，公开了一种用于实施该方法的包括燃料电池(1)的燃料电池设备、特别是SOFC混合系统。

Description

用于运行燃料电池的方法以及燃料电池设备
技术领域
本发明涉及一种用于运行、特别是用于启动燃料电池特别是固体氧化物燃料电池(SOFC)的方法。本发明还涉及一种用于实施该方法的包括这种燃料电池的燃料电池设备，特别是SOFC混合系统。
背景技术
固体氧化物燃料电池用于将例如氢或富氢混合物的燃料和氧气转化为电力、热和热输出气体。燃料供给到燃料电池的阳极室，且通过环境空气或压缩空气将氧气供应到燃料电池的阴极室。
这种燃料电池非常易受到内部温度梯度的损害，该温度梯度特别在启动过程期间由于燃料电池内不同材料的不同热膨胀特性而产生。
JP 2001351665公开了一种复合发电机和一种用于启动此发电机的方法，其中复合发电机包括燃气涡轮机和固体电极燃料电池。燃气涡轮机的排气线路供给通过支持燃烧的燃烧器、预热器和蒸汽发生器，以将燃料和供应到燃料电池的空气预热。以此，将防止复合发电机启动时在燃料重整器内的大温度梯度。
发明内容
基于本发明的一个目的是提供如以上引言部分中提及的特别在启动阶段用于运行燃料电池的改进的方法，使得在启动阶段发生的温度梯度最小化，且降低燃料电池的过早损坏的风险且增加燃料电池的寿命。
基于本发明的另一个目的是提供包括这种燃料电池的燃料电池设备，所述燃料电池设备适合于以有效方式实施以上方法。
该目的通过根据权利要求1所述的方法来解决。
此外，该目的通过根据权利要求14所述的燃料电池混合设备来解决。
通过该方法和设备，以不破坏燃料电池部件的方式解决了启动燃料电池(特别是SOFC)的问题。整个燃料电池混合设备的寿命和性能得以延长。此外，由于与已知解决方法相比在启动过程时发生更少的放热情况的事实，所以燃料电池的催化剂的寿命也得以延长。最后，根据本发明提供如下选择，即燃料电池混合设备在启动过程时能够通过涡轮机单元供应动力。
从属权利要求分别公开了根据权利要求1和14所述的解决方案的示范性和有利的实施例和改进。
应认识到，本发明的特征易于以任何组合来组合，而不偏离如附属权利要求中所限定的本发明的范围。
附图说明
本发明的其他细节、特征和优点将从结合附图对于本发明的示范性和优选的实施例的如下描述中显见，附图中示出：
图1示出了根据本发明的第一实施例的燃料电池混合设备的示意性框图，该燃料电池混合设备用于在初始或第一启动阶段期间实施根据本发明的方法的第一实施例；
图2示出了根据本发明的第二实施例的燃料电池混合设备的示意性框图，该燃料电池混合设备用于在初始或第一启动阶段期间实施根据本发明的方法的第二实施例；
图3示出了根据图1的本发明的第一实施例的燃料电池混合设备的示意性框图，该燃料电池混合设备用于在中间或随后的第二启动阶段期间实施根据本发明的方法；并且
图4示出了根据图1的本发明的第一实施例的燃料电池混合设备的示意性框图，该燃料电池混合设备用于在稳态运行期间实施根据本发明的方法。
具体实施方式
为易于解释，图1至图4大体上仅示出结合相关附图所描述的特定运行阶段期间所使用、需要或激活的那些管道、线路和部件。
此外，燃料电池混合设备的管道和线路以小写字母a、b、c...表示，单元和部件以数字1、2、3...表示，且外部供应源以大写字母A、B、C...表示。在图1至图4的所有附图中，任何附图标记或特征根据具体情况总是涉及相同的管道、线路、部件或外部供应源。
图1示出了根据本发明的优选的和示范性的第一实施例的燃料电池混合设备的示意性框图。
该燃料电池混合设备包括优选具有固体氧化物燃料电池(SOFC)形式的燃料电池1，所述燃料电池包括阴极室11和阳极室12。燃料电池混合设备还包括燃烧器单元2(所述燃烧器单元2能够是传统的燃烧器单元或催化燃烧器单元)、第一热交换器3、第二热交换器4以及包括膨胀机51和压缩机52的涡轮机单元5。此外，提供多个管道或线路a至f以及第一阀21与第二阀22，用于将这些单元和部件1至5根据如下的解释相互连接。
