CN115039261A - 用于对燃料电池堆的阳极部进行保护的保护重整器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于对燃料电池堆(110)的阳极部(112)进行保护以免在加热过程中氧化受损的保护重整器装置(10)，它具有气体通道(20)，所述气体通道具有进气口(22)和出气口(24)，用于输送来自该燃料电池堆(110)的阳极供应部(120)的气体燃料，其中，催化器部(30)布置在该气体通道(20)中，用于将至少一部分气体燃料催化氧化成保护气体以供给该阳极部(112)，其中，该气体通道(20)还具有与催化器部(30)传热接触的温度控制装置(40)，以用于该催化器部(30)的主动温度控制。

Description

用于对燃料电池堆的阳极部进行保护的保护重整器装置
技术领域
本发明涉及一种用于对燃料电池堆的阳极部进行保护的保护重整器装置、一种具有这种保护重整器装置的燃料电池系统以及一种用于对燃料电池堆的阳极部进行保护的方法。
背景技术
已知的是，在燃料电池中，阳极部在某些操作状况下必须受到保护。这尤其适用于燃料电池堆的加热过程。因此，从阳极部内的例如约400℃临界极限温度开始，可能发生不希望的氧化以致阳极部内的催化层受损或甚至剥离。为了避免这种不希望的氧化受损而已知的是，在加热过程期间用来自外部气体供应源的保护气体冲扫阳极部。还已知的是，在加热过程中在阳极部上施加电压，以便以电气方式防氧化保护阳极部。
已知的解决方案的缺点是随之而来的是高度复杂性。因此，为加热过程设置单独的保护气体供应源，带有附加部件和附加流体管线。尤其是，在燃料电池的移动应用的情况下，这除了安装空间外还与增大的重量相关地导致显著缺点。如果需要电气保护阳极，则这导致必须在加热过程期间的某个时刻施加额外电负荷，在该时刻在系统中已有其它电负荷。因此，电负荷因该保护功能而额外增加。
发明内容
本发明的任务是至少部分消除上述缺点。本发明的任务尤其是以低成本且简单的方式保证保护燃料电池堆的阳极部以免在加热过程中氧化受损。
上述任务通过一种具有权利要求1的特征的保护重整器装置、一种具有权利要求10的特征的燃料电池系统和一种具有权利要求13的特征的方法来完成。本发明的其它特征和细节来自从属权利要求、说明书和图。在此，关于本发明的保护重整器装置所描述的特征和细节当然也与本发明的燃料电池系统和本发明的方法相关地适用，反之亦然，因此关于各个发明方面的公开内容总是相互参照或可以相互参照。
根据本发明，一种保护重整器装置被设计用于保护燃料电池堆的阳极部以免在加热过程中氧化受损。为此，该保护重整器装置具有气体通道，该气体通道具有气体入口和气体出口，用于从燃料电池堆的阳极供应部输送气体燃料。在此，催化器部布置在气体通道中以用于将至少一部分气体燃料催化氧化成保护气体以供应给阳极部。另外，气体通道配备有温度控制装置，它与催化器部传热接触以用于催化器部的主动温度控制。
在本发明意义上，本发明的保护重整器装置也可被称为附加重整器装置或微型重整器装置。因此，这种保护重整器装置基本仅用于产生保护气体，而不是用于制备气体燃料以供在燃料电池堆之后的气体燃料正常工作使用。根据本发明，保护气体在加热过程期间现在可以直接在燃料电池系统内产生。为此，不再需要单独连接到保护气体源。以下将详细解释该保护气体生产功能。
在燃料电池堆的加热过程期间，燃料电池堆和特别是阳极部将在某个加热时刻达到例如约400℃的临界温度。一旦做到这一点，就有阳极部氧化受损的风险。为了避免这种情况，最迟应该在该时刻在阳极部中提供还原气氛。现在根据本发明，这通过保护重整器装置来实现。为此，应该将其转入重整状态，即，能执行催化氧化的状态。通常，用于气体燃料或可燃气体的氧化的催化器部被设计为具有在约200℃至约600℃之间的工作温度。在该工作区间中可以用催化器将气体燃料转化为保护气体。在此，所述转化既能按照化学计量的方式、也能按照非化学计量的方式进行。现在为了根据本发明保证在加热过程中在阳极部达到临界温度时对阳极部施以相应的保护气体，能在燃料电池系统内主动产生保护气体。
