CN110679024A - 在开始阶段输入空气情况下运行sofc系统的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于运行SOFC系统(1)的方法，其具有在SOFC系统重整工作的开始阶段中进行的以下步骤：将含氧流体送入该SOFC系统，将水‑燃料混合物送入该SOFC系统的蒸发器(5)，执行蒸发过程以蒸发该水‑燃料混合物，和一旦水和燃料为气态，则添加含氧流体至蒸发过程。本发明还涉及一种计算机程序产品(3)、一种包含安装在其上的计算机程序产品(3)的存储介质(4)、一种SOFC系统(1)以及一种汽车(10)，它们被设计和配置用于执行本发明方法。

Description

在开始阶段输入空气情况下运行SOFC系统的方法

技术领域

本发明涉及SOFC系统的运行方法。本发明还涉及用于控制和/或调整SOFC系统以在使用水和含碳燃料情况下制氢的计算机程序产品、包含存储在其上的计算机程序产品的存储介质、用在汽车中的SOFC系统以及一种汽车，其具有用于供电的SOFC系统和用于给汽车电动机供电的储蓄单元。

背景技术

在现有技术中知道了各种重整方法，用于在SOFC系统中使用水或水蒸汽和含碳燃料来制氢。当前最有效的由含碳能量载体和水来制氢的方法在此是蒸汽重整。虽然这主要被应用在大型工业中，但目前也越来越频繁地应用在移动用途中。通常，在蒸汽重整开始时给SOFC系统的蒸发器供应分别处于液态的水和燃料，在这里，水通常通过再循环从燃料电池系统本身获得。水和燃料在燃料电池系统(尤其是蒸发器)中(至少已部分呈气态)相互混合。因为水和燃料沸点不同，故在水燃料混合物蒸发期间发生燃料水比例的改变，即现在所存在的水燃料混合物的一部分在液相中具有不同于在气相时的相互比例。因此，气体组分在气相中如此改变，使得在随后加热阶段中出现增强的炭黑生成，这是因为改变的比例造成在加热器中的不同的行为。但应该尽量防止或减少炭黑生成。

一种考虑了关于炭黑生成的前述问题的可能方式是：在不同时刻在蒸发器内蒸发水和燃料，或者在晚些时刻才将沸点可能比水更低的燃料供给蒸发器。但这也要求较高的控制和调整技术成本以及更复杂的蒸发器周边结构。用于避免或减少炭黑生成的另一种可能方式是提高水-燃料混合物中的水含量，从而可防止或至少显著减少炭黑生成。但这有以下缺点，在使用这种水-燃料混合物时需要相对多的能量来蒸发，SOFC系统只能相应低效运行。此外，在此情况下有相对多的水在SOFC系统中。这导致了SOFC系统或SOFC系统例如处于其中的汽车相对重。但该重量应该尤其在移动应用中保持尽量轻。

发明内容

本发明的任务是至少部分消除前述缺点。本发明的任务尤其是提供一种方法、一种计算机程序产品、一种存储介质、一种SOFC系统以及一种汽车，借此或在此能以简单方式由水-燃料混合物产生氢，其中尽可能防止或至少减少炭黑形成。

前述任务通过权利要求书来完成。尤其是，前述任务通过根据权利要求1的方法、根据权利要求8的计算机程序产品、根据权利要求9的存储介质、根据权利要求10的SOFC系统以及根据权利要求12的汽车来完成。本发明的其它优点来自从属权利要求、说明书和附图。在此，关于方法所描述的特征和细节显然也关于本发明的计算机程序产品、本发明的存储介质、本发明的SOFC系统、本发明的汽车是适用的，反之亦然，因此关于对一些发明方面的公开内容总是相互参照或可相互参照。