电子控制单元(ECU)6用于操作或控制第一阀21和第二阀22，每个阀的操作和控制分别通过具有与第一阀21和第二阀22相同的附图标记21、22的相应输出端子进行，所述输出端子21、22分别与所述第一阀21和第二阀22连接。然而，仅为清晰性原因，附图中省略了ECU6与第一阀21和第二阀22之间通过ECU6的输出端子的本身连接。同样情况相应地适用于图2至图4中示出的控制单元6和输出端子以及在这些附图中表示的相关的阀。
最后，示意性地示出空气供应源A、燃料供应源D和排气部E。
燃料电池1(SOFC)用于将燃料和氧气转化为电力、热和热输出气体。优选地，将氢或例如二甲醚(DME)的富氢燃料用作燃料，然而，任何烃(如，烷烃)、优选为C1至C4族内的烃(即其分子包含1个至4个C原子的族)内的烃，还有具有多于4个C原子的那些烃，任何醇、优选在C1至C4族内的醇，以及任何醚、优选在C1至C4族内的醚也适合于在根据本发明的燃料电池混合设备内使用。一般地，氢、C1至C4族内的烃具有最高的效率，且是最优选的燃料。
在稳态中，燃料通过燃料供应源D供应到燃料电池混合设备。氧气通常由环境空气经过空气供应源A供应到燃料电池混合设备。废气通过排气部E从燃料电池混合设备释放。
一般地，且在稳态中，如上所提及的燃料能够通过燃料电池1的阳极反应直接转化，或如果燃料为纯氢燃料，则燃料首先在初级反应步骤中通过阳极催化剂上的分开的且第一(或上部)催化剂层转化为包含氢和一氧化碳的气体混合物，且然后通过燃料电池1的阳极催化剂上的第二催化剂层进行(次级)阳极反应。
气体混合物也可以包含甲烷和二氧化碳以及作为来自此初级反应步骤的反应产物的其他物质。初级反应步骤能够包括吸热部分反应和放热部分反应。此外，空气和水能够用于在第一催化剂层内控制这些反应。如果利用此第一或初级反应步骤，则其反应产物在次级反应步骤期间将作为通过燃料电池1的阳极催化剂上的第二催化剂层在燃料电池1的阳极处进行的电化学反应的燃料。
燃料电池1的输出气体经常包括能够在燃烧器单元2内燃烧的物质。这些气体可以是未转化的氢或初级燃料或在燃料电池1的阳极室内的第一和第二催化剂层内发生反应的反应产物。来自燃烧器单元2的热输出气体能够通向涡轮机单元5的膨胀机51，该膨胀机51与压缩机52相互作用，该压缩机52用于压缩在稳态运行中从空气供应源A供应到燃料电池1的阴极室11的空气。通过涡轮机单元5内的膨胀机51能够产生电力。
如在以上的引言部分所提及，固体氧化物燃料电池典型地非常易受到内部温度梯度的损害，因为所述固体氧化物燃料电池包括数个具有不同热膨胀特性的不同材料。这样的内部温度梯度能够特别在燃料电池混合设备的启动运行期间发生到相当大的程度，即在燃料电池混合设备开启和燃料电池混合设备的稳态运行之间的时段期间，其中燃料电池通常在例如大约650℃至大约800℃之间的温度范围内运行。
为避免或降低这样的有害的内部温度梯度，根据本发明，燃料电池混合设备的启动运行以根据本发明的方法来运行，所述方法包括第一或初始启动阶段，且优选地包括在稳态运行激活前的第二随后或中间启动阶段。
图1示出了根据本发明的方法的在第一或初始启动阶段期间的第一实施例，该阶段在燃料电池混合设备开启时启动，且将在下文中解释该阶段。
大体上，第一或初始启动阶段提供为使燃料与氧气在燃烧器单元2内受到放热反应(该燃烧器单元2优选是催化燃烧器单元或传统的燃烧器单元)，以通过来自燃烧器单元2的输出气体的热量来预热(warmup)且被动地加热燃料电池1。
更详细地，在第一或初始启动阶段期间，从空气供应源A通过第一线路供应空气，所述空气被引导通过涡轮机单元5的压缩机52并在其中被压缩且通过第一热交换器3以接收热量，并引导到燃烧器单元2的第一输入内。此外，燃料(优选为DME，见上文)从燃料供应源D经由第二线路b通过第一热交换器3以接收热量，从而供应到燃烧器单元2的第二输入内。
