CN1906792A - 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，包括：重整器(12)，用于接收烃类燃料的供给并利用重整反应生成含氢的重整气体；燃料电池(14)，在使阳极接收重整气体的供给并使阴极接收含氧的阴极气体的供给之后进行发电；阴极废气流路(20)，用于将从阴极排出的阴极废气供应给所述重整器(12)；和旁通流路(24)，用于在系统预热时绕过阴极并直接将阴极气体供应给重整器(24)。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统，尤其适用于具有利用重整反应从烃类燃料产生氢的重整部分的燃料电池系统。
背景技术
当燃料电池被用作发电机时，必须向燃料电池的阳极供应氢。利用重整反应从汽油、甲醇、天然气或者其它烃类燃料获得氢的已知方法被用于产生供应给阳极的氢。
有各种重整反应，例如水蒸气重整反应和部分氧化反应。作为例子，下面介绍汽油的一种成分异辛烷(C8H18)的重整反应。
---(1)
---(2)
上述反应式(1)表示的反应是水蒸气重整反应。上述反应式(2)表示的反应是部分氧化反应。水蒸气重整反应是吸热反应。部分氧化反应是放热反应。这些反应通常发生在被称为重整器的反应器内。这些重整反应中的一个或者两个可以设置为发生在一个重整器中。
对于质子交换膜燃料电池(PEM)来说，燃料电池的工作温度大约是80℃，这限定了最低工作温度，对于特定的固体氧化物燃料电池(SOFC)来说，燃料电池的工作温度高达1000℃。因此，为了产生电能，必须预热燃料电池到工作温度。日本专利公开No.151599/2003公开了一种技术，向重整器供应从燃料电池阴极排放的阴极废气，以进行循环。在系统启动时，利用该公开的技术进行控制，使得供应给重整器的阴极废气量是与理论空燃比对应的空气量的四倍，而且向阳极供应从重整器排出的高温气体，以便预热燃料电池。
但是，当在预热时向燃料电池供应阴极气体并且向重整器供应从燃料电池排出的阴极废气时，由于阴极气体是常温的空气，所以阴极气体会冷却燃料电池。因此，预热包括燃料电池的系统需要大量的时间。其结果是，在实际从燃料电池获得能量之前需花费大量时间。
实施本发明以解决上述问题。本发明的目的在于使启动燃料电池系统时预热所需的时间最小化。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种燃料电池系统，该燃料电池系统，包括：重整部分，用于接收烃类燃料的供给并通过利用重整反应产生含氢的重整气体；燃料电池，在使阳极接收所述重整气体并使阴极接收含氧的阴极气体之后进行发电；阴极废气供给装置，用于将从所述阴极排出的阴极废气供应给所述重整部分；以及旁通装置，用于在系统预热时绕过所述阴极并直接将所述阴极气体供应给所述重整部分。
由于在系统预热时，绕开阴极直接向重整部分供应阴极气体，所以可以防止阴极气体冷却燃料电池。其结果是，可以提高预热效率，可以在短时间内完成燃料电池的预热。
根据本发明的第二方面，提供一种如上所述的燃料电池系统，其中，在系统预热时，供应给所述重整部分的所述阴极气体供所述烃类燃料进行贫燃。
由于供应给重整部分的阴极气体供烃类燃料进行贫燃，所以在贫燃期间所产生的热可以用于适当地预热包括重整部分和燃料电池的系统内部。
根据本发明的第三方面，提供一种如上所述的燃料电池系统，其中，在完成系统预热之后，供应给所述重整部分的所述阴极废气和所述烃类燃料用作产生所述重整气体的原料。