根据本发明的第一方面，提供一种用于运行SOFC系统的方法。该方法具有在SOFC系统的重整运行的开始阶段中执行的以下步骤：

-将含氧流体送入SOFC系统，

-将水-燃料混合物送入SOFC系统的蒸发器，

-执行蒸发过程以蒸发该水-燃料混合物，和

-一旦水和燃料为气态，则添加该含氧流体至蒸发过程。

在本发明范围内出乎意料地确定了，尽管如前所述地混合了水或者说提高了水-燃料混合物中的水含量，但总还是在SOFC系统(固态氧化物燃料电池系统)、尤其是过热器中生成炭黑。在此已发现，炭黑生成出现在SOFC系统重整过程的开始阶段期间。在此开始阶段中，水的添加出乎意料地并不足以减少且尤其是避免炭黑生成。已经发现了，供应含氧流体至水-燃料混合物的蒸发过程防止了或至少显著减少了炭黑生成。本发明的另一个优点是，可以通过减少或避免的炭黑生成而放弃在SOFC系统内的燃料电池的再生，在再生时该SOFC系统内的构件将承受高负荷。此外也避免牵涉到水含量提升的缺点。

在本发明范围内，以下出乎意料的认识是极其有意义的：添加含氧流体至现有的水-燃料混合物(即双相混合物)导致了前述的有利效果。水-燃料混合物可以被理解为双相燃料，在这里，第一相是水，第二相是燃料或纯燃料。水-燃料混合物有利地包括约45％的燃料和约55％的水。通过使用已预混的水-燃料混合物，分开送入水和燃料的前述缺点得以避免。此外，不必提出对蒸发器的特殊要求，可使用常用的蒸发器，这是因为水和燃料已经在液相中混合。

含氧流体在时间上在水-燃料混合物供应之前或者与之同时地被供给SOFC系统。但是，在局部尤其只在水-燃料混合物为气态时、即尤其只在蒸发器下游进行所述供应。但含氧流体也可以被直接供给蒸发器。在本发明范围内，将含氧流体添加至蒸发过程可以尤其是指含氧流体与水-燃料混合物的混合。如果含氧流体被供给蒸发器，则有利的是该步骤大致与将水-燃料混合物供给蒸发器同时或在此之前进行。

在这里，水可以是指液态的水或呈水蒸汽形式的水。含碳燃料最好是指含碳氢化合物的燃料、尤其是乙醇。

在本发明范围内，蒸发过程不仅是指在蒸发器中的过程本身，也指其随后的水-燃料混合物的过热。原则上，蒸发过程是指重整运行前的过程，其发生在重整过程的开始阶段。

该系统的重整运行的开始阶段，原则上是指加热运行。当此结束时，启动重整器运行。因此，本发明的方法在重整器运行的开始阶段中执行。本发明的方法尤其是在采用水和含碳燃料情况下执行用以制氢。

有利的是，含氧流体被供给蒸发器或在蒸发器下游被供给过热器。因为炭黑生成尤其只在水-燃料混合物过热时例如从200℃起、尤其从300℃或更高温度起发生，故含氧流体最好只在蒸发器之后被送入。在本发明范围内发现了，水-燃料混合物从约300℃起被裂解并由此形成炭黑，它随后沉积在过热器中、尤其在过热器的入口处。水-燃料混合物的过热在过热器内进行，过热器可布置在蒸发器下游。因此可以设置用于含氧流体的管路，经此将含氧流体供给蒸发过程和/或过热过程。

在此尤其有利的是，含氧流体在蒸发过程开始前在蒸发器下游被供给过热器。由此该含氧流体在蒸发过程开始前就已经到位。但仅当水-燃料混合物为气态，该含氧流体才与水-燃料混合物汇合。水-燃料混合物此时尤其具有超过100℃、最好超过110℃、尤其最好约为120℃或更高的温度。如果含氧流体被添加至水-燃料混合物，则在进一步过热时出现的碳部分、尤其是裂解的一氧化碳被结合至氧分子，由此妨碍炭黑生成。含氧流体此时被直接供给过热器或者在过热器的上游以及在蒸发器的下游被输入。

