CN114586206B - 具有组合燃料蒸发和阴极气体加热器单元的燃料电池系统、其用途以及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池系统，其中所述阴极气体加热器和所述蒸发器组合在单个紧凑第一热交换单元(21)中，所述第一热交换单元包括第一外壳(23)，在所述第一外壳内热能从所述第一冷却剂传递到所述阴极气体和所述燃料两者。

Description

具有组合燃料蒸发和阴极气体加热器单元的燃料电池系统、 其用途以及其操作方法
技术领域
本发明涉及具有燃烧器和重整器以及热交换器系统的燃料电池系统(例如，HT-PEM燃料电池)，以及其对于车辆的用途和操作此种燃料电池系统的方法。
背景技术
当用燃料电池系统生成电力时，也会生成作为副产物的热，所述热被循环通过燃料电池中的通道的冷却液移除。通过例如基于二醇的冷却液流动穿过热交换器和散热器来调整温度，以优化燃料电池的功能。另一方面，冷却剂可用于在起动状况期间加热燃料电池。
三通热交换器通常已知用于冷却剂回路。在韩国专利申请KR2017-0087077中公开了通过单个三通热交换器的三个冷却回路的示例。然而，尚未提出三通热交换器用于液体与气体之间的热交换，以便为燃料电池系统尤其是汽车中的燃料电池系统提供紧凑的解决方案。而是，双向交叉流热交换器通常用于燃料电池系统作为空气热交换器或冷凝器。
WO 2019/158173 A1描述了一种燃料电池系统，包括燃料电池堆，每个包括阴极、阳极和聚合物电解质，以及冷却流体回路。燃料电池系统还包括将阴极气体馈送到阴极的阴极气体供应装置，以及接收经蒸发的燃料并将其转化为馈送到燃料电池的阳极侧的合成气的重整器。燃料电池系统还包括加热重整器的重整器燃烧器、接收液体燃料并将其蒸发以形成馈送至重整器的经蒸发的燃料的蒸发器。蒸发器由冷却回路的冷却液加热。
WO2017/148487公开了一种具有冷却回路的燃料电池系统，其中冷却剂被分成传递通过用于蒸发燃料的热交换器的主要部分和传递通过用于冷却冷却剂的热交换器的次要部分。US2015/0340715公开了一种燃料电池系统，其中冷却剂用于在空气和氢进入燃料电池模块之前对空气和氢进行加热和加湿。US2001/0019788公开了一种冷却回路，其中冷却剂用于蒸发燃料。
对于燃料电池系统，尤其是在汽车工业中，一直存在对优化的稳定需求。特别地，存在对空间和重量的最小化的需求。该上面提及的现有技术没有教导将阴极气体加热系统和蒸发器组合在单个紧凑的第一热交换单元中，该第一热交换单元包括外壳并且被配置用于将热能从外壳内部的冷却剂传递到阴极气体和燃料两者。
发明内容
本发明的目标是提供对本领域的改进。特别地，一个目标是提供一种紧凑且用于在小空间中(例如，在汽车中)提供的燃料电池系统。该目标和另外的目标用如以下和权利要求书中所描述的燃料电池系统和方法来达成。
如以下所阐述，提出了用于达成紧凑性同时优化热效率的不同原理。
燃料电池系统包括燃料电池，通常是燃料电池堆。在本文中，术语燃料电池被用于单个燃料电池以及多个燃料电池(例如燃料电池堆)。
燃料电池包括阳极侧和阴极侧以及它们之间的质子交换膜，用于在操作期间通过膜将氢离子从阳极侧输送到阴极侧。
例如，燃料电池是在高温下操作的类型。术语“高温”是燃料电池技术领域中常用和理解的术语，并且指的是120℃以上的操作温度，与在较低温度下(例如，在70℃)操作的低温燃料电池形成对照。例如，燃料电池在120℃-200℃的温度范围内操作。
例如，燃料电池系统中的燃料电池是高温聚合物电解质膜燃料电池(HT-PEM)，它们在120摄氏度以上操作，从而使HT-PEM燃料电池与低温PEM燃料电池区分开来，后者在低于100度的温度下(例如，在70度下)操作。HT-PEM燃料电池的正常操作温度在120摄氏度至200摄氏度的范围内，例如在160摄氏度至170摄氏度的范围内。HT-PEM燃料电池中的聚合物电解质膜PEM是基于无机酸的，通常是聚合物膜，例如掺杂有磷酸的聚苯并咪唑。HT-PEM燃料电池在耐受相对较高的CO浓度方面是有利的，并且因此在重整器与燃料电池堆之间不需要PrOx反应器，这就是可使用简单、轻质且廉价的重整器的原因，这符合例如为汽车工业提供紧凑型燃料电池系统的目的使系统的整体大小和重量最小化。
燃料电池用于产生电力，例如用于驱动车辆，诸如汽车。为了为所产生的电力提供缓冲器，通常提供与燃料电池电连接的电池系统。
例如，空气用于向燃料电池提供氧。在这种情况下，提供空气供应装置以将空气供应到阴极侧。在进入燃料电池之前，空气被空气加热系统加热以提高空气的温度。空气为燃料电池提供氧。空气中的其他气体仅流动通过所述系统并再次被丢弃。
作为空气的替代品，原则上可使用另一种含有氧气的气体或甚至纯氧气。为简单起见，含氧的气体在本文中称为阴极气体，可能是纯氧气、空气或其他含氧的气体混合物，所述气体被提供给燃料电池的阴极侧。对应地，气体加热系统通常称为阴极气体加热系统。
提供了第一冷却回路以用于使第一冷却剂再循环通过燃料电池，以用于利用第一冷却剂调整燃料电池的温度。在正常操作期间，第一冷却回路从燃料电池吸收热，以便使温度保持稳定并处于优化范围内。例如，燃料电池的温度是170度，并且第一冷却剂在燃料电池的入口处具有160度的温度。
例如，第一冷却剂是基于二醇的。然而，在燃料电池系统用于寒冷地区的汽车的情况下，二醇不是最适合起动的，而是首选其他液体。此类其他液体的示例包括合成油。