在使用输入处要求预热的燃料和空气的催化燃烧器单元2的情况中，优选提供附加单元，例如具有传统燃烧器单元或电加热单元(在图中未示出)形式的附加单元，所述附加单元用于在第一或初始启动阶段的开始时的阶段期间加热第一热交换器3和/或在燃料和空气供应到催化燃烧器单元2之前将其直接加热，在此期间第一热交换器3未被燃料电池1的输出气体或燃烧器单元2的输出气体充分加热，使得在此阶段期间燃料和空气不能仅通过第一热交换器3被充分加热。
在不使用催化燃烧器单元2而使用常用的或传统的燃烧器单元2的情况中，供给到燃烧器单元2的空气和燃料通常不需要预热。
在燃烧器单元2内，燃料与来自所供应的空气的氧气进行放热反应，且来自燃烧器单元2的热输出气体经由第三线路c通过第二热交换器4以释放热量而供给，且然后输出气体供给到涡轮机单元5的膨胀机51内，用于在第一或初始启动阶段期间运行压缩空气的压缩机52且用于产生电力。
来自涡轮机单元5的膨胀机51的输出气体的热量用于均匀地预热且被动地加热燃料电池1，这通过使这些气体在如下四个变型的至少一个中经过阳极室11和/或阴极室12来进行。这些变型也能够相互组合且能够在第一或初始启动阶段启动前选择，和/或能够在第一或初始启动阶段进行期间按要求改变和/或选择，以向燃料电池1提供必需的热量。
根据第一变型，输出气体从涡轮机5的输出(即膨胀机51)通过第一阀21经由第三线路c的第一部分c1通过第一热交换器3供给，以向压缩空气(线路a)和/或燃料(线路b)释放热量，并且通过第二阀22经由第四线路d直接(即绕开第二热交换器4)供给到燃料电池1的阴极室11和/或阳极室12内。
根据第二变型，输出气体从涡轮机5的输出(即膨胀机51)通过第一阀21经由第三线路c的第二部分c2直接供给到第二阀22(即，绕开第一热交换器3)，且然后经由第五线路e通过第二热交换器4，以从燃烧器单元2(线路c)的输出气体接收热量，并且经由第四线路d供给到燃料电池1的室11、12的至少一个内。
根据第三变型，输出气体从涡轮机5的输出(即膨胀机51)通过第一阀21经由第三线路c的第二部分c2直接通过第二阀22和第四线路d直接(即，绕开第一热交换器3和第二热交换器4)供给到燃料电池1的室11、12的至少一个内。如果燃烧器单元2是传统的燃烧器单元2而非催化燃烧器单元2，则此变型是特别有用的。
根据第四变型，输出气体从涡轮机5的输出(即膨胀机51)通过第一阀21经由第三线路c的的第一部分c1通过第一热交换器3供给，以向压缩空气(线路a)和/或燃料(线路b)释放热量供给，且然后经由第二阀22和第五线路e通过第二热交换器4，以从燃烧器单元2的输出气体(线路c)接收热量，且经由第四线路d供给到燃料电池1的室11、12的至少一个内。
通过由控制单元6相应地控制阀21、22来激活的这些变型的至少一个，燃料电池1在整个单元内被均匀地预热，且预热到预定的温度，使得燃料电池1的加热不通过燃料电池1内的氧和氢之间的电化学反应进行，而是通过燃烧器单元2的热输出气体进行。(仅当如果燃烧器单元2的输出气体包含到达燃料电池1的未燃烧的燃料，则在燃料电池1内才能进行有助于燃料电池1预热的相应的电化学反应，然而，这通常在第一或初始启动阶段期间是有害的反应)。
来自燃料电池1的阴极室11和/或阳极室12的输出气体经由第六线路f通过第一热交换器3供给，以向压缩空气且向所供应的燃料释放热量，然后输出气体到达排气部E。
第一阀21和第二阀22通过电子控制单元6控制。此控制单元6的与相关阀连接的相关输出以与相关阀相同的附图标记21、22表示(如在上文中解释)。
如上所提及，以上四个变型的至少一个的选择能够在第一或初始启动阶段启动前进行，和/或在第一或初始启动阶段进行期间进行，这例如适当地取决于在膨胀机51内释放的输出气体的热量和/或燃料电池1的预热所必需的输出气体的热量。
