CN112074980A - 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，其包括燃料供应单元、至少一个具有阴极、阳极和设置在阴极与阳极之间的电解质的高温燃料电池。阴极具有阴极供应管路，阳极具有阳极供应管路，其中，阳极通过该阳极供应管路与该燃料供应单元流通相连。另外，在阳极供应管路内设有重整装置。还设有用于至少将阳极废气从该阳极排出的阳极废气管路。该燃料电池系统具有用于冷却废气的废气换热器和用于将阳极废气回输至该重整装置的再循环输送机构。在此，该再循环输送机构和该废气换热器为了各自冷却而通过共同的冷却循环流体连通地彼此相连，该冷却循环具有带有换热器的中央冷却流体储蓄器作为流体源，并且在该冷却循环中冷却流体能够在冷却管路内循环。该冷却循环还具有至少一个用于输送冷却流体的泵。本发明还涉及一种用于冷却燃料电池系统的方法。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统以及一种用于冷却燃料电池系统的方法。燃料电池系统包括燃料供应单元、至少一个具有阴极、阳极和设于阴极与阳极之间的电解质的高温燃料电池，其中，该阴极具有阴极供应管路，该阳极具有阳极供应管路，并且该阳极通过阳极供应管路与燃料供应单元流通相连。在阳极供应管路内设置有重整装置，并且还设有阳极废气管路用于至少从阳极排出阳极废气。
背景技术
借助所述至少一个高温燃料电池，可以由阴极空气和燃料气体或重整气体生成电流。这样的燃料电池在此通常由许多单独的燃料电池元件组成，它们相互堆叠并且被称为燃料电池堆。对于技术人员而言，例如燃料电池、尤其是高温燃料电池是指固体氧化物燃料电池(SOFC)。固体氧化物燃料电池在约650℃至1000℃的工作温度下工作。
这种电池的电解质由固体陶瓷材料构成，其能够传导氧离子，但对电子起到隔绝作用。在电解质层的两侧安装有所述电极、尤其是阴极和阳极。它们是透气的电导体。传导氧离子的电解质例如被设计成薄膜，以便能在所述高温下以低能量方式输送氧离子。背对电解质的阴极外侧被空气(以下尤其称为阴极气体)包围，而阳极外侧被燃料气体或重整气体包围。未用空气和未用燃料气体以及燃烧产物例如被抽排出。
为了生成重整气体，燃料电池系统可以配备有重整装置，其由燃料、大多是碳氢化合物例如天然气、柴油或醇以及或许由重整器空气和/或水蒸汽生成重整气体。重整气体于是尤其包含氢气和一氧化碳。重整在此可以在单独的重整装置中、但也可在该燃料电池本身中进行。燃料电池系统还可以配备有空气供应装置，其借助空气输送机构从燃料电池系统的环境中吸入周围空气并且将其例如分为重整器空气和阴极空气。重整器空气于是可以被供给重整装置，而阴极空气可以通过阴极供应管路被供应。
在前言所述类型的燃料电池系统中，提供具有足够高的温度的废气。尤其在SOFC系统中，提供具有约350℃温度的阳极废气。这些已知解决方案的缺点尤其是，在燃料电池中获得的能量大部分作为废热经由燃料电池堆废气或废气未被利用地逃逸至环境中。如果在燃料电池系统中采用再循环机构，则热回收的液压管线连接是复杂的，在这里，也还需要附加的换热器。另一个缺点是：当在不同的循环中发生废热回收时，在温度不同的热水混合情况下出现火用损耗。
发明内容
本发明的任务是至少部分消除前述的缺点。本发明的任务尤其是提供一种具有改善的高效冷却效果的燃料电池系统。本发明的任务还是提供一种用于冷却燃料电池系统的方法。