具有催化剂的重整器用于将燃料催化转化成燃料电池中用于产生电力的合成气，所述合成气含有燃料电池的阳极侧所必需的氢气。因此，重整器通过导管连接到燃料电池的阳极侧。重整器包括在重整器外壳内部的催化剂，所述重整器外壳具有重整器壁。
为了在重整器中进行催化反应，在蒸发器中将所提供的液体燃料蒸发，所述蒸发器在其下游侧通过燃料蒸气导管通过导管连接到重整器。蒸发器的上游侧通过导管连接到液体燃料供应装置用于接收燃料，例如液体甲醇和水的混合物。
为了将重整器加热到合适的催化转化温度，例如在250度-300度的范围内，提供重整器燃烧器并与重整器热接触以将热传递到重整器内的催化剂。重整器燃烧器包括通过燃烧阳极废气或燃料或两者来提供烟道气的燃烧器室。例如，重整器燃烧器提供温度在350度-400度范围内的由重整器燃烧器提供的烟道气。
例如，在正常操作中，来自重整器燃烧器的烟道气沿着重整器壁传递并对所述壁进行加热。在此种实施方案中，燃烧器室与重整器壁流体流动连通，以使烟道气从燃烧器室流向重整器壁并沿着重整器壁流动，以将热从烟道气传递到重整器壁。
在热能从烟道气传递到重整器壁之后，剩余热能可用于加热其他部件(例如用于存储燃料电池的电能的电池)，或者用于加热车辆车厢。重整器燃烧器被配置用于通过燃烧阳极废气或燃料或两者来提供烟道气。
例如，重整器和重整器燃烧器作为紧凑单元提供。任选地，为了提供一种方式的紧凑燃烧器/重整器单元，重整器壁是管状的并且围绕燃烧器壁。然而，这并非绝对必需的，并且燃烧器/重整器的串行配置或并排配置或者燃烧器夹在重整器的两个区段之间的配置也是可能的。
为了实现紧凑性，有利地，将阴极气体加热系统和蒸发器组合在单个紧凑第一热交换单元中，该第一热交换单元包括第一外壳并且被配置用于将热能从第一外壳内的第一冷却剂传递到阴极气体和燃料两者，以使得阴极气体和燃料两者都从第一冷却剂接收热能。
在这种情况下，第一流与其他流(例如，逆向流动的流)交换热。三个以上的流可用于第一热交换单元和另外的热交换单元。
例如，第一热交换单元包括串行或并行接收第一冷却剂的两个热交换模块。后一种原理产生更高的效率，允许更紧凑的技术解决方案。
对于多流热交换单元，不同的原理是可能的。例如，冷却剂被转移到两个或更多个热交换区域或热交换模块中。这意味着冷却剂的第一部分流入热交换区域或模块中的一个，并且仅或至少主要与该热交换区域或模块中的流体交换能量，而冷却剂的第二部分流入热交换区域或模块中的另一个，并且仅或至少主要与该另一热交换区域或模块中的流体交换能量。替代地，多流热交换单元是冷却剂在夹在多个热交换模块之间的空间中流动的类型。在这种情况下，使热从模块之间的第一冷却剂传递到相应模块中的流体。例如，多流热交换单元具有三层配置。
在第一热交换单元的一些实际实施方案中，阴极气体加热系统作为第一热交换模块提供，并且蒸发器作为第二热交换模块提供，并且在外壳内部提供有空间，该空间夹在第一热交换模块与第二热交换模块之间。
任选地，它被配置用于使第一冷却剂在空间中流动，以在空间的任何一侧上将热从第一冷却剂同时传递到第一热交换模块和第二热交换模块两者。
作为选项，弯曲配置(例如圆柱形配置)是可能的，但也可能是非弯曲配置。任选地，第一热交换模块和第二热交换模块相对于彼此并行地提供，它们之间具有用于冷却剂流动的空间。
在其他实用实施方案中，第一热交换单元被配置用于将流入第一外壳的第一冷却剂的至少一部分转移到第一冷却剂的第一部分中，以用于仅或主要与阴极气体交换能量，并且转移到第一冷却剂的第二部分中，以用于仅或主要与燃料交换能量。
任选地，第一热交换单元包括第一热交换模块和第二热交换模块，其中第一热交换模块被配置用于接收第一冷却剂的仅第一部分，并且第二热交换模块被配置用于接收第一冷却剂的仅第二部分。
在一些实用实施方案中，第一热交换模块和第二热交换模块之间设置有距离，以最小化从第一热交换模块到第二热交换模块的热传导。
在实用实施方案中，在第一热交换单元中提供了至少三个流动路径，所述三个流动路径包括通过第一热交换单元的第一流动路径、第二流动路径和第三流动路径。第一流动路径用于第一冷却剂，并且是第一冷却回路的一部分。第二流动路径用于阴极气体，并且构成阴极气体加热系统。第三流动路径用于燃料的流动，并且构成用于燃料的蒸发器。
然而，这导致了复杂的热交换原理，其中与阴极气体的热交换影响与燃料的热交换。因此，作为更易于控制的配置的替代方案，第一热交换单元包括分别具有第二流动路径和第三流动路径的两个热交换模块，每个热交换模块连接到第一流动路径以与第一冷却剂进行热交换。然而，同样在这种情况下，用于第一冷却剂与阴极气体以及燃料之间的热交换的所有热交换模块都提供在同一第一热交换单元中，并且包括与第一外壳内的第一冷却剂交换热。
在实用实施方案中，第一热交换单元具有用于第一冷却剂流入第一外壳的第一入口和用于第一冷却剂从第一外壳流出的第一出口。在第一入口与第一出口之间，在第一外壳内部提供有用于第一冷却剂的第一流动路径，所述第一流动路径连接第一入口和第一出口。
另外，第一热交换单元具有用于阴极气体的第二流动路径的第二入口和第二出口，并且所述第二流动路径构成阴极气体加热系统。第一热交换单元具有用于燃料的流动的第三流动路径的第三入口和第三出口。第三流动路径构成用于燃料的蒸发器。任选地，提供了另外的流动路径。
