專利名稱：液體燃料的燃料電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及液體燃料的燃料電池，也涉及操作的方法和電池的使用。
在使用高溫燃料電池，例如從歐洲專利EP-A-0654838(=P.6612)中已知的裝置中，從含有甲烷的燃料氣和空氣中產(chǎn)生電能。在第一步，將燃料氣與水蒸汽H2O一起進(jìn)行催化處理(轉(zhuǎn)化)，在約800℃下加熱以便形成含有一氧化碳CO和氫氣H2的燃料氣。第二步中，用這種轉(zhuǎn)化的燃料氣在850到900℃的操作溫度下在燃料電池中可以實(shí)現(xiàn)電流輸出的過(guò)程。在處理過(guò)程中，即轉(zhuǎn)化過(guò)程中使用在電流輸出過(guò)程中和在后燃燒中所釋放的熱量。也可能轉(zhuǎn)化液體燃料，例如烴類CnHm，其中n＞5和m=2n+2，或這樣的烴類的混合物，以便形成含有CO和H2的燃料氣，并用它來(lái)操作已知的燃料電池。在進(jìn)行轉(zhuǎn)化之前也可以有利地應(yīng)用所釋放的熱量使燃料氣化。可以在靜止的裝置中采用液體燃料操作燃料電池，在運(yùn)動(dòng)的裝置中，例如在汽車中使用是特別有利的，在汽車中燃料可以用油箱攜帶。對(duì)車輛使用來(lái)說(shuō)，由于經(jīng)濟(jì)上的原因，必須不需要用H2O，而轉(zhuǎn)化需要水，在已知的裝置必需用軟化水。
本發(fā)明的目的是創(chuàng)造一種液體燃料的燃料電池，它可以應(yīng)用在運(yùn)動(dòng)的裝置中，它不需要水對(duì)燃料氣進(jìn)行處理。通過(guò)權(quán)利要求1定義的電池達(dá)到了這個(gè)目的。
液體燃料的燃料電池有下述的組件在周邊內(nèi)沿著一根軸布置的電池堆；在堆軸上的分配通道，通過(guò)分配通道可以將轉(zhuǎn)化后的燃料氣送入到堆內(nèi)的各個(gè)原電池中；在堆周邊的后燃燒室；還有用于起動(dòng)操作的輔助燃燒器。反應(yīng)裝置與電池堆相連或相通，裝設(shè)的反應(yīng)裝置用于處理液體燃料，通過(guò)部分氧化將其轉(zhuǎn)化為含有CO和H2的燃料氣。熱交換系統(tǒng)與反應(yīng)裝置成一整體，通過(guò)該系統(tǒng)，在電池的電流輸出操作中一使用從后燃燒室排出的熱氣體—可以使液體燃料氣化和可以加熱氣態(tài)的氧氣載體。通過(guò)是熱交換系統(tǒng)一部分的送入點(diǎn)，可以使氣化的燃料與加熱的氧氣載體接觸，以便形成轉(zhuǎn)化后的燃料氣。這種燃料氣可以從反應(yīng)裝置送入到電池堆的分配通道中。
從屬的權(quán)利要求2到9項(xiàng)與按照本發(fā)明的燃料電池的各有利的實(shí)施方案有關(guān)。使用按照本發(fā)明的電池的方法和可能性分別是權(quán)利要求10和11項(xiàng)的主題。
下面將參考附圖解釋本發(fā)明。附圖有

圖1按照本發(fā)明燃料電池的第一個(gè)示范性實(shí)施方案，圖2圖1電池的平面圖，圖3第二個(gè)示范性實(shí)施方案，圖4與第三個(gè)示范性實(shí)施方案有關(guān)的細(xì)節(jié)，圖5示意說(shuō)明有按照本發(fā)明的燃料電池的一個(gè)裝置和圖6實(shí)現(xiàn)部分氧化的內(nèi)裝式各元件的另一種解決方案。
對(duì)按照本發(fā)明的燃料電池1，可以應(yīng)用它用液體燃料產(chǎn)生電流，在圖1中說(shuō)明第一個(gè)示范性實(shí)施方案；在圖2中表示這個(gè)電池的平面圖。電池1包括燃料原電池20，原電池在周邊2b內(nèi)和沿著軸2a形成電池堆2。分配通道21在堆軸2a上，通過(guò)它可以將轉(zhuǎn)化過(guò)的燃料氣送入到原電池20中。套筒15包括沒有圖示說(shuō)明的空氣供給機(jī)構(gòu)，通過(guò)該機(jī)構(gòu)可以將氣態(tài)的氧氣載體送入到原電池20中。在電流輸出過(guò)程中可能沒有完全用盡的燃料，在堆周邊2b處的一個(gè)或幾個(gè)后燃燒室22中用已經(jīng)通過(guò)原電池20的氧氣載體進(jìn)行完全燃燒。