前述任务通过一种具有权利要求1的特征的燃料电池系统以及一种具有权利要求8的特征的用于冷却燃料电池系统的方法来完成。本发明的其它特征和细节来自从属权利要求、说明书和附图。在此，关于本发明的燃料电池系统所描述的特征和细节显然也关于本发明的方法是适用的，反之亦然，因此关于对各自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，该任务通过一种燃料电池系统来完成，其包括燃料供应单元、至少一个具有阴极、阳极和设于阴极与阳极之间的电解质的高温燃料电池。阴极具有阴极供应管路，而阳极具有阳极供应管路，其中，该阳极通过阳极供应管路与燃料供应单元流通相连。此外，在阳极供应管路中设置重整装置。此外，设有用于至少从阳极排出阳极废气的阳极废气管路。阳极废气的残余可燃组分在燃烧器中可以与阴极废气的残余氧气完全燃烧，由此生成废气。该燃料电池系统具有用于冷却废气的废气换热器和用于将阳极废气或废气回输至重整装置的再循环输送机构。在此，所述再循环输送机构和废气换热器为了各自的冷却而通过共同的冷却循环流体连通地相互连接，该冷却循环具有带有换热器的中央冷却流体储蓄器作为流体源并且在该冷却循环中可以在冷却管路内循环该冷却流体。该冷却循环还具有至少一个尤其是可调的泵用于输送冷却流体。冷却流体质量流的调节因此最好通过可调泵进行。另一个有利解决方案是借助于调节阀与泵的组合来调节。
尤其优选规定，该中央冷却流体储蓄器被设计成热水储蓄器，并且通过共同的冷却循环，燃料电池系统的废热交换通过热水储蓄器连同换热器来实现。
在本发明范围内，该再循环输送机构例如可以设计成再循环风机，以便能在再循环、尤其是阳极废气回输期间运行该燃料电池系统。再循环风机能在运行中经受高达600℃的温度。
冷却流体最好可以由水构成。对于空气风机的使用，所述冷却也可以根据所述应用的不同而通过风冷进行。尤其是在使用再循环风机的情况下，优选以水作为冷却流体来冷却。
在本发明范围内，废气尤其是指阳极废气和阴极废气或通过阴极废气而完全燃烧的阳极废气。但也可行的是，废气是阳极废气或阳极废气是废气。
另外，在本发明范围内，高温燃料电池阳极的热阳极废气在阳极废气管路中尤其间接地被输送至废气换热器。在高温燃料电池的下游，来自阳极的热阳极废气在阳极废气管路中被引导至燃烧器。在燃烧器中，阳极废气借助于阴极废气中的氧气被氧化，并且生成废气。废气随后被分至两个路径：利用废气来加热空气换热器还有重整装置。废气在这两个组件的下游又被混合并被送入废气换热器。在此，所输入的废气可以在最好对流运行的废气换热器中被冷却并且在废气管路中作为已冷却的废气又离开废气换热器。为此，废气换热器例如可以被供以具有约30℃温度的冷却流体且尤其是水，以便冷却灼热废气。在冷却循环内的废气换热器区域中最好选择约30℃的低温，因为它对应于现代化热水制备设备的回输温度，进而可以获得高的热效率。此时在废气换热器区域中出现由阳极废气形成的凝结物。它例如可被排出或被提供用于晚些的蒸汽重整。通常，低温冷却提供如下优点，即，可以提升效率。此外，需要低温以便尽量冷却该废气，以免不利地高于紧跟在燃料电池系统下游的组件的工作温度。
本发明还有以下优点，即，基于再循环输送机构和废气换热器的流体连通相连而使废气热利用的冷却循环与再循环输送机构的风机冷却的冷却循环相互耦合。换言之，用于再循环输送机构的冷却的冷却流体在也用于冷却该废气的相同的冷却循环中循环。这有以下优点，即，通过本发明的耦合，可以放弃在单独的冷却循环中的另一个泵和另一个换热器。因为在换热器中的热传递众所周知地伴随损失，故可以通过放弃在单独的冷却循环中的另一个换热器来减小热损失。因此，通过所述冷却耦合来总体提升冷却效率。另外，可以通过放弃在单独的冷却循环中的另一个泵和另一个换热器来显著节约燃料电池系统成本。
本发明还具有以下优点，即，各自部件的且尤其是再循环输送机构的废热可被用于在下游的供热-暖水循环或热水系统/工业用水系统中提供更多热能且因此提高总效率。还可以通过本发明的冷却来保证：例如在再循环输送机构中的阳极废气工作温度不会过高，以避免损伤并且保证再循环输送机构有序运行。