图2示出了根据本发明的第二实施例的燃料电池混合设备的示意性框图，用于在启动或初始阶段期间实施根据本发明的方法的第二实施例。与在根据图1的第一实施例中相同的单元、部件和线路分别以相同的附图标记和符号表示，使得关于这些单元、部件和线路的功能与以上图1的解释进行相同的参考。仅为清晰性起见，图2中未示出第三线路c的第一部分c1和第二部分c2以及第一阀21。
根据图1和图2的本发明的第一和第二实施例之间的关键差异在于，根据图2的燃料电池混合设备提供有附加的热传递系统，所述附加的热传递系统大体上包括通道或管道和歧管，它们经过第一热交换器3和/或第二热交换器4而用于接收热量，且经过燃料电池1内的优选靠近阳极的分开的加热腔或室13而用于释放热量且附加地加热燃料电池1。
根据图2，示范性地提供第七线路k和第八线路l(第八线路l将第二热交换器4连接到附加的热传递系统)以及泵单元9，所述泵单元9用于将热交换流体或冷却剂介质通过线路k、l且通过冷却腔或室13(仅示意性示出)传递，其中第七线路k从第一热交换器3接收热量和/或第八线路l从第二热交换器4接收热量，这通过分别使这些线路k、l每个通过第一热交换器3和第二热交换器4来实现。
另外，第七线路k和第八线路l之间的连接能够提供有切换阀(未示出)，使得能够仅通过第一热交换器3或通过第一热交换器3和第二热交换器4选择性地输送冷却剂介质。
当然也能够利用其他构造，其中例如冷却剂介质仅通过第二热交换器4供给而不通过第一热交换器3。
此外，图2的附加的热传递系统的运行能够与加热运行变型或与其组合或次序组合，如结合图1和图3的实施例来描述。
附加的热传递系统k、l、9、13能够在一定情形或环境条件下自动地或通过合并有这种燃料电池混合设备的车辆驾驶员或通过这种燃料电池混合设备的操作者激活。优选地，电子控制单元6也提供用于激活且运行此热传递系统，特别是泵单元9。因此，如在图2中所示，泵单元9也与电子控制单元6通过电子控制单元6的具有相同附图标记9的相应的输出端子连接。同样情况适用于以上所提及的切换阀(未示出)。
图3示出了根据如图1中所示的本发明的第一实施例的燃料电池混合设备的示意性框图，用于解释根据本发明的启动运行的第二或中间启动阶段，所述第二或中间启动阶段是可选的阶段，且特别是如果氢用作燃料在稳态运行(图4)激活之前，优选地跟随根据图1或图2的第一或初始启动阶段。通过该(可选的)第二或中间启动阶段，一方面将整个启动阶段加速，且另一方面进一步降低了由于稳态阶段过早启动导致的燃料电池1内催化剂损坏的风险。
与根据图1的第一实施例中相同的单元、部件和线路再次分别以相同的附图标记和符号表示，使得关于这些单元、部件和线路的功能参考以上的解释。
根据图1或图2的第一或初始启动阶段和根据图3的第二或中间启动阶段之间的明显差异在于，具有压缩空气形式的氧气不仅供应到燃烧器单元2的输入，而且供应到燃料电池1的阴极室11和阳极室12的至少一个。
为实现此目的，第一线路优选在超过第一热交换器3处通过第三阀41分支到第一分支a1和第二分支a2内，所述第一分支a1经由第四阀14引导到阴极室11内且经由第五阀15引导到阳极室12内，且所述第二分支a2引导到燃烧器单元2的第一输入内。
通过以电子控制单元6打开用于第一分支a1的第三阀41和第四阀14和/或第五阀15，将少量空气(即氧气)供应到燃料电池1的阴极室11和/或阳极室12。优选地，当阴极室11内的温度已达到一定的预定中间温度时，例如达到大约低于燃料电池1的稳态运行温度或下限运行温度50℃时，第四阀14打开。当阳极室12内的温度达到一定的预定中间温度时，例如达到大约低于燃料电池1的稳态运行温度或下限运行温度50℃时，第五阀15打开。
此外，这些阀14、15优选控制为使得燃料电池1内在阳极室12和阴极室11之间的温度梯度处于最小值。
如上所提及，通过在启动过程的第二或中间启动阶段期间如此附加地将空气(该空气在涡轮机单元5的压缩机52内被压缩，且在第一热交换器3内被加热)供给到燃料电池1内，使得启动过程加速，从而能够更快地达到稳态运行。
