CN106104882B - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池系统，用于通过重整物处理进行内部热耦合的重整。该燃料电池系统包括：燃料电池堆，所述燃料电池堆具有：阳极入口、阳极出口、阴极入口和阴极出口。此外，设有与所述燃料电池堆热耦合的重整器装置，用于预备阳极流体，所述阳极流体包括被重整的燃料，所述重整器装置设置在阳极入口上游。在重整器装置与阳极入口之间设置用于从阳极流体中去除未重整的燃料和/或有害物质的处理装置。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统。
背景技术
在DE 102 30 283 A1中公开了一种用于清洁输送给用于驱动的燃料电池的为燃料电池运行不利的组成部分的气体的方法。在此情况下，在相应的气体的输送通道中设置有过滤器系统，该过滤器系统构成用于离析颗粒和有害气体。接着，将气体输送给燃料电池。过滤器系统构成为将颗粒作为气体或蒸汽形式的组成部分来离析，所述组成部分对燃料电池的运行起有害作用。通过利用过滤器系统清洁相应的反应气体防止了污物沉积于输送通道、输送机构和燃料电池本身中，所述污物妨碍了燃料电池的功能或使得有害气体在燃料电池中不期望地反应。
在DE 101 267 54 B4中得到了一种用于在燃料电池系统中驱动碳氢化合物重整器的方法。根据该方法，高温转换级和/或低温转换级多级地实施。在所述转换级之间设置用于降低重整气体的温度的其他冷却级。为了优化对一氧化碳的转换，围绕CO转换的最大理论反应速度设置一范围。转换级的体积设计为，在转换级的入口和出口之间进行的CO转换以低于预设的范围的反应速度进行。
在WO 97/50140中得到了具有蒸发器的直接甲醇燃料电池(DMFC)。在蒸发器中，燃料溶液的这两种组成部分：水和甲醇被加热超过沸点并且接着被输送给燃料电池。
在DE 29 27 655 C2中描述了电化学燃料电池的方法和用于执行给方法的重整。在此情况下设计为：含碳氢化合物的气态除了输送给与燃料电池连接的流动路径之外还输送给其他流动路径，其他流动路径与电极和电解质隔离。这些其他流动路径与传递热的表面导热连接。在这些其他流动路径中，含碳氢化合物的气体经由催化剂传导，该催化剂促进了气体的碳氢化合物成分吸热重整，以便冷却燃料电池。
在DE 199 45 667 C2中得到了燃料电池和用于燃料电池运行的方法。燃料电池包括重整器，该重整器具有重整室，并且包括带有阳极室的隔膜电极单元，该阳极室连接到具有阳极的涂层的电极上。阳极室构成为，隔膜电极单元(MEA)的相邻的电极接着阳极的涂层之后具有第二涂层，所述阳极的涂层适于转化作为燃料的甲醇和作为燃料的氢。该阳极室用作用于重整甲醇的重整催化剂，以便提供氢，该氢用作燃料。
在DE 196 46 579 C2中描述了高温燃料电池堆(固体氧化物燃料电池)。该燃料电池堆包括附加的燃料气体通道，该燃料气体通道设置在燃料电池堆的燃料电池之内。该燃料气体通道具有用于重整燃料气体的机构并且通入燃料气体电极室中。在废气从阳极燃料气体电极室排出的区域中，设置开口，该开口通入附加的燃料气体通道中，使得经由该开口可将产物水输送给用于重整燃料气体的机构。通过在阳极和重整室之间的连接(燃料气体通道)，在甲醇到达阳极中之前可以将甲醇重整成氢。
在WO 2010/066900中公开了一种用于提供包含燃料和氢蒸汽的载气来供给燃料电池的加湿单元。该加湿单元包括：加湿室，该加湿室构成为容纳含燃料的液体；通入加湿室中的入口，用于输送含燃料的液体；另一通入加湿室中的入口，用于输送载气，使得在加湿室中的载气与液体接触。此外，设置用于输出含气态的燃料的载气的出口，其中设置控制装置，该控制装置将加湿室中的含燃料的液体调节到在其沸点之下的温度上。该控制装置构成为，通过使燃料电池浓度与含燃料的液体的温度协调对燃料和水蒸汽的蒸发压力进行调节。
在DE 10 2011 015 824 A1中描述了一种用于飞机的燃料电池系统。在燃料电池系统中会有利的是，重整器的寿命通过使用清洁单元可得到延长。清洁单元设置在重整器与燃料电池5之间。借助清洁单元要将污物分开，污物包含在反应器中产生的气体，该气体包含氢(尤其剩余燃料，由碳氢化合物未完全氧化而形成的产物如乙醇或通过裂解产生的更短链长的碳氢化合物)。此外，该系统包括加热装置，以便将所需的能量输送给重整器，用于产生含氢的气体。燃烧器与加热装置热耦合并且利用来自燃料罐中的合成燃料运行。燃料电池系统要利用合成燃料运行，该燃料由生物质制造。优选地，在输送合适的氧化介质如空气或水的情况下在重整合成燃料时要产生氢。在一种可替选的实施形式中，设计为通过部分脱水产生氢气。在部分脱水时，并不包含合成气体，因为在反应混合物中无氧化介质。代替此，在重整燃料时形成经脱水的剩余燃料，其可以在设置在重整器与清洁单元之间的冷凝设备中与包含水的气体分开。该剩余气体例如可以输送给燃烧器。
在DE 601 16 602 T2中得到了燃料电池系统。根据燃料电池系统设计为，从沼气中使用包含氢的气体来运行燃料电池，以便提供效率提高的燃料电池系统。沼气要在甲醇发酵部段中从有机材料中获得。在甲醇发酵阶段中产生甲醇气体和二氧化碳。此外，该系统包括碱性吸收部段，其中已穿过碱性吸收部段的气体到达氢制造或重整部段。在氢制造部段中进行重整，在重整时产生氢。在重整部段之后设置转换反应部段，接着转换反应部段时选择性的氧化部段。由此产生的包含氢的气体于是被输送给燃料电池。在燃料电池堆中产生的热要能够输送给甲醇发酵部段和碱性吸收部段，以便为其供给热。
在EP 1 414 092 B2中公开了具有集成的空气/燃料分配系统的固态氧化物燃料电池。相应地将重整气体和氧输送给该系统的燃料电池堆10。燃料电池堆的电池串联连接。根据这种系统，燃料被从储存容器96输送给蒸发器并且蒸发。含有燃料的蒸汽接着被输送给重整器，在该重整器中燃料基本上重整成氢和CO。重整物接着被输送给两个燃料电池堆的阳极。在此情况下设计为：未消耗的燃料从阳极出口导出给后燃器66，在该后燃器中未消耗的燃料与阴极排气和新鲜空气一起燃烧。在此产生的热燃料气体112被输送给重整器的清洁催化剂。催化剂的流出物通过换热器引导，以便加热被输送的阴极和阳极空气(输送给蒸发器的空气)。此外，设置如下装置，该装置连接在重整器与阳极入口之间，在该装置中设置减小氧的机构，例如镍金属泡沫、镍丝或镍网，以便结合氧形成氧化镍并且从阳极流体分开。
在DE 197 54 013 C2中得到了用于碳氢化合物的水重整的设备。该设备包括蒸发器、连接在蒸发器下游的重整单元，该重整单元具有预重整级和主重整器。在主重整器下游连接有CO2去除单元，CO2去除单元具有CO转换级和/或CO氧化级。此外，设置催化燃烧器单元，其中第一催化燃烧器单元和第二催化燃烧器单元要相应地为蒸发器和主重整器供给热。CO去除单元的输出端与催化燃烧器单元的输入端连接。该预重整级与CO转换级或CO氧化级导热地连接。利用该系统要将这种重整器的冷起动阶段保持得尽可能短，以便能够转变成热运行的正常运行中。