在本发明的燃料电池系统中最好可以规定，该再循环输送机构在冷却循环中设于废气换热器的下游，尤其是紧随其后，使得冷却流体可以从废气换热器被送至再循环输送机构。换言之，该废气换热器可以是冷却循环中的第一组成部分，其中，该冷却流体借助泵直接从冷却流体储蓄器被送入废气换热器。冷却流体可以自废气换热器在下游被送入再循环输送机构。
“废气换热器设于上游”具有如下优点，即，所提供的冷却流体具有冷却循环内的最低温度、尤其是约30℃作为进入废气换热器的输入温度。为了冷却该再循环输送机构，不再需要这样低的冷却流体输入温度。因此，可以有利地获得废气换热器的高效冷却，并且可以最佳地从热阳极废气中冷凝出水。废气换热器的输出温度例如可以约为65℃。因此，在冷却循环的设有废气换热器的废气换热器区段内的冷却流体温度可以总体上在30℃-65℃温度范围内，其中，输入温度优选在30℃-35℃范围内，输出温度最好在60℃-65℃范围内。根据设于下游的热水使用设备类型的不同，所述输入温度和输出温度可以改变并且也可以达到90℃。
特别优选地，本发明的燃料电池系统可被设计如下，即，在冷却循环中，抽气机布置在所述废气换热器与再循环输送机构之间，该抽气机可以用该冷却循环的冷却流体来冷却。尤其是该抽气机可以用该冷却循环的水来冷却，水在该冷却循环中被循环。抽气机的使用尤其也允许燃料电池系统以负压工作。以负压工作具有以下优点，即，在燃料电池系统的组件出乎意料失效时不会有工艺气体逃逸至环境中，或者说没有工艺气体输出至环境，而是空气通过抽气机被吸入燃料电池系统。可以通过冷却流体进入废气换热器的约30℃的低输入温度来获得：废气可被冷却到约35℃。在冷却循环中将抽气机布置在废气换热器与再循环输送机构之间，这因此有以下优点，即，在抽气机中的冷却流体温度高于所输送废气的温度。
在冷却循环的设有抽气机的抽气机区段中的冷却流体温度最好为了在燃料电池系统的工作状态下冷却抽气机而具有尤其在35℃-65℃范围内的值，该值高于阳极废气的温度。因为抽气机必须在工作中输送可能具有几乎100％相对湿度的阳极废气，故尤其可能在抽气机局部过冷时出现凝结。这是如此做到的：冷却流体温度比所输送废气的温度高。得到如下优点，即，借此可以防止在抽气机内局部低于露点且进而出现对抽气机有害的凝结。冷却流体进入抽气机的输入温度最好约为40℃。
通常可行的是，将冷却循环的组成部分例如像废气换热器、抽气机或再循环输送机构如此布置在冷却循环中，即，在冷却循环的各自组成部分中的所确定的输入温度或输出温度可被调节。冷却循环的组成部分的顺序因此是多样可变的或可调设的。
在一个优选实施方式中规定，再循环输送机构被设计成具有滑动轴承的涡轮压缩机，在这里，滑动轴承为了润滑而与润滑剂循环尤其是油循环相连。润滑剂循环的使用具有如下优点，即，可以避免轴承损伤，并且可以保证涡轮压缩机的有序工作。
在一个优选实施方式中可以规定，该润滑剂循环具有润滑剂源、至少一个润滑剂泵和至少一个润滑剂换热器，其中，该润滑剂换热器与该冷却循环相连，由此该润滑剂循环的润滑剂可通过该冷却流体被冷却。换言之，例如作为滑动轴承润滑剂所用的油可以有利地用该冷却循环的冷却流体、尤其是水在润滑剂换热器内被循环冷却，以免油过热。尤其是该润滑剂可以借助通过冷却流体的冷却被调节到在60℃-80℃范围内的温度。因此，可以有效地避免润滑剂分解或具有热损伤。还可能有利的是，润滑剂循环附加地给这个或至少一个再循环输送机构供应润滑剂。
还优选可以规定，来自废气换热器的阳极废气的废热以及来自再循环输送机构的废热在另一个换热器中被转送至热水系统/工业用水系统以便利用废热。例如该热水系统/工业用水系统可以通过中央冷却流体储蓄器和配套的换热器来构成。废热此时可以在换热器内被内部转交。在此情况下可以想到带有多个换热器或组件的其它系统，用于分散输出废热。