由于供应给重整部分的阴极废气和烃类燃料用作产生重整气体的材料，所以在阴极废气中的水蒸气和氧可以用于重整反应。因此，可以提高整个系统的效率。
根据本发明的第四方面，提供一种如上所述的燃料电池系统，还包括：冷却液供给装置，用于向所述燃料电池供给冷却液；和冷却液供给停止装置，用于在系统预热时停止供给所述冷却液。
由于在系统预热时可以停止向燃料电池的冷却液供给，所以可以提高预热效率。
根据本发明的第五方面，提供一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括：重整部分，用于接收烃类燃料的供给并通过利用重整反应产生含氢的重整气体；燃料电池，在使阳极接收所述重整气体并使阴极接收含氧的阴极气体之后进行发电；阴极废气供给装置，用于将从所述阴极排出的阴极废气供应给所述重整部分；冷却气体供给装置，用于向燃料电池供给冷却气体；和用于在系统预热时绕过所述燃料电池而向所述重整部分供给冷却气体的装置。
由于在系统预热时，绕开燃料电池而向重整部分供应冷却气体，所以可以防止冷却气体冷却燃料电池。其结果是，可以提高预热效率，可以在短时间内完成燃料电池的预热。
根据本发明的第六方面，提供一种如上所述的燃料电池系统，还包括用于在系统预热时停止向阴极供给阴极气体的阴极气体供给停止装置。
由于在系统预热时，可以停止阴极气体的供给，所以可以防止阴极气体冷却燃料电池。
根据本发明的第七方面，提供一种如上所述的燃料电池系统，其中，在系统预热时供应给重整部分的冷却气体供烃类燃料进行贫燃。
由于供应给重整部分的冷却气体供烃类燃料进行贫燃，所以在贫燃期间所产生的热可以用于适当地预热包括重整部分和燃料电池的系统内部。
根据本发明的第八方面，提供一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括：重整部分，用于接收烃类燃料的供给并利用重整反应产生含氢的重整气体；燃料电池，在使阳极接收所述重整气体并使阴极接收含氧的阴极气体之后进行发电；阴极废气供给装置，用于将从所述阴极排出的阴极废气供应给所述重整部分；和/或冷却气体供给装置，用于向燃料电池供给冷却气体；用于在系统预热时至少停止向所述阴极供给所述阴极气体或者向所述燃料电池供给所述冷却气体的气体供给停止装置；以及贫燃气体供给装置，用于在系统预热时向所述重整部分供给气体从而使所述烃类燃料进行贫燃。
由于在系统预热时至少停止向供给阴极气体或者向燃料电池供给冷却气体，所以可以防止燃料电池被阴极气体或者冷却气体冷却。其结果是，可以提高预热效率，可以在短时间内完成燃料电池的预热。此外，从贫燃气体供给装置供应的气体供烃类燃料进行贫燃。因此，在贫燃期间所产生的热可以用于适当地预热包括重整部分和燃料电池的系统内部。
根据本发明的第九特征，提供一种如上所述的燃料电池系统，其中，停止向所述阴极供给所述阴极气体和向所述燃料电池供给所述冷却气体。
由于在系统预热时，阴极气体供给和向燃料电池的冷却气体供给都停止，所以可以提高预热效率。
附图说明
图1A和图1B是说明根据本发明第一实施例的燃料电池系统结构的示意图；
图2A和图2B是说明根据本发明第二实施例的燃料电池系统结构的示意图；
图3A和图3B是说明根据本发明第三实施例的燃料电池系统结构的示意图。
具体实施方式
下面参照附图说明本发明的实施例。附图中相同的元件用相同的标号表示而且省略重复说明。本发明不局限于下述的实施例。
第一实施例