在US 7,763,216 B2中描述了化学反应器和燃料电池系统。在此设计为，燃料输送给微化学反应器或重整器。在重整器中蒸发液态燃料，其中在另一部段中从蒸汽状的燃料或从重整的燃料中去除一氧化碳。在重整器中产生的燃料蒸汽接着被输送给燃料电池。
在US 2013/0244126 A1中描述了高温燃料电池系统。该系统包括重整器，以便提供用于SOFC的重整气体。在此情况下设计为，使用燃料电池堆的废热以便在要重整的燃料流体被重整之前预热要重整的燃料流体。此外，燃料电池堆的废热也要能够用于预热输送给燃料电池堆的空气。可以设置第二热交换器，以便将前面加热的空气用于经由第二热交换器预热输送给重整器的燃料流体。
在大约190℃和尤其160℃至180℃的低温中进行重整过程，尤其蒸发重整中，重整物的转化率并不为100％，在重整器在大小和结构体积方面合适设计的情况下在50-80％之间。在低温时的蒸汽重整尤其应用于具有内部重整的燃料电池中。内部重整可以理解为如在DE 196 46 579 C2或DE 199 45 667C2中描述的重整，其中重整温度类似于燃料电池的运行温度。由于重整的转换率通常并不在100％，所以燃料的一部分通过重整器而并不转换成氢和二氧化碳(CO2)。这一方面原因在于，在低温时例如在250℃的低温下，在利用铂或基于铜的催化剂例如CuZnOAl2O3进行甲醇蒸汽重整时利用经济数量的重整催化剂不可能实现几乎完全的转换率。此外，在以低转换率进行重整时会形成中间产物，该中间产物从重整室中出现。在重整乙醇时，中间产物例如是乙醛。在蒸发重整甲醇时，形成例如甲醛。未重整的燃料或中间产物不能被燃料电池利用。即使当阳极流体经历该循环时，大部分也通过废气损失，该废气经由二氧化碳离析而被分离。因此，未转换的燃料在阳极输出端处并未进一步输送给重整器。因此，燃料的在重整器中未曾转换的部分对于电流获取而言损失了。该损失减小了能量转换器的效率，该能量转换器由重整器和燃料电池组成。此外，燃料电池的未转换成氢的燃料遭受极大损伤。例如，尤其在温度超过180℃时甲醇与磷酸化合形成亚磷酸三甲酯，这在磷酸的高温下使多元电解质隔膜(PEM)损失电解质的磷酸，因为磷酸以气态的三甲基脂形式消散并且从燃料电池中导出。
在现有技术中已知的具有150℃到700℃以及更大的重整运行温度的燃料电池系统中，通常借助附加的燃烧器提供由重整器进行重整所需的热。因此，为了加热重整器需要额外的燃料。燃料的这部分并不供获取电能。通常，对这种重整器进行加热，使得燃料电池的阳极被提供了相较于阳极实际转换更多的重整物(氢)。未消耗的部分在其离开燃料电池的阳极室之后被输送给燃烧器例如催化的燃烧器。以此方式，燃料损失了大约20％到35％来获取电能。
发明内容
本发明的任务因此是提供一种燃料电池系统，该燃料电池系统的功能相对于现有技术尤其在效率方面得以改善。
该任务利用根据权利要求1的设备和根据权利要求15的方法来解决。有利的扩展方案在从属权利要求中予以说明。
本发明涉及一种用于通过重整物处理进行内部热耦合的重整的燃料电池系统。该燃料电池系统包括燃料电池堆，该燃料电池堆具有阳极入口、阳极出口、阴极入口和阴极出口。此外，与燃料电池堆热耦合的用于蒸汽重整的重整器装置设置用于提供重整物，所述重整器装置连接在阳极入口上游，其中重整物包括重整的燃料。在重整器装置与阳极入口之间设置处理装置，用于从重整物中重整和/或去除未重整的燃料和/或有害物质，以便提供阳极流体。
优选地，在热耦合的蒸发重整时的温度在燃料电池的温度水平的范围中。
尤其设计为：在热耦合时，借助热管路即经由固态物质或固体，热能从燃料电池到重整器装置上。
此外，也可以借助额外针对其设置的介质(不借助燃料气体)实现热传递，所述介质以液体或气态的形式存在。这例如借助热管中的介质按如下方式解决。在热管内的热传递经由蒸发、对流和冷凝进行。在包含于热管中的液体的运行温度窗口内，可以实现极高的热流。从堆叠到重整器的能量传递由此已经可以利用在燃料电池和重整器之间的例如1-10℃的最小温度差实现，即使在堆叠与重整器在空间上分离的情况下。但也可以使用液体循环中的液体。在此，液体循环中的液体根据其热容量经由合适的热传递结构吸收在堆叠中形成的废热并且又经由合适的热传递结构将热能量输出给重整器。热传递在此同样经由对流进行。
该重整物优选可以由甲醇/水蒸汽混合物产生。
优选地，燃料电池堆构成为高温多元催化隔膜(HT-PEM)燃料电池。这是由于其较高的运行温度对由一氧化碳造成的催化剂毒化不敏感。这种燃料电池的运行温度在140℃到230℃之间的范围中，或在160℃到210℃之间的范围中，并且尤其在150℃到200℃之间的范围中。根据本发明，燃料电池堆也可以构成为(PAFC)。燃料电池可以是质子交换隔膜燃料电池或磷酸燃料电池。
重整器装置构成为，由输送给重整器装置的介质流可产生重整物或重整的燃料，该介质流包含碳氢化合物。重整器装置构成为用于蒸汽重整。
重整器装置可以构成为将由加湿单元提供的介质流转换成重整物。由加湿单元输送的介质流是富含燃料优选甲醇的载气例如CO2，其中燃料和水在重整器装置中转换成氢和二氧化碳。
重整器装置也可以构成为将由蒸发器装置提供的介质流转换成重整物。由蒸发器装置输送的介质流包括例如甲醇蒸汽和水蒸汽，甲醇蒸汽和水蒸汽在重整器装置中转换成氢和二氧化碳。
重整物可以包括氢、二氧化碳以及不包括燃料蒸汽或包括仅部分重整的燃料蒸汽，譬如甲醇蒸汽和未转换的水蒸汽。此外，重整物也可以包括载气譬如二氧化碳。
水蒸气的比例由在介质流中形成的水蒸汽碳比例。水蒸汽碳比例在蒸汽重整中为大约至少1到2比1，并且尤其为至少1.2到1.5比1。
这种蒸汽重整是吸热性的并且因此需要热输送。对称所需的热不必单独地输送，而是通过与燃料电池堆的热耦合进行。这提高了燃料电池系统的效率，因为不必输送外部热来运行重整器装置。
重整器装置可以使用基于铜的催化剂并且可以以至少150℃并且优选至少180℃到230℃或280℃的运行温度来运行。具有至少大约140℃到230℃的运行温度的HT-PEM燃料电池或具有类似的或甚至更高的运行温度的其他燃料电池可以用作用于重整器装置的热源。
利用处理装置去除或重整在热耦合的重整器装置中未被重整的燃料。在重整的情况下，燃料于是可以被燃料电池使用。因此，燃料的在热耦合的重整器装置中未曾转换的部分提供用于获取电流。这提高了效率。通过去除防止了，燃料电池的未转换成氢的燃料遭受损伤。燃料又可以输送给罐或直接输送给蒸发器。由此，燃料的这部分也提供给燃料电池。
根据本发明的设备因此能够通过利用处理装置热耦合重整成蒸汽重整实现了高效地转换燃料，并且相对于现有技术中已知的内部重整防止燃料电池的损伤，如例如DE199 45 667或DE 29 27 665中那样，其中燃料由于运行温度并未完全转换，这导致燃料电池的损伤和/或不能高效运行。