更优选地，在冷却循环中设有两个泵，其中，第一泵布置在所述冷却流体储蓄器与废气换热器之间，第二泵布置在所述润滑剂换热器与抽气机之间，在这里，借助这些泵可以调节冷却流体流。当燃料电池系统例如与热水系统/工业用水系统相连时，在系统内的某些工作点可能需要调节、尤其是减小冷却流体的质量流。由此，冷却循环内的温度分布可以被高效调节或在工作中得以保持。例如，在这样的工作点处在风机、尤其是抽气机或再循环输送机构中可能出现：无法再达到冷却流体的所需质量流并且风机冷却效能不足。为了避免于此，可以借助在冷却循环中的第二泵来最佳调节冷却循环回路，其中，该冷却流体的质量流可以根据需要来增减。冷却流体储蓄器尤其被设计成热水储蓄器。
根据本发明的第二方面，该任务通过一种用于冷却根据前述实施方式之一的燃料电池系统的方法来完成，其包括如下步骤：
-借助至少一个泵在冷却循环中循环该冷却流体；
-将冷却流体从废气换热器输送至再循环输送机构。
这具有以下优点，即，因为从废气换热器至再循环输送机构的流体连通连接或冷却流体输送，可以使阳极废气热利用的流体循环和再循环输送机构的风机冷却的流体循环相互耦合。因为这种耦合，可以放弃在两个单独的冷却循环中的另一个泵和另一个换热器，由此减小热损失。
更优选地，该方法还可以包括以下步骤：
-用冷却循环的冷却流体来冷却在废气换热器和再循环输送机构之间的抽气机。
这具有以下优点，即，抽气机中产生的废热也可以在如上所述的同一冷却循环中被充分利用。此外，通过在冷却循环中将抽气机布置在废气换热器和再循环输送机构之间而可以获得进入抽气机的低输入温度，由此可以实现抽气机的最佳工作温度以保证负压。
在另一个实施方式中，该方法还可以包括如下步骤：
-将冷却循环的设有抽气机的抽气机区段中的冷却流体温度调节至尤其在35℃-65℃范围内的值，该值高于阳极废气温度。
在抽气机区段中的温度调节具有如下优点，即，借此可以避免在抽气机中局部低于露点且进而出现对抽气机有害的凝结。
在另一个实施方式中，该方法还可以包括如下步骤：
-将该冷却循环与润滑剂循环相连，由此该润滑剂循环的润滑剂通过该冷却流体被冷却。
因此可以有效地避免该润滑剂被过度加热或者分解和具有热损伤。
附图说明
以下，结合如图所示的非限制性实施例来详述本发明，其中：
图1示出本发明的燃料电池系统的第一变型的示意图，
图2示出本发明的燃料电池系统的第二变型的示意图，以及
图3示出本发明的燃料电池系统的第三变型的示意图。
具体实施方式
在以下的图中，出于概览考虑而用相同的附图标记标示相同的零部件。
图1示出本发明的燃料电池系统的第一实施例的示意图，其中，该冷却循环被具体示出。燃料电池系统10具有未示出的燃料供应单元、至少一个未示出的具有阴极14、阳极16和设于阴极14与阳极16之间的电解质18的高温燃料电池12。阴极14具有未示出的阴极供应管路15，其中，空气或氧气可被供应给阴极14。阳极16具有阳极供应管路16a，其中，阳极16通过阳极供应管路16a与燃料供应单元流通相连。在阳极供应管路16a中设有未示出的重整装置62。另外，设有用于至少从阳极16排出阳极废气的阳极废气管路16b。阳极废气管路16b和阳极供应管路16a可以形成阳极气体循环。
燃料电池系统10具有用于冷却废气的废气换热器20和用于回输阳极废气至重整装置62的再循环输送机构30。废气换热器20与阳极废气管路16b相连。在此，尤其是一部分的阳极废气在阳极废气管路16b中被排出并从燃料电池系统10的阳极气体循环离开。再循环输送机构30与阳极供应管路16a相连。
再循环输送机构30例如可以被设计成再循环风机，以便在再循环、尤其是阳极废气回输期间能运行燃料电池系统10。再循环风机能在工作中经受高达600℃的温度。