虽然该流体原则上能以任何聚集状态存在，但有利的是，根据本发明的一个改进方案，在方法中使用含氧气体作为含氧流体。气态流体可被压缩且相应省空间地应用在SOFC中。含氧气体还可快速有效地与水-燃料混合物混合，从而实现碳含量快速有效地结合至氧，由此能可靠获得避免炭黑的本发明效果。在本发明范围内的试验中已经证明合适的是，空气尤其适合作为含氧流体，用以达成避免炭黑生成的期望效果。空气可以通过简单廉价的方式被提供用于该方法。例如可以采用呈环境空气形式的空气。它可以例如通过风扇和空气传送系统被送入蒸发器中。或者可能的是，空气从压缩机被送入蒸发器。这能以很省空间的方式实现。在试验范围内还证明了，空气富含氧可有利于避免或减少炭黑生成。由此可以还是有目的地防止或减少炭黑生成。纯氧或近似纯氧的输入是特别有利的。因为空气中氮含量在本发明方法中并非不显著地影响化学过程，故空气使用就成本可预估而言是有利的。

还可行的是，在根据本发明的方法中，作为含碳燃料而采用乙醇或甲烷。这两种燃料在大量试验中已被证明是很合适的燃料。

此外，在本发明的方法中可行的是，一旦水-燃料混合物的水/燃料比、确切说水蒸汽/碳比(S/C比)在蒸发过程中改变，就将含氧流体供给蒸发过程。借此可以保证空气供应或水-燃料混合物与空气的混合适时地(即既未过晚也未过早地)进行。为此，水-燃料比、尤其是S/C比可以通过合适的监测装置例如在采用合适传感器装置情况下被监测或被连续地采集。

在本发明范围内发现了，S/C比在以乙醇为燃料时且在水/燃料比为约55％至45％时在平衡情况下约为1.98。在从大约1.5起的S/C比情况下，应该不再生成炭黑。

在本发明的方法中还可能的是，在蒸发过程中确定该水-燃料混合物的水/燃料比，随后执行所确定的水/燃料比与至少一个极限值的比较，其中，一旦所确定的燃料/水混合物高于至少一个极限值，就在蒸发过程中供应该含氧流体。优选确定一个S/C比。极限值在约等于1.98的S/C比的平衡之外。由此可以很高效且可靠地防止或减少炭黑生成。

在本发明的另一个设计变型中可行的是，在方法中，一旦水/燃料比在蒸发器中达到了热动力学平衡，就结束含氧流体至蒸发过程的供应。一旦水/燃料比且尤其是S/C比达到了热动力学平衡或化学平衡，则可结束含氧流体且尤其是空气的供应，因为从这个时刻起不再产生炭黑。从约1.5起达到相应的S/C比。用于将空气供应入蒸发器的辅助装置因此可以很高效地运行，这是因为它们只在期待可有效避免或减少炭黑形成之时才投入运行。炭黑形成尤其仅出现在燃料电池系统的重整作业的开始过程中。一旦燃料电池系统处于完全运行，则在系统内且因而在蒸发过程中有足够的水，从而S/C比在没有空气供入情况下也保持平衡。

根据本发明的另一个方面，提供一种用于控制和/或调整SOFC系统的计算机程序产品，以在SOFC系统中在采用水和含碳燃料情况下制氢，其中，该计算机程序产品设计和配置用于执行如前详述的方法。因此，本发明的计算机程序产品带来了与关于本发明的方法所明确描述的一样的优点。