因此在加热过程期间，在某个时刻、尤其在阳极部达到临界温度之前要保证在阳极部处存在足以用于将气体燃料催化氧化成保护气体的工作温度。在此，借助温度控制装置能发生加热和冷却以将催化器部保持在期望的工作区间中。然而，在加热过程期间，尤其在第一步骤中需要加热以便及时将催化器部置于例如约为200℃的工作温度。在燃料电池堆内基本由相应的气体燃料源提供的气体燃料现在可以通过气体入口被引入气体通道，因为这尤其是阳极供应部的一部分。所输入的气体燃料现在通过借助温度控制装置被置于工作温度的催化器部被至少部分催化氧化，从而由气体燃料产生保护气体。根据本发明，这种保护气体尤其具有作为组成部分的氢气和一氧化碳。通过这种方式产生的保护气体现在通过阳极供应部由气体出口被供给阳极部，从而在那里最迟在达到约400℃的临界温度时产生还原性保护气体气氛。
如从以上解释中可看到地，现在不再需要具有保护气体的单独气体储备，因为保护气体反而可以由保护重整器装置在燃料电池系统内一体产生。通常需要施加电压来保护燃料电池堆。由此使整个燃料电池系统承受额外负担。通过使用保护气体来克服或至少减轻该缺点。因此以简单且低成本方式提供保护可能性以在加热过程期间保护燃料电池堆的阳极部以免氧化受损。
在此，“保护重整器装置是否直接位于阳极供应部中还是位于阳极供应部的旁路中”基本上是无关紧要的。在这里也能清楚看到，保护重整器装置是除了常用于气体燃料的制备重整器外的附加重整器。因此，保护重整器装置和特别是催化器部也可以设计得明显更小，因为保护气体不必为了保护作用而连续流过阳极部，而是基本上只需一次性填充以形成具有保护作用的还原气氛。因此，在低流速和低体积流通量下，气体燃料在加热过程中一次性流过催化器部就足以达成转化，通过这种方式就可以在阳极部中提供保护还原性气氛。在燃料电池堆的正常工作中以明显更高的体积流量工作，从而催化器部在高体积流量且相应地气体燃料停留于催化器部的时间更小的情况下没有影响或基本上没有影响。因此对于正常工作，保护重整器装置没有作用或基本没有作用，因此就唯一保护功能而言，它可被设计得相应小且紧凑。
根据本发明，现在可以用呈保护重整器装置形式的很小的微型重整器来提供保护气体的整体式生产，该微型重整器即使在狭窄的工作窗口下也可通过主动温度控制被用于阳极保护。单独的气体供应或电气保护措施可以通过这种方式被基本避免或基本完全避免。
在此，当在催化器部上转化时可以执行截然不同的催化氧化反应。因此例如原则上可以想到所谓的蒸汽重整(SR)。也可以使用部分催化氧化(CPOX)。当然，原则上也可以将气体燃料完全或基本完全氧化转化为保护气体。
也有利的是，在本发明的保护装置中该温度控制装置被设计为加热装置、冷却装置或组合式加热和冷却装置。特别有利的是将加热功能集成到温度控制装置中。如果能够确保催化器部在达到临界阳极温度时已经处于其操作窗口内，通过这种方式可以产生保护气体或已产生保护气体，则这在加热过程中是特别有利的。但此外在加热过程中冷却功能也可能是必要的或有利的，以避免在加热阶段中的催化器部受损。特别是，温度控制装置为了在使用保护重整器装置时的最高灵活性而不仅设计为加热装置、也设计为冷却装置。热源或冷源在此可根据应用领域来自由选择，尤其基于燃料电池系统内已有的热源或已有的冷源地与之连接。
如果在根据本发明的保护重整器装置中该温度控制装置至少部分被设计为独立于燃料电池堆中的流体流的独立温度控制装置，则这可带来其它优点。在此，例如单独的加热剂回路或单独的冷却回路可以给该温度控制装置供冷或供热。在此原则上也可以想到作为温度控制装置的电热器。显然，这种单独的温度控制装置也可以与换热器组合，如下所解释的那样。单独设计的温度控制装置带来了温度控制装置的控制的更高灵活性，使得温度控制尤其可以在不影响且不依赖于燃料电池系统余部的情况下进行。