仅利用根据本发明的热耦合重整与处理装置结合，热耦合的重整可以被利用完全用于燃料电池系统的持续运行，所述重整也可以是内部重整。
利用燃料电池堆的废热是有利的，因为燃料电池堆的废热是重整所需的热量数倍高。通过使用废热不需要附加的燃料来加热内部重整器装置。此外，燃料电池堆必须较少地被冷却并且在燃料电池堆内存在更好的温度分布。
因此，必须消耗较少的附加的用于冷却装置的能量，因为使用燃料电池堆的废热的大约至少10％至30％，以便运行重整器装置。
使用废热的至少一部分例如25％相对于其他已知的燃料电池系统提高了能量系统的效率并且减小了该系统的成本，在所述已知的燃料电池系统中必须借助冷却系统将所有废热导出。在此情况下，通过内部重整可以将外部冷却应用于燃料电池堆的至少一个外表面或多个外表面上，并且可以省去燃料电池内的内部冷却循环。由此，该系统成本更低廉并且结构上更简单。
优选地，重整催化剂可以平面地设置在堆叠的单电池之间。由此，降低了在有源电极面之上的温度不均匀分布。温度均匀分布也通过如下因数来促进：当其温度水平更高时，重整器转换率和由此其能量需求更高。由此，热吸收和因此重整器的冷却作用在特别热的任何部位处在流场的中部中从外部进行冷却的情况下更高并且由此有助于温度均匀分布。此外，在重整室或重整催化剂之内进行热传导，这附加地促进了温度均匀分布。更好的温度均匀分布提高了燃料电池的使用寿命。借助更均匀的温度分布可以实现更高的平均温度，这提高了燃料电池的功率。
通过在根据本发明的燃料电池系统中设置的燃料电池堆与重整器装置的热耦合可以利用燃料电池堆的废热加热重整器装置。以此方式可以更高效地利用燃料。除了通过利用燃料电池的废热加热重整器装置来提高效率之外，重整器装置和燃料电池堆的热耦合还提供了如下优点：例如借助通风机或冷却装置或热交换器必须将燃料电池的更少的废热导出。热能的导出通常在技术上比较费事，因为尤其在具有大于250瓦特的更高功率的系统中通常必须将外部冷却循环集成到燃料电池堆中。因此，根据本发明的燃料电池系统一方面提供了结构优点，这简化了该系统的构造，这还使得在燃料电池系统中极大的成本节约。
热耦合应尽可能直接地进行，以便将重整器装置的运行温度均匀得尽可能接近燃料电池堆的运行温度，因为对于在重整器装置中的高的转换率而言尽可能高的温度是有利的，并且目前在市场上可支配的HT-PEM燃料电池的运行温度对于蒸汽重整而言还相对低。因此，在根据本发明的燃料电池系统中，重整器装置与燃料电池的电极室进行热耦合。重整器装置因此可以是燃料电池堆的不可缺的组成部分。
必要时，燃料电池堆可以具有外部冷却装置，以便导出多余的热能，该冷却装置例如包括冷却循环。
按照根据本发明的燃料电池系统，尤其有利的是，燃料电池系统的效率通过如下方式来提高：在重整物中包含的甲醇通过处理装置并未损失，而是始终从该系统中获得并且因此又提供用于获取电能。
处理装置可以是外部重整器装置或再重整装置，其类似前面所描述的内部重整器装置地工作。再重整装置例如可以利用催化的燃烧器来加热。处理装置可以如随后所描述的那样构成为重整物处理装置。
重整物处理装置可以具有冷凝装置譬如热交换器，以便借助冷凝从阳极流体中去除未重整的燃料。冷凝装置构成为，未转换的或重整的燃料蒸汽和水蒸汽接触冷凝装置并且由此冷凝。
附加地，重整物处理装置可以具有清洗装置。在清洗装置中借助水将其他燃料冷凝。该水例如可以经由燃料电池的产物水从阴极流体中借助热交换器通过冷凝来获得。该水在下文中称作清洗水，并且可以吸收燃料并且由此形成清洗或燃料溶液。
在重整物处理装置中，气态重整物与水或燃料或甲醇溶液接触，使得在气相中的燃料溶解在水中。因此在清洗装置中进行相分离。所使用的水或清洗水例如可以由燃料电池的阴极或阳极冷凝物提供。
清洗装置可以构成为本体，例如以清洗水或溶液浸湿的灯芯、组织例如玻璃纤维组织、亲水的填充体、多孔的管状本体或亲水的管状本体，其中气态的重整物沿着清洗装置的本体的表面上流动。
所述的清洗或洗净也可以借助冷却过的泡罩塔板或泡罩塔板柱用作装置，以便建立在气相与清洗水之间的接触。在此，气体通过清洗水沿着逆流滚落。该柱的冷却例如经由金属清洗水池或壳体是可能的。
在冷凝方法中，有利地冷却，因为冷凝热加热清洗溶液并且由此提高了燃料(甲醇)和水的部分蒸汽压力。该装置因此例如具有冷却的通道或容器，其经由通风机可以被冷却。
为了将重整物处理装置的结构空间保持得尽可能小，气相中的扩散路径要是尽可能小的。由于清洗的效率也与温度有关，所以重整物有利地被冷却，以便导出冷凝能量。
重整物处理装置因此可以构成为，使得冷凝装置或热交换器和清洗装置一起集成在唯一的部件中。
为了提高了重整物处理装置中的洗净的效率，气相在水表面处的停留时间要尽可能长并且清洗溶液的燃料浓度要尽可能低。此外，要提供大的水表面，使得在气态的介质与液态介质之间存在大的交换面。尤其有利的是，这两种介质沿着逆流引导，使得存在定向的流动并且清洁作用最优。清洗在此利用通过降低在清洗溶液中的甲醇浓度引起的甲醇的蒸汽压力降低，其中由于冷凝热释放引起流体的发热借助冷却被防止。清洗溶液可以吸收许多甲醇或只要吸收气相中的甲醇，直至溶液的甲醇蒸汽压力对应于要清洁的重整物的甲醇部分压力。因此，对于吸收性能而言决定性的是，在温度尽可能低的情况下保持清洗溶液(降低温度意味着降低溶液的蒸汽压力)。这可以借助通风机实现和/或借助热交换器实现，该热交换器经由液体的挥发冷却来工作。液体例如可以是阴极冷凝物，其被施加到接触阳极流体的热交换面，该液体润湿热交换面并且借助气体流例如环境空气被蒸发。为了在小的结构空间下实现最大甲醇吸收的例如至少75％或80％或90％的良好清洗，阳极流体沿着逆流经由清洗溶液流动。
按照根据本发明的燃料电池系统因此有利的是，重整物并不直接输送给燃料电池的阳极室，而是在重整物处理装置中从重整物中去除或清除未重整的燃料和/或有害物质。
处理装置构成为，从重整物中清除对于燃料电池有害的物质。有害物质例如是在重整器中未转换的燃料，其中在此情况下通常是简单碳氢化合物譬如甲醇。有害物质也是中间产物，其在重整时出现，譬如乙醛、由于重整催化剂的磨损而出现的颗粒以及还有在燃料中包含的颗粒或污物。尤其，燃料电池系统的使用寿命通过如下方式而延长，没有有害物质进入燃料电池堆并且在那里损伤电解质或隔膜和/或对反应有负面影响。
未重整的或未完全重整的物质是尚未完全氧化或还包含氢并且在燃料电池中不能流动的物质。在甲醇蒸汽重整时，甲醇是未重整的物质并且例如甲醛是部分重整的物质。
以此方式，补偿缺点尤其是其在低温度水平下的重整效率，并且甚至实现在效率方面的优点。
尤其通过设置重整物处理装置可以进行更高的燃料或甲醇利用。这可以通过分开气相中的甲醇(借助冷凝)进行，甲醇于是又可以输送给蒸发器装置或加湿单元并且因此可以输送给重整器装置中的内部重整。
此外，也可以在重整物处理装置上游连接有预冷凝装置，在该预冷凝装置中借助热交换器从重整物中通过空气冷却冷凝出甲醇。