该计算机程序产品能以机读指令代码以任何合适的程序语言例如像LabVIEW、JAVA、C++等实现。计算机程序产品可以存储在机读存储介质(数据盘、可更换式驱动器、易失或非易失存储器、内装存储器/处理器等)上。指令代码可以如此编程计算机或其它可编程设备如用于SOFC系统的控制装置或SOFC系统的控制装置，即，执行期望功能。还可以在网络例如像互联网中提供计算机程序产品，根据需要由使用者从其下载计算机程序产品。计算机程序产品不仅可以借助计算机程序即软件、也可以借助一个或多个特殊电子电路即硬件或者以任何混合形式即借助软件部件和硬件部件来实现。

根据本发明的另一方面，还提供一种具有存储在其上的如前所述的计算机程序产品的存储介质、尤其是非易失存储介质。为此，根据本发明的存储介质也带来了前述优点。

此外，在本发明范围内提供一种用在汽车中的SOFC系统。SOFC系统具有如前所述的存储介质，其中，该SOFC系统借助在存储介质上的计算机程序产品被配置和设计用于执行如前所述的方法。并且根据本发明的SOFC系统也带来了前述优点。

根据本发明的一个改进方案可行的是，在SOFC系统中，在蒸发器处或在蒸发器下游设置用于将水-燃料混合物送入蒸发器的第一流体进口和用于将含氧流体送入蒸发器的第二流体进口。由此允许能以简单可靠的方式给水-燃料混合物供应含氧流体，并且相应地可以获得前述的优点。流体进口尤其被设计成可启动的空气进口并且可以布置在蒸发器处、在蒸发器下游或者尤其在蒸发器下游且在过热器上游。空气进口可以被设计成管路，其中，该管路可以包括阀，可以通过阀控制添加空气的持续时间和/或量。

该SOFC系统优选设计成在汽车中的用于移动应用的SOFC系统。在蒸发器的上游设置有用于将水-燃料混合物送入蒸发器的燃料源。该燃料源可以设计成流体储蓄器的形式。在蒸发器的下游设置有过热器，在过热器的下游设置有重整器，用于从蒸发的水-燃料混合物重整或制备氢。过热器在本发明范围内被设计成用于针对重整器预处理水-燃料混合物的通用装置，并且布置在蒸发器之后。例如，它可以被设计成换热器或具有换热功能的管路。在重整器下游设置有燃料电池、确切说燃料电池的阳极气体进流部，以便在采用所生成的氢的情况下产生电流。在燃料电池或燃料电池阴极气体排流部的下游，设置用于燃烧该燃料电池废气的废气燃烧器。在废气燃烧器的下游设置一个换热器，被供给阴极废气进流部的空气经此可被加热。在换热器下游又设置该蒸发器，该蒸发器通过燃料电池的废气或燃料电池排气也可变热或被加热。在蒸发器之后，阴极废气可以被排出到SOFC系统的环境中。在换热器的上游设置风扇，借此可将环境空气输送入换热器并从那里进一步送入燃料电池的阴极气体进流部。在此情况下要说明的是，前述SOFC系统仅表示一个优选实施方式，并且本发明应被视为不限于此。尤其是，蒸发器和换热器(包含过热器在内)的相互布置可改变。例如也可行的是，将蒸发器和过热器设计成唯一一个部件。

根据本发明的另一方面，提供一种汽车，其具有至少一个如前详细所述的用于提供电能的SOFC系统和至少一个用于给电动机供电的储蓄单元，电动机用于在至少部分使用由SOFC系统提供的电能的情况下驱动汽车。因此，根据本发明的汽车带来了与之前明确所述的相同的优点。该储蓄单元尤其设计成电池，在电池中馈入由SOFC系统提供的电能。

附图说明

改进本发明的其它措施来自以下对如图示意性示出的各发明实施例的说明。所有来自权利要求书、说明书或附图的特征和/或优点包含结构细节和空间布置在内可不仅单独地、也在各不同组合中对本发明是重要的。