再循环输送机构30和废气换热器20为了各自的冷却而通过共同的冷却循环40流体连通地彼此相连。冷却循环40具有带有换热器44的、呈热水储蓄器形式的中央冷却流体储蓄器42。通过冷却流体储蓄器42，冷却流体通过换热器被循环冷却和提供，冷却流体可以在冷却循环40中循环。热水储蓄器和换热器44也可以被设计成按照各种不同布置形式的热水系统/工业用水系统。例如，选择如下的热水储蓄器，在此，灼热的冷却流体在储蓄器的上侧区域内加热热水。设计成换热器形式的冷却流体储蓄器42在此例子中被如此设计，即，冷却流体在热水储蓄器44的下侧区域中利用来自热水使用设备的冷水被冷却到约30℃。
借助泵46，冷却流体从冷却流体储蓄器42被输送至废气换热器20。因此，泵46在冷却循环40中布置在冷却流体储蓄器42与废气换热器20之间。冷却流体例如由水构成。水进入废气换热器20的输入温度最好约为30℃。借助水，灼热的阳极废气被冷却。来自废气换热器20的水的输出温度近似为65℃。因此，在设有废气换热器20的废气换热器区段21中的水温在30℃-65℃的范围内。
废气换热器20与废气管路64b相连。被输送至废气换热器20的灼热废气通过水在废气换热器20中被冷却并在废气管路64b中作为已冷却废气离开废气换热器20。作为在冷却循环40的废气换热器20区域内的输入温度，约为30℃的低温是为了将废气冷却到35℃并且获得高效所需要的。此时在废气换热器20区域中出现自废气形成的冷凝物。它例如可以被排出或者被提供用于晚些的蒸汽重整。
在冷却循环40中在流动方向上在废气换热器20的下游设置有抽气机48。借助抽气机48能使燃料电池系统10以负压运行。抽气机48用来自冷却循环40的水来冷却。在废气路径64b中在流动方向上将抽气机48布置在废气换热器20的后面，这具有以下优点，即，因来自冷却循环40的废气换热器区段21或来自废气换热器的废气的低输出温度而可以获得进入抽气机48的低输入温度，由此可以实现抽气机48的最佳工作温度以保证负压。
在冷却循环40的设有抽气机48的抽气机区段49中的冷却流体温度最好具有尤其在35℃-65℃范围内的值，以便在燃料电池系统10的工作状态下冷却抽气机48，该值高于废气温度。抽气机区段49内的温度调设具有以下优点，即，借此可以阻止在抽气机48内局部低于露点且进而出现对抽气机48有害的凝结。
在冷却循环40中在流动方向上在抽气机48的下游设置再循环输送机构30。换言之，抽气机48布置在废气换热器20与再循环输送机构30之间。再循环输送机构30例如被设计成具有滑动轴承的涡轮压缩机，其中，该滑动轴承与润滑剂循环50、尤其是油循环相连以便润滑。润滑剂循环50的使用具有以下优点，即，能够避免在滑动轴承处的轴承损伤并能够保证足够长的涡轮压缩机寿命。
润滑剂循环50具有润滑剂源52、润滑剂泵54和润滑剂换热器56。润滑剂换热器56与冷却循环40相连或连接，由此，润滑剂循环50的润滑剂可以通过冷却循环40的水被冷却。换言之，用于滑动轴承的润滑剂可以例如利用冷却循环40的水在润滑剂换热器56中被循环冷却，以免润滑剂过热。尤其是，润滑剂可以借助水冷被调节到60℃-80℃范围内的温度。因此可以高效避免润滑剂分解或具有热损伤。
在润滑剂换热器56之后，冷却循环40的水可以通过换热器44被回输入冷却流体储蓄器42。可以想到冷却循环40的组成部分的顺序被改变。优选规定，来自热水储蓄器42中的换热器44的水借助泵46经由废气换热器20、抽气机48和再循环输送机构30被送至润滑剂换热器56并且被回送至热水储蓄器42。根据单独部件的输入温度或输出温度的设定状况，也可以规定在冷却循环40中的其它顺序。
因为再循环输送机构30和废气换热器20流体连通相连，故阳极废气热利用的冷却循环和再循环输送机构30的风机冷却的冷却循环在中央冷却循环40中相互耦合。换言之，用于再循环输送机构30的冷却的冷却流体即水在也用以冷却阳极废气的相同的冷却循环40中循环。这有以下优点，即，通过所述耦合而可以放弃在两个单独的冷却循环中的另一个泵和另一个换热器。因为在换热器内的热传递众所周知地伴随损耗，故可以通过放弃在单独冷却循环中的另一个换热器来减小热损失。因此，通过所述冷却耦合来总体上提升冷却效率。