为了预冷凝，在重整物处理装置上游连接有热交换器，借助热交换器冷却从重整器装置的重整室或再重整装置流出的重整物。在此情况下，未转换的燃料的一部分冷凝并且在水蒸汽重整的情况下冷凝出未转换的水蒸汽的一部分。通过相分离将冷凝物从气相分开。冷凝物可以输送给蒸发器装置或加湿单元、燃料储存器或燃料溶液。
作为处理装置，也可以仅设置预冷凝装置。这是如下情况：重整率高，这意味着，在重整物中存在少量甲醇和/或在重整物中还存在高的水蒸汽压力。也就是说，整个处理装置也可以由预冷凝装置构成。
特别有利的是，在预冷凝装置(第一级)中设置预冷凝，并且随后在重整物处理装置(第二级)中设置清洗连带同时的冷却。
用于分开(重整物处理装置)或转换燃料(再重整装置)的这两种可能性也可以组合。也就是说，首先甲醇冷凝物经由重整物处理装置与气相分离进行耦合并且经由外部再重整装置进行另一重整，或反之亦然。因此，也可以将重整物处理装置和再重整装置组合。
根据本发明，因此为了从重整器装置或清洁预先级中去除未转换的碳氢化合物(如甲醇清洗)可以设置另一定位在外部的重整催化剂或再重整装置。
再重整装置例如可以具有铜或基于贵金属的催化剂，其优选构成用于催化蒸汽重整。
再重整装置可以经由催化的燃烧器加热，该燃烧器可以利用阳极废气加热，阳极废气还包含剩余氢。由于氢在HT-PEM燃料电池中通常并未完全转换，所以阳极废气连带剩余氢一起可用于催化燃烧器的运行。然而，催化燃烧器的氢需求在此明显低于在没有热耦合的重整器的燃料电池系统中的氢需求。因此，效率即使在该装置下也高于在具有重整器的常规燃料电池系统中的效率。这也有利地通过如下方式造成：在该装置下，来自内部重整器中的重整物也已预热地流动到外部重整器中并且由此不再必须被极大地加热。
再重整装置在其重整催化剂以及运行温度的设定方面构成为，使得实现甲醇的尽可能高的转换率，即转换尽可能完全。再重整装置的重整过程可以基于水蒸汽重整或部分氧化(在此在使用选择性的催化剂的情况下)。于是可以引入额外的水或空气中的氧。
当外部再重整装置并未以高转换率构成，其重整物又可以与用于借助冷凝来消耗燃料的重整物处理装置组合。这也具有如下优点：阳极流体在进入燃料电池之前被冷却并且于是在阳极室中从燃料电池抽取热。
再重整装置可以根据转换率例如在其运行温度之上运行。因此，例如在内部重整器退化或需要更高的燃料电池功率并且必须产生更多氢的情况下会通过外部重整器转换附加甲醇。以此方式，重整器装置和再重整装置可以共同满足燃料电池的氢需求。例如，经由对运行状态的相应调整可以对要求譬如退化或提高的燃料需求做出反应。因此，可能通过这两者彼此间的比例即通过参数：运行温度提高或降低重整器装置和/或再重整装置的重整功率。
重整器装置可以在燃料电池堆的各个电池之间设置在两件式分隔板中。
优选将重整器装置引入燃料电池堆中，使得分别按两个单电池设置重整室。通过其结构可以节约双极性或供给板。对电池的均匀冷却还保持，因为每个单电池利用一侧(电极)连接到重整室上。
重整物流的流体引导构成为，使得存在输送入口，用于将离析物输送到重整器，和存在单独的出口，用于导出重整物。尤其是在此情况下首先流经重整器装置的重整室，接着流经处理装置和在处理之后流经燃料电池的阳极室。
此外，可以设置加湿单元，用于提供含燃料和水蒸汽的载气用以供给燃料电池。该加湿单元包括：加湿室，该加湿室构成为容纳含燃料的液体；通入加湿室中的入口，用于输送含燃料的液体；另一通入加湿室中的入口，用于输送载气，使得在加湿室中的载气与液体接触。此外，设置用于输出含气态燃料的载气的出口。
代替加湿单元也可以设置蒸发器装置，该蒸发器装置构成为用于提供来自燃料溶液例如甲醇溶液的水和燃料蒸汽，如其也在说明书导言中例如在WO 97/50140中所描述的那样。
按照根据本发明的燃料电池系统，重整器装置或重整室与燃料电池堆热连接。与热耦合的或内部重整相反，在本发明中存在来自重整室的出口，其将重整物输送给处理装置。随后，富含氢的重整物流动到阳极入口并且这样流动到燃料电池堆的阳极室中。因此，根据本发明的燃料电池系统称作燃料电池系统，其具有热耦合的重整和重整物处理(重整物处理装置)或再重整(再重整装置)。
由此实现如下优点：
-更高的效率，因为重整器装置可以利用燃料电池堆的废热来加热，而不是利用来自阳极输出端的燃料或剩余氢(燃料的更高效利用)
-由于在燃料电池中的吸热重整以及气体的加热(重整离析物、在冷凝装置之后的被冷却的重整物)，借助冷却装置必须从燃料电池导出较少的废热，系统的简单结构，因为不需要或者只需要简化的单独的或外部重整器装置，
-成本节约，
-重整的中间产物被去除并且并不输送给阳极室，-通过如下方式延长了燃料电池系统的使用寿命：没有有害物质进入燃料电池堆(阳极室)，以及
-在重整物中包含的即未转换的甲醇并不进入废气中，而是通过处理装置可以输送给该系统并且因此提供用于获取电能。
-通过冷凝燃料以及在外部重整时，从重整物通常也提取水蒸汽。由此，阳极气体包含较少的水蒸汽，这在低温下例如在系统起动时是有利的，因为避免在电池中水的冷凝出。冷凝的水或燃料损伤电解质，因为通过其液态相例如分解磷酸。水的冷凝尤其有问题，因为气相通过经由阳极的氢消耗而减小并且由此水蒸气部分压力增加。
-通过运行温度的参数可以升高或降低重整器装置和/或再重整装置的重整功率。
用于通过重整物处理进行内部热耦合重整的燃料电池系统的根据本发明的结构(重整器装置和燃料电池堆以及设置在重整器装置和燃料电池堆的阳极室之间的处理装置的热耦合(集成))形成合成效应，即可以直接热耦合燃料电池和重整器装置，其中同时避免尤其在更高温度下甲醇和电解质譬如磷酸的有害的物质接触，并且还可以处理和/或重新重整重整物。也就是说，通过将重整催化剂集成到(内部重整)或集成到燃料电池上，能够实现重整催化剂与阳极并不直接接触，在所述燃料电池中重整室和阳极室在空间上彼此分离。由此，没有磷酸可以接触重整催化剂并且因此损伤重整催化剂或造成功率下降。
通过根据本发明的燃料电池系统的上面所述的优点极大地提高了该系统的总效率。
附图说明
在下文中参照附图更为详细地阐述了本发明。附图示出：
图1示出了根据第一实施例的根据本发明的燃料电池系统的示意图，该燃料电池系统具有重整物处理装置，
图2示出了根据第二实施例的根据本发明的燃料电池系统的示意图，该燃料电池系统具有再重整装置，
图3a以侧向剖切视图示出了预冷凝装置的示意图，
图3b以侧向剖切视图示出了重整物处理装置的示意图，
图4示出了带有重整器装置的燃料电池堆的立体视图，
图5示出了另一处理装置的示意图，
图6示出了带有重整器装置的燃料电池堆的供给板的俯视图，
图7示出了带有重整器装置的燃料电池堆的另一供给板的俯视图，
图8示出了具有重整器装置的燃料电池堆的示意图；
图9示出了根据本发明的第三实施例的燃料电池系统的示意图，
图10示出了根据本发明的第四实施例的燃料电池系统的示意图，
图11示出了根据本发明的第五实施例的燃料电池系统的示意图，
图12示出了根据本发明的第六实施例的燃料电池系统的示意图，