附图分别示意性示出：

图1示出用于说明本发明方法的流程图，

图2示出根据本发明的汽车，其具有SOFC系统、存储介质以及计算机程序产品，和

图3示出用于说明根据本发明的一个实施方式的SOFC系统的框图。

具体实施方式

具有相同的功能和工作方式的零部件在图1-3中分别带有相同附图标记。

图1示出了用于说明根据一个优选实施方式的在SOFC系统1中在采用水和含碳燃料情况下生产氢的方法的流程图。在本发明的方法中，在第一步骤S1中首先给SOFC系统1的蒸发过程供应含氧流体，在这里，为此采用空气。

随后和/或在此期间，在第二步骤S2中给蒸发器5供应水-燃料混合物，其中，作为燃料采用乙醇。含氧流体尤其在水-燃料混合物的水/燃料比在蒸发过程中改变时被送入，这在重整器运行的开始阶段中进行。确切说，可以在蒸发过程中利用合适的传感器装置确定水-燃料混合物的水/燃料比，随后将所确定的水/燃料比与至少一个极限值进行比较，在这里，一旦所确定的燃料/水混合物高于至少一个极限值，就将含氧流体供给蒸发过程。例如，空气可以被供给蒸发器或在蒸发器后被送入。

在第三步骤S3中，水-燃料混合物与空气一起在蒸发器中被蒸发。接着或在此期间，在第四步骤S4中确定水/燃料比是否达到了热动力学平衡。如果是这种情况，则在随后的第五步骤S5a中结束供应空气到蒸发器5中。若不是这种情况，则该方法或蒸发过程根据步骤S5b不变地继续进行，在这里，根据一个控制回路来连续检查水/燃料比何时达到热动力学平衡。

关于图1所示的方法要指明的是，这些步骤不一定必须按照所示的顺序进行。另外，不需要执行所有示出的步骤。

图1所示的方法只是示例性的。尤其是可以规定，空气只在蒸发器5的下游和过热器13的上游被输入。于是，步骤S2在步骤S3后进行，在这里，在步骤S2(以及在步骤S5a)中，空气未被供给蒸发器5，而是在蒸发器5的下游被供应。根据本发明，蒸发过程不仅是指在蒸发器5中的蒸发，也是指在过热器13中的过热。但总是看上去合适的是，空气就时间而言在水-燃料混合物之前被供给蒸发过程。

图2示出了汽车10，其具有用于提供电能的SOFC系统1和至少一个用于给电动机2供电的未示出的储蓄单元，电动机用于在至少部分使用由SOFC系统1提供的电能情况下驱动汽车10。汽车10还尤其在汽车10的控制装置中具有非易失存储介质4，其上存储或安装有计算机程序产品3。

计算机程序产品3设计和配置用于控制和/或调整SOFC系统1并且相应用于执行如前所述的方法。

图3示出了用在汽车10中的SOFC系统1。SOFC系统1具有存储介质4，其中，SOFC系统1借助在存储介质4上的计算机程序产品3被设计和配置用于执行前述方法之一。

SOFC系统1在此被设计成用于在汽车10中的移动使用的SOFC系统1。SOFC系统1具有蒸发器5，其中，在蒸发器5处，形成有用于将水-燃料混合物送入蒸发器5的第一流体进口5a和用于将含氧流体送入蒸发器5的第二流体进口5b。

或者也可以规定，含氧流体在蒸发器5的下游和过热器13的上游被输入。这在图3中作为虚线被示出。此时，第二流体进口5b未设置在蒸发器5处，而是可以设置在蒸发器5之后的空气供应装置处(图3未示出)。这可以是本发明方法的一个优选变型。

在蒸发器5的上游设置有用于将水-燃料混合物送入蒸发器5的燃料源11。燃料源11可以设计成流体储蓄器形式。在蒸发器的下游设置有过热器13，在过热器13的下游设置有用于从蒸发的水-燃料混合物产生氢的重整器6。过热器13设计用于进一步升高水-燃料混合物的温度并且例如可以设计成管路或换热器的形式。在重整器6的下游设置有燃料电池8、确切说是燃料电池的阳极气体进流部，以用于在使用所产生的氢的情况下产生电流。在燃料电池8的或燃料电池8的阴极气体排流部的下游设置有用于燃尽燃料电池8废气的废气燃烧器7。在将废气供给废气燃烧器7之前，阴极废气与阳极废气混合。