如果在本发明的保护重整器装置中该温度控制装置至少部分被设计为换热器，则这可带来进一步优点，其中，该气体通道形成该换热器的第一换热器侧。这种换热器设计不仅允许单独地、如在前一段中所解释的那样提供温度控制，也可以与燃料电池系统的流体流结合地如下还将解释的那样提供温度控制。在此，当温度控制装置配置用于加热时，第一换热器侧可被设计为换热器冷侧。如果期望有冷却情况，则第一换热器侧也可被定义为换热器热侧，在这里，相对的第二换热器侧相应地作为冷侧提供冷却功能。在此，第二换热器侧尤其如以下更详细解释的那样与燃料电池系统中的流体流结合。在本发明的范围内，冷却功能和加热功能之间的可切换性原则上也可以例如通过切换在针对换热器的第二换热器侧的供应机构中的相应阀来实现。
还有利的是，在本发明的保护装置中该换热器的第二换热器侧至少部分由燃料电池堆的阴极供应部形成。阴极供应部尤其是空气或氧气的供应机构，以在阴极部提供相应的起始材料。特别是在使用温度控制装置的冷却功能时，外部空气或所供应的氧气在此可以形成冷源。在此也应再指出，不同的流体流当然能借助阀单独地以定性方式或者组合地以定量方式被供给第二换热器侧。
如果在本发明的保护重整器装置中该换热器的第二换热器侧至少部分由燃料电池堆的阴极排放部形成，则这可带来进一步优点。因而在此，来自阴极侧的废气经由阴极排放部又被供给第二换热器侧。通过这种方式，尤其在加热过程中也能确保加热和进而在第二换热器侧的热源。来自阴极部的加热废气现在可以通过换热器将其热交付给第一换热器侧并在那里交付给气体燃料或阴极部。这可以设计成紧接在阴极部之后，也可设计成例如在正常工作重整器的上游正常换热器之后。
如果在本发明的保护重整器装置中该换热器的第二换热器侧至少部分由燃料电池堆的阳极排放部形成，则这还带来优点。以与前一段类似的方式，现在也可以将阳极废气经由阳极排放部送入第二换热器侧，并且可以将相应的余热用于加热催化器部。在这里也可以想到阳极废气在上游的再处理，例如氧化催化器或其它换热器，用以产生热。在此也应再次指出，阀装置显然可被用于将燃料电池堆的这些流体流视期望的热需求或冷要求被供应至换热器的第二换热器侧。
也有利的是，在本发明的保护重整器装置中至少一个阀装置设于换热器的第二换热器侧的上游以用于改变供应至第二换热器侧的流体。特别是，前面段落的变型因此可以组合。因而例如可以想到，在第二换热器侧的上游设置多路阀，不仅阳极排放部通向阀装置，阴极排放部以及阴极供应部也通向阀装置。在这些气流之间的切换现在可通过阀装置的纯定性阀发生，因此基于各自气流的热或冷来对保护重整器装置的温度控制和进而催化器部的温度控制进行控制或调整。除了单纯定性切换之外，在该阀装置中原则上也能发生定量切换以改变供应流体的混合比，并通过这种方式确保在第二换热器侧出现的混合温度用于更详细精确地控制催化器部温度。特别是这种阀装置因此配备有用于供应流体和混合流体的相应温度传感器以及配备有流动测量元件。
也有利的是，在根据本发明的保护重整器装置中该气体通道和/或催化器部至少部分以增材方法来制造。在此，它例如是所谓的3D打印法，其尤其使用金属材料。通过在打印法中使用多种组分，可以打印出催化器部连同气体通道，因而是以增材方法来制造。这允许在尺寸很小的情况下也通过使用金属材料来提供保护重整器装置。换言之，通过这种方式可以将保护重整器装置设计得更小、更紧凑且成本划算。
本发明的主题也是一种燃料电池系统，具有：
-至少一个具有阳极部和阴极部的燃料电池堆，
-用于将重整后的阳极供应气体从重整器供给阳极部的阳极供应部，
-用于将阴极供应气体供给阴极部的阴极供应部，
-用于重整重整器供应气体的重整器，
-用于将重整器供应气体供给重整器的重整器供应部，
-用于排放阳极废气的阳极排放部，
-用于排放阴极废气的阴极排放部。
此外，在重整器与阳极部之间的阳极供应部中设有根据本发明的保护重整器装置。因此，本发明的燃料电池系统带来与关于本发明的保护重整器装置所明确描述的一样的优点。在此，保护重整器装置可被直接或间接地加入阳极供应部中，就像后面还将详细解释的那样。