图1(A)和图1(B)是说明根据本发明第一实施例的燃料电池系统结构的示意图。燃料电池系统10主要包括可外部加热的热交换型重整器12和燃料电池14。重整器12采用烃类燃料、水和空气作为材料来产生富氢燃料气体(重整气体)。燃料电池14利用重整气体作为燃料并利用空气作为氧化气体而进行发电。
燃料电池14只要在发电时产生水(水蒸气)即可。具体而言，可以使用质子交换膜燃料电池(PEM)、磷酸(PAFC)或者氢隔膜(hydrogenseparation membrane)燃料电池等。例如，如果采用的燃料电池14是质子交换膜燃料电池，它包括多层电池，每个电池包括电解质膜、阳极、阴极和隔板。燃料气体(重整气体)流路和氧化气体流路形成在阳极和阴极之间。电解质膜是由碳氟树脂或其它固体聚合物材料形成的具有质子传导性的离子交换膜。阳极和阴极都采用由碳纤维织成的碳布构成。隔板采用不透气的导电元件构成，例如采用通过压缩碳而不透气的致密碳等。
重整器12可以按功能分为重整侧和燃烧侧。重整侧产生如反应式(1)和(2)所示的重整反应。燃烧侧提供热量以进行重整反应。包含异辛烷(C8H18)的汽油供应给重整侧作为燃料。水蒸气和空气(氧)也供应给重整侧。供应给重整侧的汽油、水蒸气和空气用于产生如反应式(1)和(2)所示的重整反应。作为供应给重整侧的燃料，可以使用天然气或其它烃类燃料、酒精或其它含氧燃料或其它烃类燃料。而且，乙醚或者乙醛等也可以用作燃料。
为了加快重整反应，重整侧具有重整催化剂。当采用汽油或者天然气作为材料时，镍催化剂或者铑贵金属可以用作重整催化剂。已知当采用甲醇作为材料时，CuO-ZnO催化剂和Cu-ZnO催化剂是有效的催化剂。
燃烧用燃料和燃烧用空气供应给重整器12的燃烧侧。燃烧用燃料被燃烧以产生用于进行重整反应的热量。重整器12的燃烧侧可以包括与重整器12分开的专用燃烧器。在这种情况下，燃烧用燃料和燃烧用空气在燃烧器中燃烧，而且从燃烧器排放的高温燃烧气体用于供应进行重整反应所需的热量。
当如上所述从重整器12的燃烧侧供应热量时，供应给重整侧的汽油、水蒸气和空气(氧)发生反应。因此，由反应式(1)和(2)表示的水蒸气重整反应和部分氧化反应同时发生。通过重整催化剂加快这些反应，因此产生富氢重整气体。
由重整反应得到的富氢重整气体通过重整气体流路16供应给燃料电池14的阳极。同时，空气(阴极气体)供应给燃料电池14的阴极作为氧化气体。当重整气体供应给燃料电池14的阳极时，从重整气体中的氢产生氢离子( )。当氧化气体供应给阴极时，阴极从氧化气体中的氧产生氧离子，从而在燃料电池14内部发电。同时，阴极从上述氢离子和氧离子生成水( )。大部分水吸收了燃料电池14内部产生的热量而变成水蒸气。
燃料电池14的阴极与阴极空气泵18相连。阴极空气泵18向阴极供应阴极气体。阴极废气流路20将阴极连接到重整器12的重整侧。阴极废气从阴极排出并通过阴极废气流路20供应给重整侧。
连接阴极空气泵18和阴极的流路上具有三通阀22。三通阀22通过旁通流路24连接到重整器12的重整侧。因此，当改变三通阀22的设置时，阴极气体可以直接供应给重整侧，而不用通过燃料电池14的阴极。
在发电时，在燃料电池14内部产生热。因此，配置冷却空气泵26来冷却燃料电池14。冷却空气泵26向燃料电池14供应冷却气体，从而通过空冷对燃料电池14进行冷却。