图2示出本发明的燃料电池系统的第二实施例的示意图。燃料电池系统10具有与图1相似的结构。不同于图1，在冷却循环40中设置有另一个泵46。例如，第一泵46布置在冷却流体储蓄器42和废气换热器20之间，第二泵46布置在润滑剂换热器56和抽气机20之间，在这里，借助这些泵46可以调节冷却流体流。当燃料电池系统10例如与热水系统/工业用水系统相连时，可能在系统内的某些工作点处需要调整、尤其是减小冷却流体的质量流。由此，在冷却循环40内的温度分布可被有效调节，或者说在运行工作中得以保持。例如在这样的工作点处在风机、尤其是抽气机48或再循环输送机构30中可能出现：不再达到所需的冷却流体质量流且风机冷却功效不足。为了避免于此，可以借助冷却循环40中的第二泵46来最佳调节冷却循环回路，其中，该冷却流体的质量流可以根据需要来增减。
图3示出本发明的燃料电池系统的第三实施例的示意图。在图3中，不同于图1地示出整个燃料电池系统10。燃料电池系统10具有固体氧化物燃料电池(SOFC)。在此，它是高温燃料电池12，其在约650℃至1000℃的工作温度下工作。这种电池的电解质18可以由固体陶瓷材料构成，其能够传导氧离子，但对电子起到隔绝作用。在电解质18的两侧安装有电极、尤其是阴极14和阳极16。它们是透气的电导体。传导氧离子的电解质18例如以薄膜形式设置，以便能以低能耗的方式输送氧离子。
固体氧化物燃料电池12是用于连续电化学生成电流的燃料电池，其通常以燃料电池堆(所谓的SOFC堆)、即多个高温燃料电池12的串联结构的形式运行。为了更好概览，在图3中仅示出唯一一个高温燃料电池12。每个燃料电池的功能依据的是氧化还原反应，在此，还原和氧化是空间分开地进行的，即在各自电极与电解质18之间的界面处。在固体氧化物燃料电池12中，氧化还原反应是氧与燃料(如输入的天然气)的反应。在阴极侧存在氧量过剩，而在阳极侧存在氧量不足。浓度差造成氧从阴极14经电解质18扩散至阳极16。电解质18仅允许氧离子透过。
如果氧分子已到达阴极14与电解质18之间的界面，则它得到两个电子而变为离子并且能够穿过隔膜。如果达到阳极16的界面处，则它与燃料气体催化反应，此时释放热和相应的燃烧产物，并且又将两个电子释放给阳极16。其前提条件是有电流流动。
阴极14具有阴极供应管路15，空气或氧气借此可被供给阴极14。为此，在阴极供应管路15中设置有用于空气或氧气供应的阀60、尤其是节流阀。另外，在阴极供应管路15中设有空气换热器66，用于调整要输送至阴极14的空气或氧气温度。
阳极16具有阳极供应管路16a，其中，阳极16通过阳极供应管路16a与燃料供应单元流通相连。借助阳极供应管路16a，例如天然气可以作为燃料被供给阳极16。在阳极供应管路16a中，为此设置有用于天然气供应的阀60。天然气在阳极供应管路16a中被送至再循环输送机构30。再循环输送机构30例如可以被设计成再循环风机，以便能在再循环、尤其是阳极废气回输期间运行燃料电池系统10。再循环风机能在运行中经受高达600℃的温度。在阳极供应管路16a中还设置有在流动方向上设于再循环输送机构30下游的重整装置62。再循环输送机构此时输送天然气至重整装置62。重整装置62可以从燃料例如天然气以及或许重整器空气和/或水蒸汽中产生重整气体。重整气体于是尤其含有氢气和一氧化碳并被转送至阳极16。