图13示出了根据本发明的第七实施例的燃料电池系统的示意图，
图14示出了根据本发明的第八实施例的燃料电池系统的示意图。
具体实施方式
燃料电池系统1根据第一实施例包括燃料电池或燃料电池堆2，其具有阳极24，所述阳极具有阳极入口3和阳极出口4；和具有阴极25，该阴极具有阴极入口5和阴极出口6(图1)。
此外，存在与燃料电池堆2热耦合的重整器装置7，用于提供重整物或阳极流体，所述重整器装置连接在阳极入口3上游，并且存在在重整器装置7与阳极入口3之间设置的处理装置(Aufbereitungseinrichtung)8，其用于从重整物去除未处理的燃料和有害物质。
此外，燃料电池系统1具有加湿单元9。该加湿单元9根据在WO 2010/066900中描述的加湿单元来构建，并且包括：加湿室，该加湿室构成为容纳含燃料的液体；通入加湿室中的入口10，用于输送含燃料的液体；另一通入加湿室中的入口，用于输送载气11，使得在加湿室中的载气与液体接触；以及具有用于输送水的入口12。此外，设置用于输出含气态燃料的载气的出口13。
在加湿单元9中将液体调节到在其沸点之下的温度上。由此，液体的一部分通过挥发而不是通过蒸发转变为气态相并且变成载气的组成部分。
蒸发理解为将液体加热超过其沸点并且其转变为气相，例如在蒸发器装置中。在此，如下过程称作挥发，在该过程中载气(二氧化碳)从燃料溶液中吸收燃料和水蒸气。优选地直至载气完全饱和。蒸汽吸收的程度尤其取决于气体在进入加湿单元时的蒸汽压力(相应液体成分的饱和程度)以及取决于在气体离开加湿单元时的温度和其饱和度。
用于输出包含气态燃料的载气的出口13经由管路部段26与内部热耦合的重整器装置7连接。
重整器装置7集成到燃料电池堆2的供给板14中(图4)。供给板14的一侧为阳极流体或相应地为阴极流体设置有曲折形延伸的分配结构15、16(称流场)。
在供给板14的与分配结构15、16相对置的侧上构成重整室17。
重整室17具有用于输送包含气态燃料的载气的入口18和用于导出由气态燃料形成的重整物和载气的出口19。在重整室17中设置重整催化剂(未示出)，该重整催化剂均匀地分布在整个重整室17上。在入口18或出口19与重整室17之间构成有封锁器20，例如为通道或支柱形式，用于容纳网，当该系统运动时，所述封锁器阻止重整催化剂(Reformerkatalysator)从重整室17排出进入入口18和出口19。此外，在重整室17中设置圆柱形本体21，以便确保重整催化剂的均匀分布。此外，所述本体用于在供给板14之间构成导电的连接并且提高燃料电池堆2的机械稳定性。
此外，重整室17被用于容纳密封元件23的槽22包围。此外，密封元件23包围阴极入口5、阴极出口6、阳极入口3和阳极出口4。密封元件23优选由弹性塑料或基于石墨的密封件构成。
燃料电池堆2构建为，使得带有阴极的供给板14设置到具有阳极的供给板14上，从而使得供给板的这两个形成重整室17的侧彼此朝向，由此构成重整室17。以此方式，可以根据期望的功率构成具有任意数量的电池的燃料电池堆2。相应地，始终有一个阴极侧朝向供给板14的阳极侧，其中在这两个分配结构15、16之间设置气体扩散层和包含催化剂或电解质的隔膜(图4)。
优选将重整器装置引入燃料电池堆中，使得尤其在两个电池15、16、15、16之后或也在三个或四个电池之后各设置一个重整室17。由于该结构可以节约构成重整室的供给板14。此外，实现电池的均匀冷却作用，因为在电池之间设置足够的重整室。
优选地，燃料电池堆2构成为HT-PEM或PAFC燃料电池。HT-PEM代表高温多元电解质隔膜，PAFC代表磷酸燃料电池。电解质基于磷酸工作，所述磷酸由碱性聚合物结构譬如聚苯并咪唑(PBI)或TPS(HT-PEM)，或通过无机载体结构如碳化硅(例如SiC-H3PO4-PTFE BPO4-H3PO4)保持在隔膜或电解质结构中。燃料电池在140℃到250℃以及尤其从160℃到220℃的温度范围中运行。
在使用磷酸HT-PEM时，由于高耐磷酸强度，使用供给板优选由石墨构成的单板或双极性板。
也可以将金属板用于重整室17，因为没有磷酸进入重整室中。当燃料电池堆2的冷却性能要通过重整器7增强时，金属板可以相应地延长，使得它们形成接片，所述接片侧向从燃料电池堆伸出。板可以从外部利用通风机穿流或与冷却装置接触，用于冷却。
当重整催化剂施加在金属载体上或直接施加到重整室的板上时，由金属板限界的重整室17尤其适合。
重整器装置7的出口19经由另一管路部段27与处理装置8连接。
处理装置8根据第一实施例构成为重整物处理装置(Reformataufbereitungseinrichtung)49并且具有冷凝装置和清洗装置。
重整物处理装置49包括曲折形延伸的管状处理通道28，该处理通道在竖直方向上从上向下延伸(图3b)。处理通道28在其一上端部上具有输送管路29，用于输送清洗水，例如H2O，并且具有用于导出经处理的重整物的出口30，即氢和二氧化碳。
在处理通道28的下端部上设置冷凝池31。冷凝池31具有用于输送气态重整物的入口32以及用于导出冷凝的甲醇溶液的出口33。
此外，在通道28中设置用清洗水浸润的灯芯34。通道28在外侧可以设置热交换器35和通风机36，以便冷却整个通道28。
用于导出处理的重整物的出口30经由管路部段37与燃料电池堆2的阳极入口3连接。
在清洗装置中的冷凝通过灯芯34进行，该灯芯与清洗溶液或清洗水接触，其中气相沿着灯芯的润湿的纤维流动。冷凝的过程有利地通过冷凝装置的热交换器35来冷却，因为冷凝热加热清洗溶液并且因此提高了燃料(甲醇)和水的部分蒸汽压力。该设备因此具有冷却的处理通道，该处理通道经由通风机36来冷却。
此外，设置阴极空气装置38，该阴极空气装置经由管路部段39与阴极入口5连接，以便将空气输送给燃料电池堆2的阴极。
阴极出口6经由管路部段40与热交换器41连接，以便冷却从阴极流出的废气(abgasluft)。以此方式可以冷凝出产物水。热交换器41具有管路部段42，该管路部段与重整物处理装置49连接，以便将冷凝物输送给重整物处理装置，以及具有用于导出废气的出口43。在管路部段42中可以集成有泵48。
重整物处理装置49经由管路部段44与加湿单元9连接，以便将其中冷凝出的甲醇溶液输送给该加湿单元。
此外，阳极出口4经由管路部段45与加湿单元的入口11连接，以便将载气如例如CO2输送给该加湿单元。在管路部段45中可以集成有泵62。泵承担在阳极循环中的环流。
此外，出口68可以集成到管路部段45中。出口68设置用于输出过量的CO2，因为CO2在燃料电池运行时一直形成。由于压力提高，CO2可以自动地逸出。借助出口68或出口阀还可以调节在阳极循环中的压力。
通过各个管路部段构成燃料电池系统的循环供给，因为各个介质譬如载气在循环中被引导。