在废气燃烧器7的下游设置有换热器9，借此，被供给阴极废气进流部的空气可被加热。在换热器9的下游又设置蒸发器5，蒸发器通过阴极废气也可变暖或被加热。在蒸发器5之后，阴极废气可被排出至SOFC系统1的环境中。在换热器9的上游设置有风扇12，可借此将环境空气输入换热器9并从那里又送入燃料电池8的阴极气体进流部。

附图标记列表

1SOFC系统

2电动机

3计算机程序产品

4存储介质

5蒸发器

5a第一流体进口

5b第二流体进口

6重整器

7废气燃烧器

8燃料电池

9换热器

10汽车

11燃料源

12风扇

13过热器

Claims (14)

1.一种用于运行SOFC系统(1)的方法，具有在该SOFC系统的重整器工作的开始阶段中进行的以下步骤：

-将含氧流体送入该SOFC系统，

-将水-燃料混合物送入该SOFC系统的蒸发器(5)，

-执行蒸发过程以蒸发该水-燃料混合物，和

-一旦水和燃料是气态的，则添加含氧流体至蒸发过程。

2.根据权利要求1的方法，其特征是，该含氧流体被供应给该蒸发器(5)，或者在该蒸发器(5)的下游被供应给过热器(13)。

3.根据权利要求2的方法，其特征是，该含氧流体在蒸发过程开始之前在该蒸发器(5)的下游被供应给该过热器(13)。

4.根据前述权利要求之一的方法，其特征是，作为含氧流体而采用含氧的气体。

5.根据前述权利要求之一的方法，其特征是，作为含氧流体而采用空气。

6.根据前述权利要求之一的方法，其特征是，作为含碳燃料而采用乙醇或甲烷。

7.根据前述权利要求之一的方法，其特征是，一旦该水-燃料混合物的水/燃料之比在蒸发过程中变化，就将该含氧流体供应给蒸发过程。

8.根据前述权利要求之一的方法，其特征是，在该蒸发过程中确定该水-燃料混合物的水/燃料之比，接着将所确定的水/燃料之比与至少一个极限值进行比较，其中，一旦所确定的燃料/水混合物高于所述至少一个极限值，则将该含氧流体供应给蒸发过程。

9.根据前述权利要求之一的方法，其特征是，一旦水/燃料之比达到热动力学平衡，则结束该含氧流体至蒸发过程的添加。

10.一种计算机程序产品(3)，其用于控制和/或调整SOFC系统(1)，以在使用水和含碳燃料情况下在SOFC系统(1)内制氢，其中，该计算机程序产品(3)配置和设计用于执行根据前述权利要求之一的方法。

11.一种存储介质(4)且尤其是非易失存储介质(4)，具有存储在其上的根据权利要求10的计算机程序产品(3)。

12.一种用在汽车(10)中的SOFC系统(1)，具有根据权利要求11的存储介质(4)，其中，该SOFC系统(1)借助该存储介质(4)上的该计算机程序产品(3)被配置和设计用于执行根据权利要求1至9之一的方法。

13.根据权利要求12的SOFC系统(1)，其特征是，在该蒸发器(5)处或在该蒸发器(5)的下游设置有用于将水-燃料混合物送入该蒸发器(5)的第一流体进口(5a)和用于供应含氧流体至蒸发过程的第二流体进口(5b)。

14.一种汽车(10)，具有至少一个根据权利要求12至13之一的SOFC系统(1)以提供电能，并具有用于给电动机(2)供电的至少一个储蓄单元，该电动机用于在至少部分使用由该SOFC系统(1)提供的电能情况下驱动该汽车(10)。

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