此外，设有用于至少从阳极16排出阳极废气的阳极废气管路16b。阳极废气管路16b和阳极供应管路16a可形成阳极气体循环。在阳极废气管路16b中，灼热的阳极废气被送至燃烧器64。在燃烧器64中，阳极废气借助于阴极废气中的氧气被氧化且生成废气。在废气路径64b中，并行于阴极换热器或空气换热器66地，来自燃烧器64的废气也被输送经过重整装置62。废气以下又被混合且被送入废气换热器20，其中，所输入的废气在最好以对流形式运行的废气换热器20中被冷却并且又在废气管路16b中离开废气换热器20。一部分阳极废气进入阳极供应管路16a并在其中作为回输的阳极废气在阳极气体循环中被输送并在重整装置62中与新鲜燃料混合。为此，例如氧气、天然气以及电极废气产物可以通过催化燃烧器64被供给重整装置62。重整侧最好被如此设计，即，废气与阳极气体循环在空间上分隔开，并且废气仅被用作热载体以加热重整装置62。
再循环输送机构30和废气换热器20为了各自的冷却而通过共同的冷却循环40流体连通地彼此相连。该冷却循环与图1相似地构成。冷却循环40具有带换热器44的、呈热水储蓄器形式的中央冷却流体储蓄器42来作为流体源。通过冷却流体储蓄器42提供冷却流体，冷却流体可在冷却循环40中循环。借助泵46，冷却流体从冷却流体储蓄器42被输送至废气换热器20。泵46因此在冷却循环40内布置在冷却流体储蓄器42和废气换热器20之间。冷却流体例如由水构成。被输送至废气换热器20的灼热的阳极废气通过水在废气换热器20中被冷却并且在阳极废气管路16b中作为已冷却的阳极废气离开废气换热器20。
在冷却循环40中在流动方向上在废气换热器20的下游设置有抽气机48。借助抽气机48，燃料电池系统10能以负压运行。抽气机48利用来自冷却循环40的水来冷却。在冷却循环40中将抽气机布置在废气换热器20之后，这具有如下优点，即，可以因在冷却循环40的废气换热器区段21内的低温度范围而获得进入抽气机48的低输入温度，由此可以实现抽气机48的最佳工作温度以保证负压。
在冷却循环40中在流动方向上在抽气机48的下游设置再循环输送机构30。换言之，抽气机48布置在废气换热器20和再循环输送机构30之间。再循环输送机构30例如被设计成带有滑动轴承的涡轮压缩机，其中，该滑动轴承与润滑剂循环50、尤其是油循环相连以便润滑。
润滑剂循环50具有润滑剂源52、润滑剂泵54和润滑剂换热器56。润滑剂换热器56与冷却循环40相连，由此，润滑剂循环50的润滑剂可以通过冷却循环40的水被冷却。换言之，用于滑动轴承的润滑剂最好例如借助冷却循环40的水在润滑剂换热器56中被循环冷却，以免润滑剂过热。
接着，在润滑剂换热器56之后，冷却循环40的水可以通过换热器44被回输入作为热水储蓄器构成的冷却流体储蓄器42。可以想到的是冷却循环40的组成部分的顺序被改变。优选规定，水从中央冷却流体储蓄器42借助泵46经由废气换热器20、抽气机48和再循环输送机构30被送至润滑剂换热器56并且被回送入冷却流体储蓄器42。冷却循环40还在中央冷却流体储蓄器42的区域中具有两个阀60用于调节冷却流体的质量流。根据各自组成部分的输入温度或输出温度的调设状况，也可以规定冷却循环40内的组成部分的不同顺序。
附图标记列表
10 燃料电池系统
12 高温燃料电池
14 阴极
15 阴极供应管路
16 阳极
16a 阳极供应管路
16b 阳极废气管路
18 电解质
20 废气换热器
21 废气换热器区段
30 再循环输送机构
40 冷却循环
42 冷却流体储蓄器，热水储蓄器
44 换热器
46 泵
48 抽气机
49 抽气机区段
50 润滑剂循环
52 润滑剂源
54 润滑剂泵
56 润滑剂换热器
60 阀
62 重整装置
64 燃烧器
64b 废气路径
66 空气换热器

Claims (11)

1.一种燃料电池系统(10)，包括燃料供应单元、至少一个具有阴极(14)、阳极(16)和设置在阴极(14)与阳极(16)之间的电解质(18)的高温燃料电池(12)，