根据本发明，有利的是，在根据本发明的燃料电池系统中该阳极供应部具有主阳极供应部和旁路阳极供应部。在此，保护重整器装置设置在旁路阳极供应部中。换言之，当旁路阳极供应部经由阀装置被关断时，保护重整器装置也可以通过以流体密封方式与主阳极供应部分离而被关断。因此可行的是，保护重整器装置仅在加热工作期间通过相应的阀回路被启动。在正常工作中，没有气体燃料流过旁路阳极供应部和进而流过保护重整器装置。
也有利的是，在根据本发明的燃料电池系统中启动燃烧器装置被布置在所述阴极供应部、阴极排放部和/或阳极排放部中。这允许支持加热阶段并主动加热各自流体流。在此，这种启动燃烧器装置可以不仅以电气方式、也以其所输送的气体相应放热反应的方式至少部分提供所需的热源。尤其是，可以通过这种方式来通断供热。
本发明的主题也是一种用于保护根据本发明的燃料电池系统的燃料电池堆的阳极部的方法，其包括以下步骤：
-监测阳极部内的阳极温度，
-监测保护重整器装置的保护重整器温度，
-借助温度控制装置基于所监测的温度来冷却和/或加热保护重整器装置。
在此，本发明的方法带来与关于本发明的燃料电池系统和本发明的保护重整器装置所明确解释的相同的优点。特别是，可以通过这种方式灵活选择在阳极部中应提供惰性气体气氛的时刻。如已经解释地，这可能已经在阳极部中达到临界温度之前就有意义，从而在保护重整器装置上的有针对性的温度管理以期望方式给其提供保护气体气氛。这种有针对性的可控性可以将保护重整器装置设计成明显小于在正常的工作重整器装置中的情况。
可能进一步有利的是，在本发明的方法中所述冷却和/或加热的步骤基于保护重整器装置的预定工作区间来执行。工作区间是保护重整器装置的温度区间且例如在约200℃到约600℃之间。这样一来，在催化器部处的重整器功能得以确保，同时避免了过高温度造成重整器和/或燃料电池堆受损。
也有利的是，在本发明的方法中所述冷却和/或加热步骤基于最小阳极温度和/或与燃料电池堆阴极部的阴极温度相比的最大温差进行。这可以作为前一段落中的控制功能的替代或补充来进行。因此，当然也还可以使用其它温度或传感器参数，以便以更高灵活性和更高控制精度来执行本发明的方法。
附图说明
本发明的其它优点、特征和细节来自参照附图详述本发明实施例的以下描述。在此，在权利要求和说明书中提到的特征可以单独地或在任何组合中对本发明是重要的。附图示意性示出：
图1示出根据本发明的保护重整器装置的一个实施方式，
图2示出根据本发明的保护重整器装置的另一个实施方式，
图3示出根据本发明的燃料电池系统的一个实施方式，
图4示出根据本发明的燃料电池系统的另一个实施方式，
图5示出根据本发明的燃料电池系统的另一个实施方式，
图6示出根据本发明的燃料电池系统的另一个实施方式，
图7示出根据本发明的燃料电池系统的另一个实施方式。
具体实施方式
图1示意性示出根据本发明的保护重整器装置10的实施方式。它设计成具有气体通道20，气体燃料经此通过气体入口22被输入，并且气体燃料或所产生的保护气体可又经由气体出口24被排出。在燃料电池系统100的加热过程中，气体燃料现在通过气体入口22被供入气体通道20。催化器部30的温度可以通过温度控制装置40来调节。特别是，这通过加热和/或冷却催化器部30来进行。图1的实施方式在此是单独的温度控制装置40，其例如具有单独的冷却机构或电热器或单独的加热机构。通过这种方式，所规定的温度控制装置就热而言启动催化器部30，同时保护它免于不希望的损坏，从而被激活的催化器部30可以将流过气体通道20的气体燃料以催化氧化方式转化为保护气体。所产生的惰性气体现在通过气体出口24被供入阳极部112，从而可以在那里出现还原气氛以保护阳极部112。