在特定实施方案中，第一入口通过导管连接到燃料电池的冷却剂下游侧，用于在冷却剂已经穿过燃料电池之后接收来自燃料电池的冷却剂。第二入口通过导管连接到阴极气体供应装置，例如空气供应装置，用于接收用于燃料电池的阴极侧的氧气。第二出口是连接到燃料电池的阴极侧的管道，用于向燃料电池提供经加热的氧气。第三入口通过导管连接到燃料供应装置以用于接收燃料，例如甲醇/水混合物。第三出口连接到燃料电池的阳极侧，以用于将经蒸发的燃料供应到燃料电池的阳极侧。
例如，第一流动路径与第二流动路径和第三流动路径热连接，以用于当燃料电池系统在操作中时在燃料和阴极气体流动通过第一热交换单元期间同时将第一热交换单元内部的热能从第一冷却剂传递到阴极气体以及从第一冷却剂传递到燃料以对燃料和阴极气体进行加热。
流动路径通过导热壁(通常为金属壁)彼此分开。
当燃料电池系统处于发电操作时，提供了使第一冷却剂流动通过第一流动路径，使阴极气体流动通过第二流动路径，并且使燃料流动通过第三流动路径。达成了同时将热能从第一冷却剂传递到阴极气体以用于加热阴极气体，以及将热能从第一冷却剂传递到燃料以用于蒸发燃料。
特别地，要强调的是，有利地不在两个串行连接的热交换模块中提供向第二流动路径和第三流动路径的热传递，因为在效力方面是不利的，因为冷却剂在流动通过第一热交换单元时在到达第二热交换单元之前会改变温度，这会降低效力。为了实现更高的效率，该原理实际上是从一种介质到另外两种介质的并行同时热交换原理，虽然流动本身不必是并行运动。
在一些实用实施方案中，通过第一入口流入第一流动路径的第一冷却剂的至少一部分被转移到第一部分和第二部分，其中第一冷却剂的第一部分仅或主要与第二流动路径中的阴极气体交换能量，并且第一冷却剂的第二部分仅或主要与第三流动路径中的燃料交换能量。任选地，第一冷却剂的第一部分和第二部分在流出第一热交换单元的第一出口之前再次组合。
多流热交换器(例如三通热交换器)的原理也适用于不同的功能，如下面所解释的。该原理可替代地或另外地用于第一热交换器。
任选地，第二多流热交换单元作为具有第二外壳并且包括至少三个流动路径的第二单个单元提供，所述三个流动路径包括通过第二热交换单元的第四、第五和第六流动路径。第四流动路径用于不同于第一冷却剂的第二冷却剂并且是第二冷却回路的一部分，所述第二冷却回路与第一冷却回路不同并且流动分离。第五流动路径用于第一冷却剂，并且是第一冷却回路的一部分。第六流动路径用于以下中的至少一个：
a)来自阴极侧的排气；以及
b)来自重整器燃烧器的烟道气。
通常，第六流动路径用于a和b两者，并且对应的气体在第六流动路径的上游组合。第四流动路径与第五流动路径和第六流动路径热连接，以用于同时将热能从第一冷却剂传递到第二冷却剂以降低第一冷却剂的温度，以及从排气传递到第二冷却剂以在第六流动路径中的排气的水通过排气口离开燃料电池系统之前对所述排气的水进行冷凝。
在实用实施方案中，第二热交换单元具有用于第二冷却剂流入的第四入口和用于第二冷却剂流出的第四出口。在第四入口与第四出口之间，提供了用于第二冷却剂的第四流动路径，所述第四流动路径连接第四入口和第四出口。相似地，第二热交换单元包括用于第五流动路径的第五入口和第五出口，所述第五流动路径用于第一冷却剂。第二热交换单元另外具有用于第六流动路径的第六入口和第六出口，所述第六流动路径用于排气的流动。任选地，提供了另外的流动路径。
在一些实用实施方案中，通过第四入口并且流入第四流动路径的第二冷却剂的至少一部分被转移到第二冷却剂的第一部分和第二部分，其中第二冷却剂的第一部分仅或主要与第五流动路径中的第一冷却剂交换能量，并且第二冷却剂的第二部分仅或主要与第六流动路径中的排气交换能量。任选地，第二冷却剂的第一部分和第二部分在流出第二热交换单元之前再次组合。
在操作中，当燃料电池系统处于发电操作时，提供了使第二冷却剂流动通过第四流动路径，并且使第一冷却剂流动通过第五流动路径。通过第六流动路径，为来自阴极侧的排气和来自重整器燃烧器的烟道气中的至少一个提供流动。达成了同时将热能从第一冷却剂传递到第二冷却剂以用于降低第一冷却剂的温度，以及将热能从排气传递到第二冷却剂以用于冷凝排气的水。
与使用两个不同的热交换器相比，热交换单元以多流流动原理工作的这一事实使得正确温度的调整更加复杂。然而，通过使用由对应地编程的电子控制器控制的温度计和流量计，可在操作期间通过对应地编程的逻辑反馈控制系统容易地调整和精确地控制流量。多流热交换单元的优点是复杂得多的技术解决方案，在诸如汽车等车辆的燃料电池系统中需要很小的空间。
相似地，第一热交换单元中的三个路径由导热金属壁分开，并且任选地，第一流动路径夹在第二流动路径与第三流动路径之间，而不具有从第二流动路径到第三流动路径的热传导。相似地，作为一种选择，第二热交换单元中的三个路径由导热金属壁分开，并且任选地，第四流动路径夹在第五流动路径与第六流动路径之间，而不具有从第五流动路径到第六流动路径的热传导。
例如，第一多流热交换单元是逆向流动热交换器。相似地，作为一种选择，第二多流热交换单元是逆向流动热交换器。
在一些实施方案中，该系统包括第一热交换单元以及第二热交换单元。
任选地，所述系统还包括水分离器，所述水分离器流体流动地连接到第六流动路径在所述第二多流热交换单元与排气口之间，并且所述水分离器被配置用于将经冷凝的水的至少一部分与从第六流动路径流向排气口的气体分离。
在一些实用实施方案中，液体燃料供应装置包括酒精贮存器，任选地甲醇贮存器，用于供应酒精。另外，提供水供应装置以用于供应水并且用于在蒸发器上游的混合点将水与酒精混合。
例如，水供应装置被配置用于供应从燃烧器的烟道气再循环的水。因此，作为另一种选择，水分离器是水再循环系统的一部分，用于在酒精和水的混合物作为燃料蒸发之前将水提供给酒精。