原因是与燃料的放热反应将在阴极处且在燃料电池1的阳极处的初级催化剂层内开始。由于此事实，空气能够供应到阴极室11和阳极室12，且能够避免预定阈值以上的有害温度梯度。
燃料电池1内的温度能够进一步通过打开燃料电池1处的用于空气或水的入口阀(在图3中未示出)来控制，以此能够冷却阳极室12。冷却水也可以开始与初级燃料在阳极的第一催化剂层内进行吸热反应。类似地，如果需要，则阴极室11的温度也能够进一步以通过燃料电池1处的相应的入口阀(在图3中未示出)供应的空气或水来控制。
图4示出了根据本发明的第一实施例的燃料电池混合设备的示意性框图，用于解释稳态运行。与根据图1的第一实施例中相同的单元、部件和线路分别以相同的附图标记和符号指示，使得关于这些单元、部件和线路的功能参考以上的解释。
当燃料电池1已达到一定的预定的升高温度时，所述稳态或正常运行启动，所述一定的预定的升高温度通常已知为例如大约650℃的下限运行温度。
在稳态运行期间，供给通过第二热交换器4以释放热量且通过涡轮机单元5的膨胀机51的燃烧器单元2的输出气体经由第一热交换器3(用于释放热量)供应到排气部E，从而取代供应到阴极室11和阳极室12。为清晰起见，图4中未示出相关的切换阀，而且图4中省略了图1至图3中的相关的线路部分c1和c2以及第四线路d，因为在稳态运行期间不使用它们。相同的情况适用于第一阀21和第二阀22以及第五线路e，它们根据图1至图3可选地将膨胀机51的输出气体引导通过第二热交换器4。
根据图4，再次从燃料供应源D经由第二线路b通过用于接收热量的第一热交换器3来供给燃料。然而，在第一热交换器3的输出处，第二线路b通过第六阀31分支到第一分支b1和第二分支b2，该第一分支b 1经由第七阀23直接引导到阳极室12内，且该第二分支b2引导到第二热交换器4内，用于在燃料的一部分从第二热交换器4的输出也供给到燃料电池1的阳极室12前可选地进一步加热所述燃料的一部分。燃料在线路b1和b2之间的这种分配通过控制第六阀31来进行，以保持燃料电池1内希望的运行温度。
此外，经由第七阀23设置有第二线路b的第三分支b3，经由第三分支b3能将燃料供给到燃烧器单元2的第二输入内，以燃烧燃料。来自燃烧器单元2的输出气体经由线路c供给到第二热交换器4，以加热第二热交换器4内的燃料，且然后将所述输出气体供给到膨胀机51，以驱动压缩机52。供给到燃烧器单元2内的燃料的量通过操作第七阀23来控制，使得将用于进一步加热燃料所需量的热量供应到第二热交换器4内，且使得膨胀机51能够根据由压缩机52所施加的载荷运行。
最后，对于稳态运行，燃料电池混合设备设有优选在第一热交换器3的输出与排气部E之间的水分离器Wt，通过该水分离器将水从离开燃烧器单元2的输出气体或其部分(在其已供给通过第二热交换器4、涡轮机单元5和第一热交换器3之后)分离。分离的水的量特别取决于排气流的输出温度。
将水从水分离器Wt经由第九线路m供应到水箱W，从该水箱W将水经由第十线路n且通过第八阀24优选供给到第二热交换器4内，使得第二热交换器4被加热，且水主要以水蒸汽的形式与燃料一起经由分支线路b2供应到燃料电池1的阳极室12内。然而，因为燃料不必在分支线路b2内供给，所以此分支线路b2也能够仅从第十线路n供给蒸汽(在此情况中，第六阀31关闭线路b2，因此避免将燃料经由线路b2供给到燃料电池1)。替代地，第十线路n可直接供给到分支线路b2(未示出)内，使得可绕开第二热交换器4。
来自水箱W的水的至少一部分也能够通过相应地控制第八阀24而经由第三线路c、膨胀机51和第一热交换器3供给回到水分离器Wt内。
再次从空气供应源A供应空气，且将空气供给通过涡轮机单元5的压缩机52，然后供给通过第一热交换器3且在第一热交换器3内通过膨胀机51的输出气体来加热。在第一热交换器3的输出处，第一线路再次通过第三阀41分支为第一分支a1和第二分支a2，所述第一分支a1直接引导到阴极室11内且经由第五阀15引导到阳极室12内，且第二分支a2供给到燃烧器单元2的第一输入内。