为了正常工作，如图1(A)所示调整三通阀22的设置，使得从阴极空气泵18获得的阴极气体向前到达燃料电池14的阴极。除了阴极产生的水蒸气之外，从阴极排放的阴极废气还包含未在阴极内部发生反应的氧。根据本发明的燃料电池系统10，通过阴极废气流路20向重整器12的重整侧输送阴极废气，并供应阴极废气中的水蒸气和氧作为用于产生反应式(1)和(2)所示的重整反应的原料。通过利用阴极废气中的水蒸气和氧用于如上所述的重整反应，可以提高整个系统的效率。
同时，燃料电池14在预定的工作温度下工作来发电。因此，当系统启动时，必须预热燃料电池14直至达到工作温度。如果这时向燃料电池14供应冷却气体，预热效率就会降低。因此，如图1(B)所示，停止从冷却空气泵26向燃料电池14供应冷却气体。
在系统启动(预热)时改变三通阀22的设置，从而使来自阴极空气泵18的阴极气体通过旁通流路24供应给重整器12的重整侧。为了完全氧化供应给重整侧的汽油，控制阴极空气泵18，使得足够量的空气供应给重整侧。这样，大量含氧的空气供应给重整侧。在重整侧发生催化燃烧(基于重整催化的燃烧)和气相燃烧(基于燃料/氧化气体混合物的燃烧)，因此供应的汽油完全氧化。然后如下面的反应式(3)所示，产生水和二氧化碳(CO2)。
---(3)
如上所述，来自阴极空气泵18的阴极气体在预热时用作重整侧的贫燃空气。其结果是，重整器12的温度由于完全氧化产生的热量而上升。此外，由完全氧化获得的高温气体(水蒸气和CO2)通过重整气体流路16供应给燃料电池14的阳极。因此，可以预热包括重整器12和燃料电池14的系统。
在预热完成后，为了将阴极气体从阴极空气泵18输送到燃料电池14的阴极，三通阀22的设置变成图1(A)所示的状态。此外，冷却空气泵26向燃料电池14供应冷却气体来执行正常工作。通过判断安装在燃料电池14上的温度传感器所检测出的值是否达到燃料电池14的工作温度来确定预热是否完成。
来自阴极空气泵18的阴极气体是常温气体。因此，如果在预热期间向阴极供应阴极气体，则阴极气体冷却燃料电池14，因此燃料电池14的预热效率会降低。在预热完成之前，本发明使阴极气体可以流到旁通流路24。因此，阴极气体不会供应给阴极。因此，可以防止燃料电池14被阴极气体冷却，提高预热效率。其结果是，燃料电池14可以在短时间内完全预热。在预热完成之前，停止从冷却空气泵26供应冷却气体，因此可以进一步提高预热效率。
而且，为了使汽油在重整侧进行贫燃并实现完全氧化，在预热期间从阴极空气泵18向重整侧输送大量的含氧空气。然后，这种完全氧化产生的热量用于适当地预热包括重整器12和燃料电池14的系统内部。
如上所述，本发明配置旁通流路24，该旁通流路24绕开燃料电池14的阴极，因此阴极气体在预热完成之前直接供应给重整器12的重整侧，而没有到达阴极。因此，本实施例可以防止阴极气体冷却燃料电池14。其结果是，可以提高预热效率，从而可以在短时间内完成对燃料电池14的预热。
另外，流入旁通流路24的阴极气体在预热期间还可以供应给重整器12的燃烧侧，并用作燃烧侧的燃烧用空气。由此可以加快燃烧侧的燃烧，从而提高系统的预热效率。
用于冷却燃料电池14的冷却介质不局限于冷却气体。一种典型的选择是用冷却水或者其它液体来冷却燃料电池14，并在预热期间停止向燃料电池14供应冷却水等。
第二实施例
接着说明本发明的第二实施例。图2(A)和图2(B)是说明根据本发明第二实施例的燃料电池系统10结构的示意图。第二实施例的燃料电池系统10的基本结构与第一实施例相同。
与第一实施例相同地，为了将阴极废气供应到重整器12的重整侧，第二实施例的燃料电池系统10包括阴极废气流路20。而且，为了冷却燃料电池14，第二实施例还包括冷却空气泵26。此外，在第二实施例中，为了向燃料电池14供应冷却气体，在流路上设置三通阀28。而且，设置流路30，从而将被三通阀28分隔的冷却气体送达重整器12的重整侧。