在一些有用的实施方案中，该系统包括用于在正常发电燃料电池操作之前的起动状况期间加热燃料电池系统的起动加热器。在燃料电池系统的起动期间，必须加热燃料电池以达到稳态发电状态。尤其是用于车辆时，起动程序要快。通常，这在实践中通过在第一冷却循环中将来自烟道气的热传递到第一冷却剂来完成，而所述冷却剂在起动期间用作加热流体以便将燃料电池加热到适合于正常发电操作的温度。
任选地，第一冷却回路包括用于第一冷却剂在起动状况下流动通过起动加热器的专用支路，其中专用支路在起动状况下可连接以使第一冷却剂从起动加热器流动通过燃料电池并流动通过第一多流热交换单元，以用于加热燃料电池、阴极气体和燃料。任选地，专用支路包括仅在起动状况下而不是在燃料电池的稳态发电操作期间的第一冷却剂的流动。
附图说明
将参考附图更详细地解释本发明，在附图中
图1示出了具有三流热交换单元的燃料电池系统的示例的流程图；
图2示出了起动情形下的冷却剂流动；
图3示出了发电期间正常操作中的冷却剂流动；
图4是多流热交换单元的示例的图示，其中图4a示出了两个不同的透视图，图4b示出了半透明的局部剖视图，而图4c是单元内部的侧视图；
图5是多流热交换单元的替代示例的图示，其中图5a是透视图，图5b是半透明视图，图5c是单元的局部剖视图，图5d示出了具有两个截面视图的顶部。
具体实施方式
图1是燃料电池系统1的流程图，其中第一热交换单元21和第二热交换单元22用于从燃料电池中移除热量。两个热交换单元21、22被例示为多流热交换单元21、22，例如三通热交换单元。然而，也有可能仅采用它们中的一个。多流热交换单元是一种紧凑的解决方案，这在空间稀缺的汽车中非常有利。
在图1的左侧，示出了甲醇供应罐2，所述甲醇供应罐通过对应的管子4递送甲醇3，所述对应的管子包括：用于将甲醇供应到起动加热器5的分支贯穿管4a，包括用于起动加热器5的阀6；用于向重整器燃烧器7供应甲醇的分支贯穿管4b和4c；以及用于将甲醇在混合点10处与水9混合之后作为燃料20的一部分供应给重整器8的分支贯穿管4d。
在重整器8中，甲醇CH3OH和水H2O的混合物被催化转化成氢气H2和CO2。简而言之，甲醇CH3OH被转化成2H2和CO，并且水分子分裂成H2和O，其中氧被CO捕获以产生CO2。然后将H2和CO2的混合物作为所谓的合成气11供应到燃料电池15的阳极侧12，所述燃料电池通常是燃料电池堆。来自环境17的空气16被供应到燃料电池15的阴极侧14，以便在氢离子H+已经从阳极侧12穿过膜到阴极侧14之后为与氢反应提供必要的氧以生成水。
有利地，燃料电池15是高温聚合物电解质膜(HT-PEM)燃料电池。通常，高温燃料电池在120℃-200℃的温度范围内操作。例如，燃料电池15在175℃的温度下操作。该操作温度由第一冷却回路18中的第一冷却剂通过燃料电池15的对应地调整的流动保持恒定。例如，燃料电池15的冷却剂入口19处的第一冷却剂的温度在160℃至170℃的范围内。
在第一冷却回路18中的第一冷却剂的流动循环期间，第一冷却剂的温度必须降低到燃料电池15的冷却剂入口19处期望的温度。为了达成这种温度降低，第一冷却剂流动通过第一热交换单元21。
第一热交换单元21被例示为多流热交换单元，特别是三通热交换单元，所述热交换单元同时在流动通过第一热交换单元21的不同流体之间传递热。在图1中，第二热交换单元22也被例示为多流热交换单元，特别是具有至少三个流，所述多流热交换单元在流动通过第二热交换单元22的不同流体之间同时传递热。
与冷却剂首先与一种流体交换热能并且然后在其下游与第二种流体交换热能的两个串行连接的热交换器相比，多流热交换单元提供流体之间的同时热能交换。虽然热交换单元内的流体的流动方向可能是反向交叉的而不是并行的，但是热交换的原理本身是根据并行原理的，例如并排流动，与串行原理相对照。在串行原理中，热交换器一个接一个地放置，以使得冷却剂首先流动通过第一热交换器，并且然后同一冷却剂流动通过第二热交换器。
在第一热交换单元21中，第一冷却剂的方向与比第一冷却剂更冷的燃料和空气的流动方向相反。在第二热交换单元22中，第二冷却剂的方向与在正常操作期间比第二冷却剂更热的第一冷却剂和排气的流动方向相反。
应当注意，燃料电池15的冷却剂出口处的第一冷却剂的175℃的例示温度与燃料电池15的入口处的第一冷却剂的160℃至170℃的温度相差不大。这意味着仅需要从第一冷却剂循环18中移除相对少量的热能。结果是热交换单元21、22可被构造得相对较小。这是高温燃料电池用于紧凑系统的一个原因，尤其是当在汽车中使用时。
在当前配置中，第一热交换单元21中的第一冷却剂将热传递到在重整器8中作为燃料20使用的甲醇/水混合物，以便致使其蒸发成燃料气体，以使得甲醇/水燃料20可作为气体混合物供应到重整器8。第一冷却剂还将热传递到被供应到阴极侧14的空气16。从第一冷却剂到甲醇/水燃料20和空气16的热传递确保气体具有足够高的温度以进行有效反应。
与使用两个不同的且单独的热交换器相比，第一热交换单元15以多流流动原理工作的这一事实使得对燃料20和空气16的正确温度的调整更加复杂。然而，通过使用由对应地编程的电子控制器控制的温度计、阀35、36和流量计，可在操作期间通过对应地编程的逻辑反馈控制系统容易地调整和精确地控制流量。然而，第一热交换单元21的优点是紧凑得多的技术解决方案，在车辆的燃料电池系统中需要非常小的空间。