通过此构造，如果需实现在阳极处的燃料内部重整，则水或水蒸汽和/或燃料经由分支线路b2仍能够供应到阳极室12，且通过打开第五阀15空气仍能够供应到阳极室12。
最后，燃料电池1的阴极室11和阳极室12的输出气体优选经由第九阀42和第十一线路g供应到燃烧器单元2的第三输入，用于将这些气体的任何未反应的化合物与可选地分别经由第二输入和第一输入供应到燃烧器单元2内的燃料和空气(氧气)一起燃烧，即氧化。然而，替代地或补充地，这些输出气体也能够根据图1至图3经由第六线路f的超过第九阀42的相关部分(图4中以虚线示出)供给到排气部E。
再次仅示意性地示出用于开关或运行相关阀的电子控制单元6，且电子控制单元6的引导到相关阀的输出端子中每一个以与相关阀相同的附图标记表示。
一般地，带有200℃或更低的离开温度的涡轮机单元5能够有利地安装在根据本发明的燃料电池混合设备内。在此情况中，整个设备的效率能够在65％或更高的范围内。此外，利用这种涡轮机单元5管理整个设备的水平衡是相对容易的。如果从第十线路n经由第八阀24和第三线路c将一些过量的水注入涡轮机单元5，则能够获得甚至更高的效率。
如上所提及，根据本发明的方法和燃料电池混合设备的主要优点是能够以如下方式运行，即在启动过程期间产生动力，而不牺牲燃料电池、特别是SOFC的耐久性和长期性能。
整个设备的能量源是例如车辆(或固定设备等)的初级燃料，所述燃料优选在主燃料箱内被加压。在涡轮机单元5的压缩机52内产生加压空气。空气能够用于控制燃料电池1的阴极室11和阳极室12内的温度并且控制优选作为催化燃烧器单元2的燃烧器单元2内的温度。
燃烧器单元2适合于将初级燃料(如果无氢)、未反应的氢和一氧化碳以及在燃料电池1的阳极室12的第一和第二催化层内所发生反应的其他反应性副产品转化为CO2和水蒸汽，以产生用于涡轮机单元5的热输出气体。
在稳态运行期间，燃料电池1将经由第九阀42和第十一线路g为燃烧器单元2供应热空气和热反应物，例如一氧化碳、氢和来自燃料电池1的输出的残余燃料。这些热气体和物质的温度接近燃料电池1的正常运行温度，例如大约在650℃至大约800℃之间。
也能够在根据图4的稳态运行期间使用根据图2的热传递系统。在此情况中，燃料电池1的热输出气体优选在涡轮机单元5的下游且可能在其上游与根据图2的热传递系统的冷却剂介质进行气体/流体热交换。冷却剂介质使燃料电池1的温度升高，其方式将不危及燃料电池1的耐久性和性能。
储存在水箱W内的所分离的水能够进一步用于控制燃料电池1的温度，以此如果初级燃料不是氢则由于初级燃料的吸热的水/气体转换反应，提高了设备的效率。
于是，根据本发明的燃料电池混合设备不需要位于燃料电池1上游的分开的燃料重整器单元。以此，降低了燃料电池混合设备的复杂性、重量以及成本和体积。
此外，能够用在根据本发明的燃料电池混合设备内的涡轮机单元5能够使用来自燃烧器单元2的高质量的热。涡轮机单元5和燃烧器单元2一起使得燃料电池混合设备的效率增加到大致60％至65％，但如果使用带有低至大约200℃的排气温度的涡轮机单元5，则所述效率可以甚至更高。此效率大体上高于低温燃料电池的情况。
由于DME燃料在高温下的反应性高且燃料不沉积炭黑的事实，燃料电池混合设备优选利用DME燃料运行。
DME具有如下优点，即与许多其他可容易获得的烃相比，DME不会导致燃料电池1的通常基于Ni的阳极的耐久性问题。DME能够从天然气和从“绿色”资源产生。
此外，DME也比氢明显地更容易处理。DME是无毒、惰性、非致癌性、非突变诱导、非腐蚀性的燃料，且能够以与天然气相同的方式储存。
DME的另一个优点是不需要预燃烧器，因为在燃料电池1和涡轮机单元5之间的燃烧器单元2能够从环境温度启动。最后，在燃料电池混合设备受到频繁的启动和关闭过程的情况中，能够明显延长寿命。