在正常工作时，如图2(A)所示，从阴极空气泵18输送的阴极气体被输送到燃料电池14的阴极。从阴极排放的阴极废气经由阴极废气流路20供应给重整器12的重整侧。而且，调整三通阀28的设置，以便将从冷却空气泵26输送的冷却气体供应给燃料电池14。与图1(A)所示情况相同地，可以向重整侧供应阴极废气中的水蒸气和氧作为重整反应的原料，而且可以通过冷却气体冷却燃料电池14。
在启动时，如图2(B)所示，停止从阴极空气泵18供应阴极气体。而且，改变三通阀28的设置，使得从冷却空气泵26输送的冷却气体通过流路30，绕开燃料电池14而供应给重整器12的重整侧。由此停止向燃料电池14供应冷却气体。然后，控制冷却空气泵26，以便将完全氧化供应给重整侧的汽油所需的足够量的空气供应给重整侧。这样，大量含氧的空气供应给重整侧。
如上所述，在系统起动时停止向燃料电池14供应阴极气体和冷却气体，从而可以防止阴极气体和冷却气体冷却燃料电池14。因此，可以提高预热效率，从而可以在短时间内完成燃料电池14的预热。而且，与第一实施例相同地，大量的含氧空气从冷却空气泵26输送给重整侧，从而使汽油在重整侧进行贫燃，并实现完全氧化。其结果是，可以适当地预热包括重整器12和燃料电池14的系统内部。
如上所述，在完成预热之前，第二实施例停止向燃料电池14供应阴极气体和冷却气体。因此可以防止阴极气体和冷却气体冷却燃料电池14。其结果是，可以提高预热效率，从而可以在短时间内完成燃料电池14的预热。而且，在完成预热之前冷却气体供应给重整器12的重整侧。因此，可以完全氧化供应给重整侧的汽油并适当地预热包括重整器12和燃料电池14的系统内部。
另外，在预热期间，可以仅停止向燃料电池14供应冷却气体，而向电池组件14供应阴极气体燃料。从而可以根据燃料电池14的预热状态以适当的方式供应阴极气体。
此外，还可以向重整器12的燃烧侧供应流入到流路30的冷却气体，并使用该冷却气体作为燃烧侧的燃烧用空气。由此可以加快燃烧侧的燃烧，并提高系统的预热效率。
第三实施例
接着说明本发明的第三实施例。图3(A)和图3(B)是说明根据本发明第三实施例的燃料电池系统10结构的示意图。第三实施例的燃料电池系统10的基本结构和第一实施例相同。
与第一实施例相同地，为了向重整器12的重整侧供应阴极废气，第三实施例的燃料电池系统10包括阴极废气流路20。而且，为了冷却燃料电池14，第三实施例还包括冷却空气泵26。此外，为了在预热期间向重整器12的重整侧供应空气，第三实施例还包括空气泵32。
在正常工作时，如图3(A)所示，从阴极空气泵18输送的阴极气体送达燃料电池14的阴极。从阴极排放的阴极废气经由阴极废气流路20供应给重整器12的重整侧。而且，从冷却空气泵26输送的冷却气体供应给燃料电池14。由此，与如图1(A)所示情况相同，可以将阴极废气中的水蒸气和氧供应给重整侧作为进行重整反应的原料，而且可以通过冷却气体冷却燃料电池14。
在启动时，如图3(B)所示，停止从阴极空气泵18供应阴极气体。而且，还停止从冷却空气泵26供应冷却气体。然后，空气泵32工作，将大量的含氧空气送入重整侧，并通过贫燃将供应给重整侧的汽油完全氧化。如上所述，为了在预热时输送贫燃用的空气而设置有空气泵32。在除了预热之外的期间停止从空气泵32供应空气。