如上面所解释的，在第一热交换单元21中移除来自燃料电池的热中的一些。通常为了从系统中移除热，采用第二热交换单元22。该第二热交换单元22将热传递到第二冷却回路25。例如，第二冷却剂回路25从燃料电池15中移除热能并且在具有散热器26的冷却器中被冷却，因为这对于其中发动机必须被冷却的车辆通常是已知的。
图1并且如图3中所强调的那样，示出了在正常操作期间第一冷却剂回路18中的流动。冷却剂沿冷却剂回路支路18A从燃料电池15流动通过第一热交换单元21，传递通过分支点39，然后到达泵38，并从那里再次进入燃料电池15。在分支点40处，第一冷却剂的一部分(例如不超过50％)通过阀36而被转移到第二支路18B并进入第二热交换单元22，以便将热传递到第二冷却回路25。
如上文针对高温燃料电池的例示出的温度已经讨论的，160℃至170℃的入口温度和175℃的出口温度相差不大。这意味着对于第二支路18B，只有一小部分的第一冷却剂(例如在5％-50％或5％-30％的范围内)必须在分支点40处被转移并流动通过第二支路18B。由于与支路18A中的量相比，只有一小部分的第一冷却剂流动通过分支点40与分支点39之间的支路18B，因此不仅第二热交换单元22的大小可能相对较小，而且支路18B的阀36和管子也可能做得小而紧凑。这对于需要紧凑和轻型解决方案的系统(诸如，汽车)来说是一个很大的优势。这是高温燃料电池用于紧凑系统的一个原因，尤其是当在汽车中使用时。
潜在地，第二热交换单元22也是多流热交换单元。通过第二多流热交换单元22的多个流中的一个流用于也具有一路通过第一多流热交换单元21的第一冷却剂。在第二多流热交换单元22中，第一冷却剂通过与第二冷却回路25的热交换而降低温度。第二冷却剂循环25还从来自重整器燃烧器7和来自燃料电池阴极侧14的排气27中吸收热能。
排气含有水蒸气、氮气、二氧化碳和氧气。由于第二热交换单元22中的冷却，水可在液体/气体分离器28中被冷凝。来自液体气体分离器28的一定量的水在储水罐29中被冷凝，以再循环用于在混合点10处与甲醇3混合，而剩余部分的蒸汽和冷凝水通过排气口30与其他气体一起被丢弃。
水蒸气的冷却是有利的，因为水蒸气不会以温度可能会对排气口30管道附近的人造成伤害的热蒸汽的形式离开排气口30，而是主要以滴出排气管道的冷凝水的形式离开系统。除了其紧凑性之外，这也是该系统的明显有利的副作用。
对于燃料电池15的阴极侧14的空气供应16，使用了压缩机31，所述压缩机也由第二冷却剂回路25进行冷却。该第二冷却回路25还任选地用于冷却另一装备，诸如用于缓降来自燃料电池15堆的电压的电流转化器32以及将直流(DC)电压改变为交流(AC)电压以向压缩机31提供电力的转化器33。
为了保证清洁的甲醇和水供应，在甲醇供应罐3中和水分离器28与混合点10之间的水再循环连接处分别应用了对应的过滤器34a、34b。
燃料电池系统1任选地设置有两个多流热交换单元21、22中的仅一个。替代地，采用另外的多流热交换单元。示出的两个多流热交换单元21、22是如何以不同方式采用这些的示例。
在图1中示出并且在图2中的示例中强调的起动情形下，使甲醇和空气在起动加热器5中燃烧，所述起动加热器加热第一冷却回路18的第三支路18C中的第一冷却剂。然后，第一冷却剂从该第三支路18C从起动加热器5流动通过燃料电池15，以便将燃料电池加热到至多操作温度。
在燃料电池15的下游，在起动情形下为加热流体的第一冷却剂也流动通过第一多流热交换单元21，以便加热进入的空气16并致使甲醇/水混合物燃料20的蒸发。一旦已经达到燃料电池15的操作温度，冷却剂流量在第一冷却回路18中被调整到正常操作，用于燃料电池的温度控制，如图3中所示。
通过起动加热器5的第一冷却剂的量被调整为达成足够高的温度所需的量。这用调整阀35进行调整。用于冷却剂的起动流量与正常操作的流量之间的转换是通过用于冷却剂的起动支路18C中的调整阀35与在正常操作条件下时用于正常操作支路18B中的冷却剂的调整阀36之间的相互作用来完成的。在图3中强调了正常操作支路18B。
通常，在正常操作期间，起动加热器5不工作，并且通过关闭阀35而关闭第三支路18C中的流动。反过来，阀36在正常操作期间打开但在起动期间或至少在起动的初始阶段关闭。
在起动加热期间，来自起动加热器5的产生的气体37(包括水、二氧化碳和氮气)也被馈送通过第二热交换单元22，以便在被引出排气口30管道之前降低温度，而无人员伤害的风险。在该起动阶段已经通过水分离器28进行的可能的水分离确保了对作为用于重整器8和燃料电池15的燃料20的甲醇水混合物的水供应。
水在起动期间被再循环和产生的这一事实增加了系统的紧凑性，因为不需要大的储水罐29。同样重要的是要注意减少或甚至可能避免水的储存是一个优势，因为避免在非常低的环境温度下系统中的水冻结的问题。
在图1中，示出了若干其他部件，诸如温度计、压力计和额外的阀，然而本文没有详细地解释。这些是任选部件，并加强了系统的正常运行，但并非如在具体地示出的配置中那样绝对必要，因为配置的修改也是可能的。
图4中示出了多流热交换单元的一个示例。图4中的多流热交换单元属于这样一种类型：其中冷却剂在夹在两个热交换模块65、66之间的中间区段50的空间50'中流动。热从中间区段中的第一冷却剂传递通过壁51、52，所述壁将中间区段50中的空间50'界定抵靠热交换模块65、66。这种多流热交换单元具有三层配置。在下文中，以上面已经描述的第一热交换单元21为例进行说明。
图4中示出了用于第一热交换单元21的原理的示例，其中图4a示出了两个不同的透视图，图4b示出了半透明的局部剖视图，而图4c是第一多流热交换单元21内部的侧视图。