此外，燃料电池系统尤其具有燃料罐(未示出)，以便经由管路部段10为加湿单元输送燃料或甲醇。气态流体也称阳极流体借助循环中的泵62来输送，该循环称作阳极循环。泵62也可以设置在其他合适位置处，例如设置在管路部段26、27或37中。根据阳极循环，在阳极24中消耗的阳极流体从燃料电池的阳极出口4流出并且经由入口11导入加湿单元中。在加湿单元9中替代在阳极流体中消耗的燃料和氢。阳极流体经由加湿单元的出口13流入重整器装置7、处理装置8和接着流入燃料电池2的阳极24的阳极室中，在阳极室中阳极流体由于燃料电池反应而消耗。
于是，如下阳极流体流入加湿单元9的入口11中，该阳极流体在其经过燃料电池的阳极24之后并未被排出而是保留在阳极循环中。而由于新形成二氧化碳变得过量的阳极流体经由出口68从该循环中排出。
根据该实施例和所有如下的实施例，燃料电池优选具有冷却装置(未示出)，以便导出过量的热量，所述热量可以不经由重整器装置导出。
根据基本上对应于第一实施例的第二实施例，处理装置8构成为外部再重整装置50(图2)。
外部再重整装置50例如可以具有铜或基于贵金属的催化剂，其优选构成用于催化蒸汽重整。
再重整装置经由催化的燃烧器(未示出)加热，该燃烧器可以利用阳极废气加热，阳极废气还包含剩余氢。为此目的，催化的燃烧器可以与出口68连接。
从阴极废气冷凝出的水根据该实施例经由管路部段42借助泵48直接泵送至加湿单元9。
按照根据本发明的燃料电池系统的只要未不同地描述就对应于第二实施例的第三实施例，设置外部再重整装置50和重整物处理装置49(图9)，该重整物处理装置连接在外部再重整装置下游。
重整物处理装置49的出口57经由管路部段58与阳极入口3连接。重整物处理装置49的入口59经由管路部段60与再重整装置50连接。
再重整装置50与催化的燃烧器55热耦合，该燃烧器提供对于再重整装置50的运行所需的热能。
为了将催化的燃烧器55用于再重整的热功率或燃料需求保持得低，可以对输送给燃烧器55的空气进行预热。预热例如可以经由借助热交换器装置61与重整物或与催化的燃烧器的废气的热交换来进行。预热有利地集成到由再重整装置和催化的燃烧器构成的系统中。
此外，在管路部段60中设置带有热交换器的用于预冷凝的预冷凝装置53。预冷凝装置构成为从重整物冷凝出甲醇溶液。甲醇溶液于是例如又可以输送给加湿单元。
预冷凝装置53根据重整物处理装置的冷凝装置地构成。该预冷凝装置包括用于输送重整物的入口71、被热交换器73包围的通道72，在该通道中冷却重整物并且该通道通入冷凝盘74中。此外，设置出口75，以便递送气态燃料，并且设置出口76，以便导出冷凝物。
热交换器73或冷凝器可以利用空气来冷却和/或可以设置为，用液体润湿热交换器的面，该液体通过输送气体来蒸发并且由此冷却重整物。
如在上文中已描述的那样，通过重整物处理装置49的清洗装置进行相分离。
阴极出口6根据该实施例经由管路部段64与重整物处理装置49连接。在此情况下设计为，通过热交换器41从阴极废气冷凝出水，并且将水作为重整物处理装置的清洗水例如借助泵来输送。为了输送水，设置泵48。来自阴极出口6的废气经由出口43向周围环境发送。
在本发明的范畴内也可能的是，再重整装置50和重整物处理装置49按相反顺序设置。
按照根据本发明的燃料电池系统的第四实施例，代替加湿单元设置蒸发器装置63(图10)，该蒸发器装置构成为用于提供来自甲醇溶液的水和燃料蒸汽。在其他方面，该实施例类似于第二实施例地构建。
蒸发理解为将液体加热到其沸点或超过其沸点并且其完全转变为气相。蒸发器于是包含合适的加热装置，该加热装置提供足够的热功率以便实现蒸发。蒸汽被加热超过沸点，以便避免例如在管道中的冷凝和/或接着加热管道。
为了提供水蒸汽重整所需的离析物(水和燃料蒸汽)，燃料溶液例如甲醇溶液借助蒸发器装置加热超过其沸点，使得其完全蒸发。燃料溶液的浓度满足最佳水碳氢化合物比例。该比例在水和甲醇的情况下例如为1.2至1.6比1。根据该比例设置溶液中的数量比例。为了实现均匀的蒸发，使用特定的装置，譬如多孔本体或毛细小管。蒸发器装置63也可以由两个蒸发器构成，所述蒸发器将燃料和水分离地蒸发。在气态燃料的情况下，仅需要用于水的蒸发器。
处理装置8根据该实施例构成为再重整装置50。
此外，阳极出口4经由管路部段45与催化的燃烧器55连接，该燃烧器提供用于再重整装置的热。经由该管路部段45将来自阳极室的未消耗的燃料在添加空气的情况下输送给催化的燃烧器，以便其运行。
按照根据本发明的燃料电池系统的基本上对应于第四实施例的第五实施例，在再重整装置50上游设置有重整物处理装置49(图11)。
为了将催化的燃烧器55用于再重整的热功率或燃料需求保持得低，根据第三实施例可以对供给空气进行预热。预热例如可以经由借助热交换器装置61与重整物或与催化的燃烧器的废气的热交换来进行。预热有利地集成到由再重整装置和催化的燃烧器构成的系统中。
同样设置来自重整物处理装置49的重整气体经由另一热交换器装置70进行预热。
经由重整物处理装置49可以将冷凝出的燃料溶液向蒸发器装置63递送。
此外，在管路部段60中设置热交换器54，以便冷却重整物。
在此情况下设计为，重整物的例如50％的子流输送给低温燃料电池65的阳极室66。
按照根据本发明的燃料电池系统的类似第四实施例构成的第六实施例，在再重整装置50上游设置有另一燃料电池65(图12)。
燃料电池与重整器并不热耦合并且优选构成为低温燃料电池。在该燃料电池65中消耗来自重整气体的氢。
此外，高温转换级77和低温转换级78集成到再重整装置50与燃料电池65之间的管路部段中。这与在DE 101 267 54 B4中所描述的转换级一样地实施，并且因此构成为用于从介质流中去除一氧化碳，以便保护燃料电池65的阳极催化剂以免一氧化碳吸收。在所述转换级之间可以设置其他用于降低重整气体的温度的冷却级。
按照根据本发明的燃料电池系统的类似第五实施例构成的第七实施例，按相反顺序设置再重整装置50和重整物处理装置49(图13)。在此，因此在再重整装置50下游连接有具有清洗装置的重整物处理装置。通过该布置可以进行特别高效的清洁或重整物包含特别小数量的未重整的燃料。
根据构成蒸发的特定形式的第八实施例，设置为将蒸发器单元集成到燃料电池堆2或至少将燃料电池堆和蒸发器装置63直接热耦合。在该形式下，借助燃料电池堆2的废热将燃料溶液蒸发。这可以在结构上通过如下方式实现：在燃料电池堆中设置独立的空间或通道，溶液被引入所述独立的空间或通道并且被蒸发。所述空间例如可以分别设置在电池之间或设置在如下通道中，所述通道垂直于燃料电池堆延伸。
此外，根据该实施例设置用于由阴极废气产生清洗水的相分离，如例如在第三实施例中所描述的那样，以便冷凝出的水作为清洗水输送给重整物处理装置。
在下文中描述了重整器装置的其他实施形式。
在另一实施形式中，重整器装置可以设置在燃料电池堆2的电池旁(图6)。为此，在供给板14或分隔板上设置用于重整催化剂17的空间，在该供给板或分隔板上设置用于燃料电池电极的供给通道15、16。该空间17可以设置在供给通道15、16旁或围绕供给通道15、16设置。