以上的阀21、22、41、31、23、24和42是具有一个入口和两个出口的三向阀，这些阀优选设置为使得相互独立地控制(即增大、减小或关闭)流出两个出口的流。阀14和15是具有一个入口和一个出口的开/关阀，其中能够优选以连续增大和减小的方式控制(“比例”阀)流出口的气流。
一般地，应注意到，能够对上文中描述的本发明的实施例进行修改，而不偏离由附属权利要求所限定的本发明的范围。
此外，用于描述和要求本发明的例如“包括”、“包含”、“合并”、“由...组成”、“具有”、“是”的表达意图以非排他性方式来解释，即也允许存在未明确地描述的项目、部件或元件。
最后，在附属权利要求中的括号内包括的数字意图帮助理解权利要求，且不应以任何方式解释为限制由这些权利要求所要求的主旨。

Claims (22)

1.用于运行燃料电池的方法，包括：
-具有第一或初始启动阶段的启动运行，在所述第一或初始启动阶段期间，所供应的燃料与氧气在燃烧器单元(2)内进行放热反应，并且在所述第一或初始启动阶段期间，所述燃料电池(1)借助从所述燃烧器单元(2)供给到所述燃料电池(1)的输出气体的热量被预热，其中，来自所述燃烧器单元(2)的输出气体用于借助涡轮机单元(5)产生电力，直至所述燃料电池(1)已达到稳态运行温度范围内的下限运行温度,以及
-稳态运行，当达到所述下限运行温度时，起动所述稳态运行，其中，所述稳态运行以如下方式起动：将燃料供给到所述燃料电池(1)的阳极室(12)内，并将空气供给到所述燃料电池(1)的阴极室(11)内，并且终止从所述燃烧器单元(2)向所述燃料电池(1)内供给输出气体，
其中，在所述启动运行期间，所述燃料电池(1)另外借助热传递系统(l、k、9)加热，所述热传递系统(l、k、9)包括热交换流体，所述热交换流体用于将热从第一和/或第二热交换器(3、4)供应到所述燃料电池(1)内或所述燃料电池(1)处的加热腔或室(13)中。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述启动运行期间，使来自所述燃烧器单元(2)的输出气体通过用于驱动压缩机(52)的膨胀机(51)，所述压缩机(52)用于压缩供给到所述燃烧器单元(2)的空气以供应氧气。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，使来自所述膨胀机(51)的输出气体通过用于向压缩的空气和/或供应的燃料释放热量的第一热交换器(3)，和/或通过用于从来自所述燃烧器单元(2)的输出气体接收热量的第二热交换器(4)。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，使来自所述燃料电池(1)的输出气体通过用于向压缩的空气和/或供应的燃料释放热量的所述第一热交换器(3)。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述启动运行包括在所述燃料电池已达到低于所述稳态运行温度范围的预定中间温度时起动的第二或中间启动阶段，在所述第二或中间启动阶段期间，在所述燃料电池(1)的相关的阴极室(11)或阳极室(12)已达到所述预定中间温度后，将氧气供应到所述阴极室(11)和阳极室(12)中的至少一个室内。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，当所述燃料电池(1)已达到所述预定中间温度以上的预定升高温度但低于所述稳态运行温度范围时，或替代地当所述燃料电池(1)已达到所述稳态运行温度范围内的下限运行温度时，终止所述第二或中间启动阶段并起动稳态运行。