其中，该阴极(14)具有阴极供应管路(15)，并且该阳极(16)具有阳极供应管路(16a)且该阳极(16)通过该阳极供应管路(16a)与该燃料供应单元流通相连，并且在该阳极供应管路(16a)内设有重整装置(62)，
其中，还设有用于至少将阳极废气从该阳极(16)排出的阳极废气管路(16b)，
其中，该燃料电池系统(10)具有用于冷却废气的废气换热器(20)和用于将阳极废气回输至该重整装置(62)的再循环输送机构(30)，
其中，该再循环输送机构(30)和该废气换热器(20)为了各自冷却而通过共同的冷却循环(40)流体连通地彼此相连，该冷却循环具有带有换热器(44)的中央冷却流体储蓄器(42)作为流体源，并且在该冷却循环中冷却流体能够在冷却管路内循环，
其中，该冷却循环(40)具有至少一个用于输送冷却流体的泵(46)。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征是，该再循环输送机构(30)在该冷却循环中布置在该废气换热器(20)的下游，尤其是紧跟在下游，使得冷却流体能从该废气换热器(20)被输送至该再循环输送机构(30)。
3.根据前述权利要求之一所述的燃料电池系统，其特征是，在该冷却循环(40)中，在该废气换热器(20)与该再循环输送机构(30)之间设有抽气机(48)，由此该抽气机(48)能用该冷却循环(40)的冷却流体来冷却。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其特征是，为了在该燃料电池系统的工作状态下冷却该抽气机(48)，在该冷却循环(40)的设有该抽气机(48)的抽气机区段(49)中的冷却流体温度具有尤其在35℃-65℃之间的值，该值高于废气温度。
5.根据前述权利要求之一所述的燃料电池系统，其特征是，该再循环输送机构(30)被设计成带有滑动轴承的涡轮压缩机，其中，该滑动轴承连接至润滑剂循环(50)尤其是油循环以便润滑。
6.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其特征是，该润滑剂循环(50)具有润滑剂源(52)、至少一个润滑剂泵(54)和至少一个润滑剂换热器(56)，其中，该润滑剂换热器(56)与该冷却循环(40)相连，由此该润滑剂循环(50)的润滑剂能通过该冷却流体被冷却。
7.根据权利要求5或6所述的燃料电池系统，其特征是，两个泵(46)布置在该冷却循环(40)中，其中，第一泵(46)布置在该冷却流体储蓄器(42)与该废气换热器(20)之间，第二泵(46)布置在该润滑剂换热器(56)与该抽气机(48)之间，其中，借助这些泵(46)能调节冷却流体流。
8.一种用于冷却根据前述权利要求之一所述的燃料电池系统的方法，其中，该方法包括以下步骤：
-在冷却循环(40)中借助至少一个泵(46)来循环冷却流体；
-将冷却流体从废气换热器(20)输送至再循环输送机构(30)。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征是，该方法还包括以下步骤：
-用该冷却循环(40)的冷却流体来冷却在该废气换热器(20)和该再循环输送机构(30)之间的抽气机(48)。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征是，该方法还包括以下步骤：
-将该冷却循环(40)的设有该抽气机(48)的抽气机区段(49)中的冷却流体温度调节至尤其在35℃-65℃之间的值，该值高于阳极废气温度。
11.根据权利要求8至10之一所述的方法，其特征是，该方法还包括以下步骤：
-将该冷却循环与润滑剂循环相连，由此该润滑剂循环(50)的润滑剂通过该冷却流体被冷却。
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