電池堆2布置在板11和12之間，該板可以構(gòu)成電池1的電極。連桿13和彈簧14提供一個(gè)堆在另一個(gè)上的原電池20各元件之間所需的壓力。連桿13布置在電池1的邊緣區(qū)，那里的溫度相對(duì)較低。熱絕緣16覆蓋板11的大部分。
布置的反應(yīng)裝置3沿堆軸2a排列對(duì)齊，并與電池堆2接觸。在這個(gè)反應(yīng)裝置3中，實(shí)現(xiàn)部分氧化的重整，以對(duì)液體燃料進(jìn)行處理。在這里沒有供給重整所需的水而產(chǎn)生含有CO和H2的燃料氣。
位于絕熱套筒35內(nèi)的熱交換系統(tǒng)4是與反應(yīng)裝置3成一整體的。在電池的電流輸出操作中可以應(yīng)用以后燃燒室22來(lái)的熱排出氣體，一方面用于氣化液體燃料，另一方面加熱氣態(tài)的氧氣載體。通過(guò)是熱交換系統(tǒng)4一部分的送入點(diǎn)6，可以使氣化的燃料與已加熱的氧氣載體接觸，從而可以產(chǎn)生部分氧化的重整。在形成重整后的燃料氣之后，將該氣從反應(yīng)裝置3送入到電池堆2的分配通道21中。
在熱交換系統(tǒng)4中進(jìn)行排出氣體和氧氣載體之間的間接的熱交換，這是將這兩種介質(zhì)以逆流的方式通過(guò)兩個(gè)環(huán)隙形的子室41和42發(fā)生的。子室41和42大體上布置在電池堆周邊2b的延長(zhǎng)部分。氧氣載體通過(guò)輸入短管進(jìn)入熱交換系統(tǒng)4，再?gòu)哪抢镞M(jìn)入子室41，從室41進(jìn)入公共通道410，然后再?gòu)哪抢锿ㄟ^(guò)連接管411進(jìn)入到送入點(diǎn)6。以后燃燒室22排出的排出氣體通過(guò)板12中的孔223進(jìn)入到子室42,并從出口短管32離開熱交換系統(tǒng)4。
在反應(yīng)裝置3的中心區(qū)，同軸的燃料和預(yù)熱的氧氣載體進(jìn)料管形成送入點(diǎn)6，進(jìn)料管是由燃料的中心管33和氧氣載體的外管46組成。這些進(jìn)料管33,46是這樣設(shè)計(jì)的，使得在電流輸出操作中從預(yù)熱的氧氣載體傳遞給燃料的熱量足夠使后者氣化。
反應(yīng)裝置3裝設(shè)內(nèi)裝元件5，它有足夠大的體積使得實(shí)現(xiàn)部分氧化的停留時(shí)間，能使燃料中所含絕大部分碳反應(yīng)形成CO或CO2。內(nèi)裝元件5的目的是使反應(yīng)參與物良好的混合和很高的再循環(huán)，從而發(fā)生均勻的反應(yīng)密度。通過(guò)這樣使溫度分布也變得均勻并使形成的煙灰最小。
電加熱器7最好裝設(shè)在液體燃料的供給管線33上，在電池操作的起動(dòng)階段可以用該加熱器氣化燃料。在起動(dòng)階段可以使用反應(yīng)裝置3作為輔助的燃燒器，過(guò)量供給氧氣載體使得燃料完全燃燒。然后可以用熱的燃燒氣體加熱原電池20。
圖3表示第二個(gè)示范性的實(shí)施方案，它有與第一個(gè)示范性實(shí)施方案基本相同的內(nèi)裝元件5。這些內(nèi)裝元件5由兩個(gè)由軸的圓筒51和52構(gòu)成，圓筒圍繞送入點(diǎn)6布置。外圓筒51有套筒表面51a和封閉的終端表面51b，它使從送入點(diǎn)6出來(lái)的氣流發(fā)生偏轉(zhuǎn)。另一個(gè)圓筒52布置在第一圓筒51的內(nèi)部，由帶有孔520的套筒表面組成。該氣流有動(dòng)量，通過(guò)它驅(qū)動(dòng)在第一圓筒51內(nèi)回路狀的循環(huán)流動(dòng)。
有點(diǎn)火電極70的點(diǎn)火裝置8布置在送入點(diǎn)6。使用這個(gè)裝置在電池起動(dòng)時(shí)可以點(diǎn)火燃燒或者在部分氧化開始時(shí)可以使反應(yīng)起動(dòng)，這表示為火焰80。