图2基于用于在气体通道20中产生保护气体的类似核心构思。但是，保护重整器装置10的温度控制装置40在此被设计为换热器50。气体通道20因此以气体入口22和气体出口24形成第一换热器侧52。第二换热器侧54具备借助壁的传热接触，特别是直接与催化器部30传热接触，使得流过第二换热器侧54的流体可达成与催化器部30的传热。因此当在第二换热器侧54有冷流体时，发生催化器部30的冷却，而在有热流体时，相应发生催化器部30的加热。在其它方面，图2的实施方式可被相同地集成到加热过程中，如已参照图1所解释的那样。
图3示意性示出根据本发明的燃料电池系统100的最简单实施方式。在这里示出具有阳极部112和阴极部114的燃料电池堆110。通过重整器供应部132，可以将气体燃料供应给重整器130，在重整器中，气体燃料在正常工作期间被使用或转化，用于应用在燃料电池堆110和进而在那里用在阳极部112中。对于加热过程，现在将本发明的保护重整器装置10布置在重整器130和阳极部112之间。借助此处单独设计的且例如以电动方式工作的温度控制装置40，现在可以为流入的气体燃料提供主动加热或主动冷却或加热和冷却的组合，从而保护重整器装置10内的催化器部可被相应启动，以确保在阳极部112中的加热过程期间有还原性保护气体气氛。来自阳极部112的相应废气通过阳极排放部122被排出。在此简单实施方式中，阴极部114的阴极侧与根据本发明的保护重整器装置10完全分开。
在图4示出的改进方案中，阳极供应部120被分为主阳极供应部120a和旁路阳极供应部120b。这样一来，保护重整器装置10可以在加热过程中通过相应的阀装置60被集成到阳极部112的进流中并且可以在正常工作状态下被关闭。换言之，借此可以实现更高的针对保护重整器装置10流通的可控性。
图5现在示出保护重整器装置10的不同设计和进一步集成。在此，温度控制装置40被设计为换热器50，从而可以通过燃料电池系统100内的流体流实现加热或冷却和进而温度控制。在图5的变型实施方式中，进气作为阴极供应气体为此直接通过第二换热器侧54被送入换热器50，随后通过阴极供应部140被供入阴极部114。如果冷空气被吸入，则可以通过这种方式提供冷却功能。然而，当然也可以使用其它换热器或启动燃烧器，以便在到达第二换热器侧54之前加热从外部吸入的进气和进而阴极供应气体，从而替代地在这里也可以提供加热功能。
在图6的实施例中，代替阴极供应气体，现在使用阴极废气，其通过阴极排放部142从阴极部114被排出。在图6的实施方式中，该阴极废气现在先流过正常的重整器130(在其另一换热器侧)，然后流过保护重整器装置10的第二换热器侧54。它尤其是用于催化器部30的加热可能方式。
图7示出尤其允许作为换热器50的温度控制装置40的切换可能性的扩展设计方案。在此，在阀装置60中进行来自阴极排放部142的阴极废气和来自阳极排放部122的阳极废气的合流。在此，它不仅可能是定性切换，也可能是定量切换。还可从图7中看到，启动燃烧器装置150设置在不同的若干位置，以便附加影响燃料电池堆110的温度和加热过程。
实施方式的上述解释仅在例子范围内描述本发明。显然，实施方式的这些特征只要在技术上有意义就可以相互自由组合，而未超出本发明范围。
附图标记列表
10 保护重整器装置
20 气体通道
22 气体入口
24 气体出口
30 催化器部
40 温度控制装置
50 换热器
52 第一换热器侧
54 第二换热器侧
60 阀装置
100 燃料电池系统
110 燃料电池堆
112 阳极部
114 阴极部
120 阳极供应部
120a 主阳极供应部
120b 旁路阳极供应部
122 阳极排放部
130 重整器
132 重整器供应部
140 阴极供应部
142 阴极排放部
150 启动燃烧器装置

Claims (15)

1.一种用于对燃料电池堆(110)的阳极部(112)进行保护以免在加热过程中氧化受损的保护重整器装置(10)，它具有气体通道(20)，所述气体通道具有进气口(22)和出气口(24)，用于输送来自该燃料电池堆(110)的阳极供应部(120)的气体燃料，其中，催化器部(30)布置在该气体通道(20)中，用于将至少一部分气体燃料催化氧化成保护气体以供给该阳极部(112)，其中，该气体通道(20)还具有与该催化器部(30)传热接触的温度控制装置(40)，以用于该催化器部(30)的主动温度控制。