在另一实施形式中，在供给板14中构成垂直设置的通道17，所述通道延伸穿过分隔板的一部分或所有分隔板并且构成重整室17(图7)。这些通道包含重整催化剂。在重整器能导电的情况下，这些通道必须相对于供给板14电绝缘。这种重整器装置7经由在端板中的入口和分配结构被供给燃料蒸汽(未示出)。
在另一实施形式中，重整器可以包括入口18、重整室17和出口19，该重整室包含重整催化剂。在此情况下，重整器装置7可以设置在燃料电池堆2附近或以大的面接触燃料电池堆，使得充分地将废热从燃料电池传递到重整器(图8)。根据该实施形式，尤其有利的是，在燃料电池堆与重整器之间设置能导热的材料。为此例如可以设置导热的膜。该膜优选要电绝缘地构成，以便避免在各个供给板之间的短路。有利地，至少在燃料电池堆的两个相对置的侧上设置重整室(未示出)。在这种耦合的重整器装置中例如必要时会需要将附加地从外部输送确定的热量。
重整物处理装置可以代替以清洗水浸润的灯芯或抓绒34也可以具有载体结构。载体结构要具有大的表面并且清洗水必须能够经由载体结构流走。这可以借助施加在具有坡面的曲折结构上的带实现。带可以在合适的位置处具有孔，载气穿流所述孔并且因此能够实现从清洗水和气体逆流流动。作为载体结构也可以使用金属板或格栅，其有利地与金属壳体连接，以便冷却金属壳体。
也可以使用具有填充体或包装部的容器，清洗水相对于阳极流体流逆流地流入该容器中。在此情况下，应再次注意的是，在气相与清洗水之间的接触是高的。
清洗装置79也可以具有多个相叠设置的清洗水池80，所述清洗水池经由开口81和管路部段82彼此连通地连接(图5)。
在上部区域中，清洗装置具有输送管路83，用于输送清洗水例如阴极冷凝物，以及具有出口84，用于导出处理的重整物，即氢和二氧化碳。
在下部区域中，清洗装置具有入口85，用于输送气态重整物，以及具有导出甲醇溶液的出口86。
重整物从下部池经由开口81流入下一个较高的池直至出口84并且通过清洗水清洗。经由管路部段提高在清洗水池80中的清洗水。
用于导出处理的重整物的出口84可以与燃料电池堆2的阳极入口3连接。
如所描述的那样，在甲醇重整时通常应用蒸汽重整。在达到大约300℃的温度范围下，为此可以使用催化剂譬如铜锌氧化物、铜锌氧化物铝、铜铈铝、铜锌氧化物钛、铜铬、铜锆。
强健的催化剂是贵金属催化剂例如基于钯(例如，钯锌氧化物)或基于铂。然而，催化剂通常具有更高的运行温度例如250℃到400℃。重整器装置也可以包含不同的催化剂体系例如基于贵金属的催化剂以及基于铜的催化剂。
多价碳氢化合物譬如乙醇为了重整需要更高的温度例如300℃到400℃。在此，例如可以使用基于镍的催化剂，或例如在甲醇情况下在进行水蒸汽重整时也需要高于600℃的重整温度，其中为镍或铂催化剂。为了在所述温度下重整，例如必须使用固体氧化物燃料电池(大约650℃到1000℃的运行温度)作为热源，这基本上也可能的但并不优选。
在连接在下游的用于减小未转换的燃料的外部重整也可以使用部分氧化。在重整形式中，燃料与空气氧一起被输送给重整器。
原则上，根据本发明可以使用所有电解质隔膜系统，其运行温度与重整物的运行温度匹配。
然而，对于其中所描述的系统而言也可以使用其他燃料电池类型或电解质，其在160℃到600℃之间尤其在180℃到300℃之间的温度范围中工作，譬如基于磷酸硼和PTFE例如BPO4-H3PO4-PTFE或基于多磷酸盐或基于无机离子导体的电解质系统。
附图标记表
1 燃料电池系统 52 入口
2 燃料电池堆 53 预冷凝装置
3 阳极入口 54 热交换器/冷却装置
4 阳极出口 55 催化的燃烧器
5 阴极入口 56
6 阴极出口 57 再重整装置的入口
7 重整器装置 58 管路部段
8 处理装置 59 再重整装置的出口
9 加湿单元 60 管路部段
10 入口燃料 61 热交换器装置
11 载气入口 62 泵
12 水入口 63 蒸发器装置
13 气态燃料出口 64 管路部段
14 供给板 65 低温燃料电池
15 流场阳极 66 阳极
16 流场阴极 67 阴极
17 重整室 68 出口
18 重整室入口 69 冷燃烧器空气泵
19 重整室出口 70 热交换器装置
20 封锁器 71 入口
21 圆柱形本体 72 通道
22 槽 73 热交换器
23 密封元件 74 冷凝池
24 阳极 75 出口
25 阴极 76 出口
26 管路部段 77 HT转换级
27 管路部段 78 NT转换级
28 处理通道 79 清洗装置
29 输送管路 80 清洗水池
30 出口 81 开口
31 冷凝池 83 管路部段
32 入口 84 出口
33 出口 85 入口
34 灯芯 86 出口
35 热交换器
36 通风机
37 管路部段
38 阴极空气装置
39 管路部段
40 管路部段
41 热交换器
42 管路部段
43 出口
44 管路部段
45 管路部段
46 管路部段
48 泵
49 重整物处理装置
50 再重整装置
51 管路部段

Claims (32)

1.一种燃料电池系统，用于通过重整物处理进行热耦合的重整，该燃料电池系统包括：
燃料电池堆(2)，所述燃料电池堆具有：阳极入口(3)、阳极出口(4)、阴极入口(5)和阴极出口(6)，以及
与所述燃料电池堆热耦合的重整器装置(7)，用于蒸汽重整，以提供阳极流体，所述阳极流体包括重整的燃料，所述重整器装置设置在阳极入口(3)上游，其特征在于，
所述燃料电池堆(2)和所述重整器装置(7)借助热管路以所述燃料电池堆的废热传递到所述重整器装置的方式热耦合，并且所述废热至少部分地用于运行所述重整器装置，以及
至少一个设置在所述重整器装置(7)与所述阳极入口(3)之间的处理装置(8，49，50)，用于从所述阳极流体中去除和/或重整未重整的燃料和/或对于所述燃料电池堆(2)有害的物质，其中，所述燃料电池堆(2)的运行温度在140℃到230℃之间的范围中,
其中，借助热管路即经由固态物质，热能从燃料电池到重整器装置上。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，在热耦合的蒸发重整时的温度在燃料电池的温度水平的范围中。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述重整器由甲醇/水蒸汽混合物产生富含氢的气体。
4.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，所述重整器由甲醇/水蒸汽混合物产生富含氢的气体。
5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述处理装置(8)是重整物处理装置(49)，所述重整物处理装置构成为使得未重整的燃料和/或有害物质借助冷凝能够从阳极流体中去除，其中，所述重整物处理装置包括具有热交换器(35)的冷凝装置，并且所述冷凝装置构成为使得未转换的燃料接触所述冷凝装置。