第一热交换单元21包括用于第一冷却剂的第一入口41和第一出口42，以及它们之间用于第一冷却剂从第一入口41流动通过第一流动路径47到达第一出口42的第一流动路径47。第一热交换单元21包括用于阴极气体(例如，空气)的第二入口43和第二出口44，以向燃料电池提供氧气。第二流动路径48提供在第二入口43与第二出口44之间，以用于使阴极气体从第二入口43流动通过第二流动路径48到达第二出口44。第一热交换单元21包括用于向燃料电池15提供燃料20的第三入口45和第三出口46。第三流动路径49提供在第三入口45与第三出口46之间，以用于使燃料20从第三入口45流动通过第三流动路径49到达第三出口46。
在图4中的多流热交换单元的示例中，并且在图4c中最佳地示出的，第一冷却剂的第一流动路径47在第一壁51与第二壁52之间的中间区段50中，其中第一壁51提供在中间区段50与第一热交换模块65之间，并且第二壁52提供在中间区段50与第二热交换模块66之间。因为壁由金属(例如，铝)制成，所以提供了从第一冷却剂到相对地提供的热交换模块65、66中的阴极气体以及燃料的合适的热传递。
用于阴极气体(例如，空气)的第二流动路径48在多个波纹板之间，以便提供将热传递到阴极气体的大金属表面。波纹板还会创建湍流，这是另一个优点。
与沿着第一壁51的单个直线路径相比，用于燃料20的第三流动路径49是曲折型的，以便更好地进行热传递。用于第三流动路径49的管子的直径沿流动路径49增加，这是有利的，因为燃料20在蒸发期间体积增加。
图5示出了多流热交换单元的不同原理，其中冷却剂被转移到热交换单元的两个相对的部分中，例如转移到两个相对的热交换模块中。这意味着冷却剂的第一部分流入热交换单元的一个区段中，或至少主要与热交换单元的该区段中的流体交换能量，而冷却剂的第二部分流入热交换单元的另一区段，并且仅或至少主要与该区段中的流体交换能量。在下文中，以上面已经描述的具有第三和第四热交换模块的第二热交换单元22为例进行说明。然而，该原理也可应用于第一热交换单元21。
第二热交换单元22包括第四入口53和第四出口54，以用于使第二冷却剂从第四入口53流动通过第二热交换单元22并到达第四出口54。它还包括用于使第一冷却剂流动通过第二热交换单元22的第五入口55和第五出口56。它包括用于使排气流动通过第二热交换单元22的第六入口57和第六出口58。它还包括用于重整器气体的入口的第七入口61。
当与图1进行比较时，来自燃料电池15的排气27和燃烧器重整器气体37以及来自起动加热器5的气体流动通过对应的管子到达第二热交换单元22。如前面所提及的，这两种气体27、37可在将气体27、37引入第二热交换单元22之前组合。然而，在图5的例示的第二热交换单元22中，两种气体27、37在第二热交换单元22内组合。来自燃料电池15的排气27进入第六入口57，并且重整器燃烧器气体37进入第七入口62。用于排气27的第六流动路径61从第六入口57进入第二热交换单元22并朝向开口64。用于重整器燃烧器气体37的第七流动路径63通过第七入口62，并且然后到另一开口68，之后重整器燃烧器气体37与排气27混合，排气也流向开口64，流动路径61'从该开口是通过开口64并且然后进入管子67朝向第六出口58的组合的第六和第七流动。
第二冷却剂沿第四流动路径59通过第四入口53流入第二热交换单元22，并通过第四出口流出第二热交换单元22。应当注意，第二冷却剂被转移到两个流动路径59A、59B中，一个用于在第二热交换单元22的一个区段中与第一冷却剂进行热交换，并且一个用于在第二热交换单元22的另一区段中与排气27和重整器燃烧器气体37的混合物进行热交换。为了实现有效的热交换，提供了多个波纹板70的两个集合69A、69B。
附图标记
1 燃料电池系统
2 甲醇供应罐
3 甲醇
4 管子
4a 到起动加热器5的甲醇供应管
4b、4c 到重整器燃烧器7的甲醇供应管
4d 到热交换单元21中的蒸发器的甲醇供应管
5 起动加热器
6 阀
7 重整器燃烧器
8 重整器
9 水
10 水和甲醇的混合点
11 合成气
12 阳极侧
13 第一冷却剂通过燃料电池15的路径
14 阴极侧
15 燃料电池
16 空气
17 环境
18 第一冷却回路
18A 第一冷却回路18的第一支路
18B 第一冷却回路18的第二支路
18C 第一冷却回路18的第三支路
19 燃料电池15的冷却剂入口
20 燃料，例如甲醇/水混合物
21 第一热交换单元
22 第二热交换单元
23 外壳
25 第二冷却回路
26 散热器
27 来自燃料电池的排气
28 液体/气体分离器
29 储水罐/贮存器
30 排气口
32 电压转化器
33 DC/AC转化器
34a 甲醇过滤器
34b 滤水器
35 支路18C中的阀
36 支路18B中的阀
37 来自起动加热器5和来自重整器燃烧器7的气体
38 泵
39 第二热交换单元22下游的支路18A与支路18B之间的分支点
40 第二热交换单元22上游的18A与18B之间的分支点
41 用于第一冷却剂的第一热交换单元21的第一入口
42 用于第一冷却剂的第一热交换单元21的第一出口
43 用于阴极气体(例如，空气)的第一热交换单元21的第二入口
44 用于阴极气体(例如，空气)的第一热交换单元21的第二出口
45 用于燃料的第一热交换单元21的第三入口
46 用于燃料的第一热交换单元21的第三出口