熱交換系統(tǒng)4與第一示范性實(shí)施方案的不同后燃燒室22排出的熱排出氣流引入到外面的環(huán)隙形子室42。管32與該室同心布置，通過(guò)該管將排出氣體引到反應(yīng)裝置3之外，氧氣載氣通過(guò)管31進(jìn)入到熱交換系統(tǒng)4，在那里它與排出氣體成逆流的方式通過(guò)內(nèi)部的環(huán)隙形子室41。加熱的氧氣載體通過(guò)第二環(huán)隙形子室412被引入到送入點(diǎn)6的管46。管46的出口端60形成噴嘴，從而傳遞足夠的動(dòng)量驅(qū)動(dòng)反應(yīng)室內(nèi)的循環(huán)流動(dòng)。
圖4表示與第三示范性實(shí)施方案有關(guān)的細(xì)節(jié)，它涉及熱交換器4，和它是第一示范性實(shí)施方案中熱交換系統(tǒng)4的一種變型在排出氣體的送料孔223處，接著環(huán)隙室41(氧氣載體)和42(排出氣體)布置徑向間隙室45，通過(guò)它進(jìn)行從排出氣體到氧氣載體的熱交換。
按照本發(fā)明的電池提供的電功率大于1kW但小于5kW。設(shè)計(jì)內(nèi)裝元件5在它們的數(shù)量級(jí)內(nèi)，使內(nèi)圓筒52有直徑5cm，外圓筒51有直徑10cm。圍繞外圓筒51裝設(shè)有間隙寬度2cm的環(huán)形間隙53，通過(guò)它轉(zhuǎn)化后的燃料氣可以流入到分配通道21的入口點(diǎn)210。
在用部分氧化的重整中，選擇氧氣載體和燃料比例的比是，使燃料中所含碳至少50％，最好是80-90％氧化成CO。其余氧化成CO2。
圖5表示具有按照本發(fā)明的燃料電池1的裝置1’的示意說(shuō)明，電池布置在箱10中。在由未圖示說(shuō)明的熱交換系統(tǒng)4組成的反應(yīng)裝置3的外周，裝設(shè)環(huán)隙形子室101，通過(guò)它可以引入反應(yīng)所需的空氣或另一種氧氣載體?？諝馔ㄟ^(guò)箱10的短管100引入。在流過(guò)子室101之后，經(jīng)過(guò)絕熱封閉15它到達(dá)電池堆2的原電池20中。通過(guò)這種新鮮空氣的進(jìn)入使電池1的表面保持在低的溫度。
在圖6中說(shuō)明實(shí)現(xiàn)部分氧化的內(nèi)裝元件5的另一種解決方案。與按照?qǐng)D1到3的實(shí)施方案中的內(nèi)裝元件5相比較，這里沒有內(nèi)圓筒52。相反在圓筒51的下端表面處布置環(huán)形偏轉(zhuǎn)壁51C，它使氣流偏轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生由箭頭指出的回路流動(dòng)。
按照本發(fā)明的燃料電池1可以應(yīng)用于靜止的或移動(dòng)的裝置中。
權(quán)利要求
1．用液體燃料的燃料電池(1)，包括在周邊(2b)內(nèi)沿軸(2a)布置的電池堆(2)，在堆軸(2a)上的分配通道(21)，通過(guò)分配通道可以將重整過(guò)的燃料氣送入到堆(2)內(nèi)的各個(gè)原電池(20)中，在堆周邊(2b)的后燃燒室(22)，和用于起動(dòng)操作的輔助燃燒器(3)，其特征在于，裝設(shè)的反應(yīng)裝置(3)與電池堆相連，通過(guò)部分氧化的重整，將液體燃料處理成為含有CO和H2的燃料氣，其中有一個(gè)與反應(yīng)裝置成一整體的熱交換系統(tǒng)(4)，通過(guò)該系統(tǒng)，在電池的電流輸出操作中—使用從后燃燒室排出的熱氣體—可以使液體燃料氣化和可以加熱氣態(tài)的氧氣載體；送入點(diǎn)(6)是熱交換系統(tǒng)的一部分；可以通過(guò)這個(gè)送入點(diǎn)將氣化的燃料與加熱的氧氣載體匯集在一起，以便形成重整后的燃料氣；和該燃料氣可從反應(yīng)裝置送入到電池堆的分配通道中。
2．按照權(quán)利要求1所述的燃料電池，其特征在于布置的反應(yīng)裝置(3)沿堆軸(2a)排列對(duì)齊，并與電池堆(2)接觸；以及可以用反應(yīng)裝置作為輔助燃燒器。