2.根据权利要求1所述的保护重整器装置(10)，其特征是，所述温度控制装置(40)被设计为加热装置、冷却装置或组合式加热和冷却装置。
3.根据前述权利要求之一所述的保护重整器装置(10)，其特征是，所述温度控制装置(40)至少部分被设计为不受所述燃料电池堆(110)的流体流影响的独立的温度控制装置(40)。
4.根据前述权利要求之一所述的保护重整器装置(10)，其特征是，所述温度控制装置(40)至少部分被设计为换热器(50)，其中，所述气体通道(20)形成所述换热器(50)的第一换热器侧(52)。
5.根据权利要求4所述的保护重整器装置(10)，其特征是，该换热器(50)的第二换热器侧(54)至少部分由该燃料电池堆(110)的阴极供应部(140)形成。
6.根据权利要求4或5所述的保护重整器装置(10)，其特征是，该换热器(50)的第二换热器侧(54)至少部分由该燃料电池堆(110)的阴极排放部(142)形成。
7.根据权利要求4至6之一所述的保护重整器装置(10)，其特征是，该换热器(50)的第二换热器侧(54)至少部分由该燃料电池堆(110)的阳极排放部(122)形成。
8.根据权利要求4至7之一所述的保护重整器装置(10)，其特征是，至少一个阀装置(60)布置在该换热器(50)的第二换热器侧(54)的上游，以用于改变供应至该第二换热器侧(54)的流体。
9.根据前述权利要求之一所述的保护重整器装置(10)，其特征是，该气体通道(20)和/或该催化器部(30)至少部分以增材方法制造。
10.一种燃料电池系统(100)，包括：
-至少一个具有阳极部(112)和阴极部(114)的燃料电池堆(110)，
-用于将重整后的阳极供应气体从重整器(130)供应至该阳极部(112)的阳极供应部(120)，
-用于将阴极供应气体供应至该阴极部(114)的阴极供应部(140)，
-用于对重整器供应气体进行重整的重整器(130)，
-用于将所述重整器供应气体供给该重整器(130)的重整器供应部(132)，
-用于排出阳极废气的阳极排放部(122)，
-用于排放阴极废气的阴极排放部(142)，
其中，在所述重整器(130)和所述阳极部(112)之间的阳极供应部(120)中设有具有权利要求1至9之一所述特征的保护重整器装置(10)。
11.根据权利要求10所述的燃料电池系统(100)，其特征是，所述阳极供应部(120)具有主阳极供应部(120a)和旁路阳极供应部(120b)，其中，所述保护重整器装置(10)布置在该旁路阳极供应部(120b)中。
12.根据权利要求10或11所述的燃料电池系统(100)，其特征是，启动燃烧器装置(150)设置在该阴极供应部(140)、该阴极排放部(142)和/或该阳极排放部(122)中。
13.一种用于保护具有权利要求10至12之一所述的特征的燃料电池系统(100)的燃料电池堆(110)的阳极部(112)的方法，包括以下步骤：
-监测该阳极部(112)中的阳极温度，
-监测该保护重整器装置(10)的保护重整器温度，
-借助该温度控制装置(40)基于所监测的温度来冷却和/或加热该保护重整器装置(10)。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征是，所述冷却和/或加热步骤基于所述保护重整器装置(10)的规定操作区间进行。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其特征是，所述冷却和/或加热步骤基于最小阳极温度和/或基于与该燃料电池堆(110)的阴极部(114)的阴极温度相比的最大温差来进行。
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