47 用于第一冷却剂的第一流动路径
48 用于空气的第二流动路径
49 用于燃料的曲折型的第三流动路径
50 形成具有冷却剂流的中间区段的空间
51 中间区段与蒸发器之间的壁
52 中间区段与空气加热器之间的壁
53 用于第二冷却剂的第二热交换单元22的第四入口
54 用于第二冷却剂的第二热交换单元22的第四出口
55 用于第一冷却剂的第二热交换单元22的第五入口
56 用于第一冷却剂的第二热交换单元22的第五出口
57 用于排气的第二热交换单元22的第六入口
58 用于排气的第二热交换单元22的第六出口
59 用于第二冷却剂的第四流动路径
60 用于第一冷却剂的第五流动路径
61 用于排气的第六流动路径
61' 用于排气和重整器气体的混合物的组合的第六流动路径61和第七流动路径63
62 用于重整器气体的第七入口
63 用于重整器气体的第七流动路径
64 用于第六和第七流动路径的开口
65 第一热交换单元21中的第一热交换模块
66 第一热交换单元21中的第二热交换模块
67 开口64与第六出口58之间的管子
68 用于第七流动路径63的另一开口

Claims (15)

1.一种燃料电池系统(1)，包括：
燃料电池(15)，所述燃料电池(15)包括阳极侧(12)和阴极侧(14)以及它们之间的质子交换膜，用于在操作期间通过所述质子交换膜将氢离子从所述阳极侧(12)输送到所述阴极侧(14)；
阴极气体供应装置，用于向所述阴极侧(14)供应氧气，所述阴极气体包含氧气，
阴极气体加热系统，用于在向所述阴极侧(14)供应所述阴极气体之前增加所述氧气的温度；
第一冷却回路(18)，用于使第一冷却剂循环通过所述燃料电池(15)，以用于利用所述第一冷却剂调整所述燃料电池(15)的温度；
重整器(8)，所述重整器(8)包括催化剂，所述催化剂被重整器壁围封并且被配置用于将燃料催化转化成合成气(11)，其中所述重整器(8)通过导管连接到所述燃料电池(15)的所述阳极侧(12)以将所述合成气(11)提供到所述燃料电池(15)；
蒸发器，所述蒸发器被配置用于将所述燃料从液体状态蒸发并且通过导管连接到所述重整器(8)以将蒸发状态的所述燃料提供到所述重整器(8)；
液体燃料供应装置，所述液体燃料供应装置通过导管连接到所述蒸发器，以用于将液体状态的所述燃料提供到所述蒸发器；
重整器燃烧器(7)，用于借助于通过所述重整器壁的热传递来加热所述重整器内的所述催化剂；
其特征在于所述阴极气体加热系统和所述蒸发器组合在单个紧凑第一热交换单元(21)中，所述第一热交换单元(21)包括第一外壳并且被配置用于将热能从所述第一外壳(23)内的所述第一冷却剂传递到所述阴极气体和所述燃料(20)两者。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述第一热交换单元(21)包括通过导热壁(51、52)彼此分开的第一流动路径、第二流动路径和第三流动路径(47、48、49)，其中：
-所述第一流动路径(47)包括第一入口(41)，所述第一入口(41)通过导管连接到所述第一冷却回路(18)，在所述燃料电池(15)的下游侧，以用于在所述第一冷却剂已经穿过所述燃料电池(15)之后接收来自所述燃料电池(15)的所述第一冷却剂；
-所述第一流动路径(47)还包括第一出口(42)，在从所述第一冷却剂到所述阴极气体和所述燃料(20)的热传递之后用于所述第一冷却剂的出口；
-所述第二流动路径(48)包括第二入口(43)，所述第二入口(43)通过导管连接到所述阴极气体供应装置，用于接收用于所述燃料电池(15)的所述阴极侧(14)的氧气；
-所述第二流动路径(48)还包括第二出口(44)，所述第二出口(44)通过管道连接到所述燃料电池(15)的所述阴极侧(14)，以用于向所述燃料电池(15)提供经加热的阴极气体；
-所述第三流动路径(49)包括第三入口(45)，所述第三入口(45)通过导管连接到所述燃料供应装置以用于接收所述燃料(20)；
-所述第三流动路径(49)还包括第三出口(46)，所述第三出口(46)通过导管连接到所述重整器(8)，以用于将蒸发状态的所述燃料供应到所述重整器(8)。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统(1)，其中所述燃料(20)是甲醇/水混合物。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统(1)，其中所述阴极气体加热系统作为第一热交换模块(65)提供，并且所述蒸发器作为第二热交换模块(66)提供，其中在所述第一外壳(23)内提供有空间(50)，所述空间(50)夹在所述第一热交换模块与所述第二热交换模块(65、66)之间，并且被配置用于使所述第一冷却剂在所述空间(50)中流动，以在所述空间(50)的任何一侧上将热从所述第一冷却剂同时传递到所述第一热交换模块和所述第二热交换模块(65、66)两者。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统(1)，其中所述第一热交换模块和所述第二热交换模块(65、66)相对于彼此并行地提供，它们之间具有用于所述第一冷却剂的流动的所述空间(50)。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的燃料电池系统(1)，其中所述阴极气体供应装置是空气供应装置，并且所述阴极气体加热系统是空气加热系统。