3．按照權(quán)利要求1或2所述的燃料電池，其特征在于在電流輸出操作時(shí)在熱交換系統(tǒng)(4)內(nèi)發(fā)生排出氣體和氧氣載體之間的間接熱交換；和可以將排出氣體和氧氣載體通過(guò)至少兩個(gè)環(huán)形子室(41,42)進(jìn)行這種熱交換，該子室大體上布置在電池堆周邊(2b)的延長(zhǎng)部分。
4．按照權(quán)利要求1至3中任意一個(gè)所述的燃料電池，其特征在于反應(yīng)裝置(3)的中心區(qū)中同軸的供應(yīng)管(33,46)組成燃料和預(yù)熱過(guò)的氧氣載體的送入點(diǎn)(6)，有可能特別通過(guò)中心供應(yīng)管(33)送入燃料；以及以這樣的方式設(shè)計(jì)各供料管，使在電流輸出操作中可以從預(yù)熱過(guò)的氧氣載體獲得使燃料氣化所需的足夠熱量。
5．按照權(quán)利要求1至4中任意一個(gè)所述的燃料電池，其特征在于反應(yīng)裝置(3)裝設(shè)內(nèi)裝的元件(5)，用于形成回路流動(dòng)，并有足夠大的體積使得實(shí)現(xiàn)部分氧化的停留時(shí)間，能使燃料中所含絕大部分碳反應(yīng)成CO或CO2。
6．按照權(quán)利要求5所述的燃料電池，其特征在于內(nèi)裝元件(5)是圍繞送入點(diǎn)(6)布置的同軸圓筒(51,52)；所述一個(gè)圓筒(51)有套筒表面和封閉的終端表面(51a,51b)，它使從送入點(diǎn)出來(lái)的氣流發(fā)生偏轉(zhuǎn)；以及所述另一個(gè)圓筒(52)布置在第一圓筒的內(nèi)部，由帶有孔(520)的套筒表面組成，其結(jié)果該氣流引起在第一圓筒(51)內(nèi)象回路樣的循環(huán)流動(dòng)，有可能用布置在第一圓筒套筒表面(51a)下邊緣和在這個(gè)邊緣的內(nèi)區(qū)中的環(huán)形壁(51c)代替內(nèi)圓筒(52)。
7．按照權(quán)利要求6所述的燃料電池，其特征在于它提供的電功率大于1kW和小于5kW；以及設(shè)計(jì)內(nèi)裝元件在它們的數(shù)量級(jí)內(nèi)，使內(nèi)圓筒(52)有直徑5cm，外圓筒(51)有直徑10cm；圍繞外圓筒裝設(shè)有間隙寬度2cm的環(huán)形間隙(53)，通過(guò)它重整后的燃料氣可以流入到分配通道(21)的入口點(diǎn)(210)。
8．按照權(quán)利要求1至7中任意一個(gè)所述的燃料電池，其特征在于電加熱器(7)最好裝設(shè)在液體燃料的供給管線(33)上，在電流輸出操作的起動(dòng)階段可以用該加熱器氣化燃料；以及點(diǎn)火電極(8,80)布置在送入點(diǎn)(6)，通過(guò)這個(gè)裝置可以在輔助燃燒器中點(diǎn)火燃燒，或者在部分氧化的起動(dòng)階段點(diǎn)火。
9．按照權(quán)利要求1至8中任意一個(gè)所述的燃料電池，其特征在于在熱交換系統(tǒng)(4)的周邊裝設(shè)環(huán)形的子室(101)，反應(yīng)所需的空氣或另一種氧氣載體可以通過(guò)它引入。
10．按照權(quán)利要求1至9中任意一個(gè)所述的燃料電池(1)的操作方法，其特征在于為在氧氣載體和燃料之間反應(yīng)，所提供的它們比例是，使燃料中所含碳至少50％，最好80-90％氧化成CO，其余氧化成CO2。
11．在靜止或移動(dòng)的裝置中應(yīng)用，按照權(quán)利要求1至9中任意一個(gè)所述的燃料電池(1)，可以使用烴類CnHm，式中n＞5，和例如m=2n+2,或者是這樣的烴類的混合物作為燃料。
全文摘要
液體燃料的燃料電池的反應(yīng)裝置(3)與電池堆相連,裝設(shè)的反應(yīng)裝置用于處理液體燃料,通過(guò)部分氧化將其轉(zhuǎn)化為含有H
文檔編號(hào)H01M8/12GK1310488SQ0110307
公開日2001年8月29日 申請(qǐng)日期2001年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月25日
發(fā)明者A·舒勒 申請(qǐng)人:蘇舍赫克希斯公司