6.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，所述处理装置(8)是重整物处理装置(49)，所述重整物处理装置构成为使得未重整的燃料和/或有害物质借助冷凝能够从阳极流体中去除，其中，所述重整物处理装置包括具有热交换器(35)的冷凝装置，并且所述冷凝装置构成为使得未转换的燃料接触所述冷凝装置。
7.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述处理装置(8)是重整物处理装置(49)，所述重整物处理装置包括清洗装置(34)，所述清洗装置具有冷凝池(31)，所述冷凝池的表面用水润湿，其中，未转换的燃料接触所述冷凝池(31)的表面并且由此冷凝于水上并且与水一起形成燃料溶液，其中，所述冷凝池(31)构成为用水润湿的或浸润的热交换器面、灯芯、组织、亲水的填充体，构成为多孔的管状本体或构成为亲水的管状本体。
8.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其特征在于，所述处理装置(8)是重整物处理装置(49)，所述重整物处理装置包括清洗装置(34)，所述清洗装置具有冷凝池(31)，所述冷凝池的表面用水润湿，其中，未转换的燃料接触所述冷凝池(31)的表面并且由此冷凝于水上并且与水一起形成燃料溶液，其中，所述冷凝池(31)构成为用水润湿的或浸润的热交换器面、灯芯、组织、亲水的填充体，构成为多孔的管状本体或构成为亲水的管状本体。
9.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述处理装置(8)是再重整装置(50)，所述再重整装置构成为用于重整未重整的燃料的外部重整器。
10.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其特征在于，所述处理装置(8)是再重整装置(50)，所述再重整装置构成为用于重整未重整的燃料的外部重整器。
11.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述处理装置(8)包括重整物处理装置(49)和再重整装置(50)。
12.根据权利要求10所述的燃料电池系统，其特征在于，所述处理装置(8)包括重整物处理装置(49)和再重整装置(50)。
13.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，设置有回引装置，以便将未处理的燃料从所述处理装置(8)回引到重整器装置。
14.根据权利要求12所述的燃料电池系统，其特征在于，设置有回引装置，以便将未处理的燃料从所述处理装置(8)回引到重整器装置。
15.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，设置有加湿单元(9)，所述加湿单元构成为用于提供包含燃料和水蒸汽的载气用以供给所述燃料电池堆(2)。
16.根据权利要求14所述的燃料电池系统，其特征在于，设置有加湿单元(9)，所述加湿单元构成为用于提供包含燃料和水蒸汽的载气用以供给所述燃料电池堆(2)。
17.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，设置有蒸发器装置(63)，所述蒸发器装置构成为用于从燃料溶液提供水蒸气和燃料蒸汽。
18.根据权利要求16所述的燃料电池系统，其特征在于，设置有蒸发器装置(63)，所述蒸发器装置构成为用于从燃料溶液提供水蒸气和燃料蒸汽。
19.根据权利要求11所述的燃料电池系统，其特征在于，所述再重整装置(50)设置在所述重整物处理装置(49)上游或下游。
20.根据权利要求18所述的燃料电池系统，其特征在于，所述再重整装置(50)设置在所述重整物处理装置(49)上游或下游。
21.根据权利要求9所述的燃料电池系统，其特征在于，设置有用于运行再重整装置(50)的催化的燃烧器(55)，所述燃烧器至少部分能够利用来自所述阳极出口(4)的未转换的燃料运行。
22.根据权利要求20所述的燃料电池系统，其特征在于，设置有用于运行再重整装置(50)的催化的燃烧器(55)，所述燃烧器至少部分能够利用来自所述阳极出口(4)的未转换的燃料运行。
23.根据权利要求11所述的燃料电池系统，其特征在于，预冷凝装置(53)设置在所述处理装置(8)即所述重整物处理装置(49)和/或所述再重整装置(50)上游和/或下游，或设置在这两者之间。
24.根据权利要求22所述的燃料电池系统，其特征在于，预冷凝装置(53)设置在所述处理装置(8)即所述重整物处理装置(49)和/或所述再重整装置(50)上游和/或下游，或设置在这两者之间。
25.根据权利要求17所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料溶液是甲醇溶液。
26.根据权利要求18所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料溶液是甲醇溶液。
27.一种用于利用根据权利要求1至26中任一项所述的燃料电池系统通过重整物处理进行内部热耦合重整的方法，其中，重整器装置(7)与燃料电池堆(2)热耦合，其中，所述重整器装置(7)经由所述燃料电池堆(2)的废热来加热，并且阳极流体经由所述重整器装置(7)的出口(19)被输送给处理装置(8)，在所述处理装置中未重整的燃料从重整物中被去除和/或未重整的燃料被重整，并且接着被输送给所述燃料电池堆(2)。
28.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，借助冷凝和/或清洗，从所述重整物中去除在包括重整物处理装置(49)的所述处理装置(8)中从所述阳极流体中未重整的燃料和/或有害物质。
29.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，在所述阳极流体中包含的未重整的燃料在所述处理装置(8)中被处理，所述处理装置包括再重整装置(50)。
30.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，在所述阳极流体中包含的未重整的燃料在所述处理装置(8)中被处理，所述处理装置包括再重整装置(50)。
31.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，所述阳极流体穿过重整物处理装置(49)和再重整装置(50)，或相反穿过再重整装置和重整物处理装置。
32.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，所述阳极流体穿过重整物处理装置(49)和再重整装置(50)，或相反穿过再重整装置和重整物处理装置。
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