7.一种根据前述权利要求中任一项所述的燃料电池系统(1)对于汽车的用途。
8.一种操作燃料电池系统的方法，所述燃料电池系统包括：
燃料电池(15)，所述燃料电池(15)包括阳极侧(12)和阴极侧(14)以及它们之间的质子交换膜，用于在操作期间通过所述质子交换膜将氢离子从所述阳极侧(12)输送到所述阴极侧(14)；
阴极气体供应装置，用于向所述阴极侧(14)供应氧气，所述阴极气体包含氧气，
阴极气体加热系统，用于在向所述阴极侧(14)供应所述阴极气体之前增加所述氧气的温度；
第一冷却回路(18)，用于使第一冷却剂循环通过所述燃料电池(15)，以用于利用所述第一冷却剂调整所述燃料电池(15)的温度；
重整器(8)，所述重整器(8)包括催化剂，所述催化剂被重整器壁围封并且被配置用于将燃料(20)催化转化成合成气(11)，其中所述重整器(8)通过导管连接到所述燃料电池(15)的所述阳极侧(12)以将所述合成气(11)提供到所述燃料电池(15)；
蒸发器，所述蒸发器被配置用于将所述燃料从液体状态蒸发并且通过导管连接到所述重整器(8)以将蒸发状态的所述燃料提供到所述重整器(8)；
液体燃料供应装置，所述液体燃料供应装置通过导管连接到所述蒸发器，以用于将液体状态的所述燃料提供到所述蒸发器；
重整器燃烧器(7)，用于借助于通过所述重整器壁的热传递来加热所述重整器内的所述催化剂；
其特征在于所述阴极气体加热系统和所述蒸发器组合在单个紧凑第一热交换单元(21)中，所述第一热交换单元(21)包括第一外壳(23)，并且其中所述方法包括将热能从所述第一外壳(23)内的所述第一冷却剂传递到所述阴极气体和所述燃料(20)两者。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述第一热交换单元包括通过导热壁(51、52)彼此分开的第一流动路径、第二流动路径和第三流动路径(47、48、49)，其中：
-所述第一流动路径(47)包括第一入口(41)，所述第一入口(41)通过导管连接到所述第一冷却回路(18)，在所述燃料电池(15)的下游侧，以用于在所述第一冷却剂已经穿过所述燃料电池(15)之后接收来自所述燃料电池(15)的所述第一冷却剂；
-所述第一流动路径(47)还包括第一出口(42)，在从所述第一冷却剂到所述阴极气体和所述燃料(20)的热传递之后用于所述第一冷却剂的出口；
-所述第二流动路径(48)包括第二入口(43)，所述第二入口(43)通过导管连接到所述阴极气体供应装置，用于接收用于所述燃料电池(15)的所述阴极侧(14)的氧气；
-所述第二流动路径(48)还包括第二出口(44)，所述第二出口(44)通过管道连接到所述燃料电池(15)的所述阴极侧(14)，以用于向所述燃料电池(15)提供经加热的阴极气体；
-所述第三流动路径(49)包括第三入口(45)，所述第三入口(45)通过导管连接到所述燃料供应装置以用于接收燃料(20)；
-所述第三流动路径(49)还包括第三出口(46)，所述第三出口(46)通过导管连接到所述重整器(8)，以用于将蒸发状态的所述燃料供应到所述重整器(8)；
其中所述方法包括：
-在所述第一冷却剂已经穿过所述燃料电池(15)之后，通过所述第一入口(41)从所述燃料电池(15)的下游侧接收第一冷却剂；
-通过所述第二入口(43)从所述阴极气体供应装置接收阴极气体，并将热能从所述第一流动路径(47)中的所述第一冷却剂传递到所述第二流动路径(48)中的所述阴极气体，并且然后通过所述第二出口(44)释放所述阴极气体以向所述燃料电池(15)提供经加热的阴极气体；
-通过所述第三入口(45)从所述燃料供应装置接收所述燃料(20)并将热能传递到所述第三流动路径(49)中的燃料，并且然后通过所述第三出口(46)释放蒸发状态的所述燃料以向所述重整器(8)供应蒸发状态的所述燃料。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述燃料(20)是甲醇/水混合物。
11.根据权利要求8-10中任一项所述的方法，其中所述阴极气体加热系统作为第一热交换模块(65)提供，并且所述蒸发器作为第二热交换模块(66)提供，其中在所述第一外壳(23)内提供有空间(50)，所述空间(50)夹在所述第一热交换模块与所述第二热交换模块(65、66)之间，其中所述方法包括提供使所述第一冷却剂在所述空间(50)中流动，以及在所述空间(50)的任何一侧上将热从所述第一冷却剂同时传递到所述第一热交换模块和所述第二热交换模块(65、66)两者。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一热交换模块和所述第二热交换模块(65、66)相对于彼此并行地提供，并且它们之间具有所述空间(50)，其中所述方法包括提供使所述第一冷却剂在所述空间(50)中流动。
13.根据权利要求8-10中任一项所述的方法，其中所述燃料电池(15)是高温聚合物电解质膜HT-PEM燃料电池，并且其中所述方法包括在120℃-200℃范围内的温度下操作所述燃料电池。
14.根据权利要求8-10中任一项所述的方法，其中所述阴极气体供应装置是空气供应装置，并且所述阴极气体加热系统是空气加热系统。
15.一种根据权利要求8-14中任一项所述的操作燃料电池系统的方法在汽车中的用途。
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