7.根据权利要求3所述的方法，其中，通过使供应到所述阳极室(12)的燃料通过所述第一和第二热交换器(3、4)中的至少一个热交换器来加热所述燃料。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，通过在所述燃烧器单元(2)内燃烧燃料且通过使来自所述燃烧器单元(2)的输出气体通过所述相关的第一和/或第二热交换器(3、4)来加热所述第一和第二热交换器(3、4)中的所述至少一个热交换器。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，从所述燃烧器单元(2)的输出气体分离出水，所述水以水蒸汽的形式供应到所述燃料电池(1)的所述阳极室(12)内，用于控制所述燃料电池(1)的温度。
10.根据权利要求2所述的方法，其中，从所述燃烧器单元(2)的输出气体分离出水，所述水供应到所述涡轮机单元(5)的所述膨胀机(51)内，用于提高所述涡轮机单元(5)的效率。
11.燃料电池混合设备，包括燃料电池(1)和用于燃烧燃料的燃烧器单元(2)，其中所述燃烧器单元(2)可与所述燃料电池(1)连接，用于根据权利要求1至10中至少一项所述的方法在启动运行期间将通过燃烧燃料产生的热量供给到所述燃料电池(1)，以使所述燃料电池(1)预热。
12.根据权利要求11所述的燃料电池混合设备，
包括：第一线路(a；a2)，所述第一线路(a；a2)处于空气供应源(A)与所述燃烧器单元(2)的第一输入之间，用于将空气从所述空气供应源(A)供给到所述燃烧器单元(2)的所述第一输入；和第二线路(b；b1、b3)，所述第二线路(b；b1、b3)处于燃料供应源(D)与所述燃烧器单元(2)的第二输入之间，用于将燃料从所述燃料供应源(D)供给到所述燃烧器单元(2)的所述第二输入。
13.根据权利要求11所述的燃料电池混合设备，包括第三和第四线路(c；c1；c2；d)，所述第三和第四线路(c；c1；c2；d)处于所述燃烧器单元(2)的输出与所述燃料电池(1)之间，用于将所述燃烧器单元(2)的输出气体供给到所述燃料电池(1)内。
14.根据权利要求12所述的燃料电池混合设备，包括第一热交换器(3)，所述第一热交换器(3)用于在将空气和/或燃料供给到所述燃烧器单元(2)之前加热空气和/或燃料。
15.根据权利要求12所述的燃料电池混合设备，包括涡轮机单元(5)，所述涡轮机单元(5)具有用于驱动压缩机(52)的膨胀机(51)，所述压缩机(52)用于压缩供给到所述燃烧器单元(2)的所述第一输入的空气。
16.根据权利要求15所述的燃料电池混合设备，其中使所述燃烧器单元(2)的输出气体通过所述膨胀机(51)，以驱动所述涡轮机单元(5)的所述压缩机(52)。
17.根据权利要求13所述的燃料电池混合设备，包括第二热交换器(4)，所述第二热交换器(4)用于加热所述燃烧器单元(2)的供给到所述燃料电池(1)内的输出气体。
18.根据权利要求14所述的燃料电池混合设备，其中，使所述燃料电池(1)的输出气体通过所述第一热交换器(3)，用于向供应到所述燃烧器单元(2)的空气和/或燃料释放热量。
19.根据权利要求14和/或权利要求17所述的燃料电池混合设备，
包括热传递系统，所述热传递系统具有多个用于输送热交换流体的线路(k、l)，所述线路(k、l)经过所述第一和/或第二热交换器(3、4)以接收热量，且经过所述燃料电池(1)以释放热量。
20.根据权利要求11所述的燃料电池混合设备，包括水分离器(Wt)，所述水分离器(Wt)用于从所述燃烧器单元(2)的输出气体分离水且用于将水以水蒸汽的形式供应到所述燃料电池(1)的阳极室(12)内，以控制所述燃料电池(1)的温度。
21.根据权利要求16所述的燃料电池混合设备，包括水分离器(Wt)，所述水分离器(Wt)用于从所述燃烧器单元(2)的输出气体分离水且用于将水供应到所述膨胀机(51)内。
22.用于控制多个阀(21、22、41、14、15、31、23、24、42)的控制单元(6)，用于根据权利要求1至11中至少一项所述的方法来控制根据权利要求11至21中至少一项所述的燃料电池混合设备。
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