由于在启动时停止供应阴极气体，所以可以防止阴极气体冷却燃料电池14。由此可以提高预热效率，从而可以在短时间内完成燃料电池14的预热。而且，与第一实施例相同地，大量的含氧空气从空气泵32输送给重整侧，从而使汽油在重整侧进行贫燃并实现完全氧化。其结果是，可以适当地预热包括重整器12和燃料电池14的系统内部。
如上所述，根据第三实施例，在完成预热之前停止供应阴极气体。因此可以防止阴极气体冷却燃料电池14。其结果是，可以提高预热效率，从而可以在短时间内完成燃料电池14的预热。而且，在完成预热之前从空气泵32输送大量的空气给重整侧。因此，可以将供应给重整侧的汽油完全氧化，从而适当地预热包括重整器12和燃料电池14的系统内部。
在预热期间可以至少停止从阴极空气泵18或冷却空气泵26供应空气。从而可以根据燃料电池14的预热状态以适当的方式供应阴极气体和冷却气体。
产业上利用的可能性
如上所述，根据本发明的燃料电池系统可以提高预热效率，而且对各种燃料电池系统的应用都是有用的。

Claims (9)

1.一种燃料电池系统，包括：
重整部分，用于接收烃类燃料的供给并利用重整反应产生含氢的重整气体；
燃料电池，在使阳极接收所述重整气体的供给并使阴极接收含氧的阴极气体的供给之后进行发电；
阴极废气供给装置，用于将从所述阴极排出的阴极废气供应给所述重整部分；和
旁通装置，用于在系统预热时绕过所述阴极并直接将所述阴极气体供应给所述重整部分。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，在系统预热时，利用供应给所述重整部分的所述阴极气体使所述烃类燃料进行贫燃。
3.如权利要求1或2所述的燃料电池系统，其中，在完成系统预热之后，供应给所述重整部分的所述阴极废气和所述烃类燃料用作产生所述重整气体的原料。
4.如权利要求1～3中任一项所述的燃料电池系统，还包括：
冷却液供给装置，用于向所述燃料电池供给冷却液；和
冷却液供给停止装置，用于在系统预热时停止供给所述冷却液。
5.一种燃料电池系统，包括：
重整部分，用于接收烃类燃料的供给并通过利用重整反应产生含氢的重整气体；
燃料电池，在使阳极接收所述重整气体并使阴极接收含氧的阴极气体之后进行发电；
阴极废气供给装置，用于将从所述阴极排出的阴极废气供应给所述重整部分；
冷却气体供给装置，用于向燃料电池供给冷却气体；和
用于在系统预热时绕过所述燃料电池而向所述重整部分供给冷却气体的装置。
6.如权利要求5所述的燃料电池系统，还包括：阴极气体供给停止装置，用于在系统预热时停止向所述阴极供给所述阴极气体。
7.如权利要求5或6所述的燃料电池系统，其中，在系统预热时，利用供应给所述重整部分的所述冷却气体使所述烃类燃料进行贫燃。
8.一种燃料电池系统，包括：
重整部分，用于接收烃类燃料的供给并通过利用重整反应产生含氢的重整气体；
燃料电池，在使阳极接收所述重整气体并使阴极接收含氧的阴极气体之后进行发电；
阴极废气供给装置，用于将从所述阴极排出的阴极废气供应给所述重整部分；和/或冷却气体供给装置，用于向燃料电池供给冷却气体；
用于在系统预热时至少停止向所述阴极供给所述阴极气体或者向所述燃料电池供给所述冷却气体的气体供给停止装置；以及
贫燃气体供给装置，用于在系统预热时向所述重整部分供给气体从而使所述烃类燃料进行贫燃。
9.如权利要求8所述的燃料电池系统，其中，在系统预热时，停止向所述阴极供给所述阴极气体和向所述燃料电池供给所述冷却气体。
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