專利名稱：燃料電池系統(tǒng)和用于操作重整器的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)，該燃料電池系統(tǒng)包括用于將燃料和氧化劑 轉(zhuǎn)化為重整產(chǎn)物的重整器和至少一個(gè)將該重整產(chǎn)物加入其中的燃料電池。 此外，本發(fā)明還涉及用于操作將燃料和氧化劑轉(zhuǎn)化為重整產(chǎn)物的重整器的 方法。
背景技術(shù)：
圖1所示為被設(shè)計(jì)為使用烴類的已知的簡單的燃料電池系統(tǒng)。圖1中
所示的燃料電池系統(tǒng)具有重整器110，將燃料112由燃料泵144送入該重整 器。此外還向該重整器110送入氧化劑114，在圖示的情況下該氧化劑由通 過鼓風(fēng)機(jī)146輸送的空氣和經(jīng)噴射器124引入的陽極廢氣126組成。該陽 極廢氣126由裝配有燃料電池鼓風(fēng)機(jī)150的燃料電池118產(chǎn)生，并向該燃 料電池送入由重整器IIO產(chǎn)生的重整產(chǎn)物116。該重整產(chǎn)物116為含氫氣體， 其借助于由燃料電池鼓風(fēng)機(jī)150輸送的陰極空氣在燃料電池118中轉(zhuǎn)化為 電流和熱量。在圖示的情況下，將陽極廢氣未回收的部分送入裝配有后燃 燒器鼓風(fēng)機(jī)152的后燃燒器130。在該后燃燒器130中將貧化的重整產(chǎn)物與 通過后燃燒器鼓風(fēng)機(jī)152輸送的空氣轉(zhuǎn)化為CO和NO的排放物含量低的 燃燒廢氣。
在圖1所示的燃料電池系統(tǒng)的情況下，在重整器上游利用(冷)空氣 抽吸陽極廢氣126。在非期望的操作條件下，該空氣/陽極廢氣混合物可以 燃燒，任選被點(diǎn)燃，并由于其后產(chǎn)生的高溫而損害重整器110。如圖所示， 在借助于冷空氣抽吸陽極廢氣126的情況下，會(huì)發(fā)生非期望的積炭現(xiàn)象。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于進(jìn)一步開發(fā)普通燃料電池系統(tǒng)和方法，從而避免由 于引燃?xì)怏w混合物而損害重整器，并與現(xiàn)有技術(shù)相比至少減少了非期望的 積炭現(xiàn)象。根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)是基于現(xiàn)有技術(shù)以如下方式構(gòu)成的，重整 器包括重整燃燒器和重整催化劑，在重整燃燒器與重整催化劑之間設(shè)置有 用于送入來自燃料電池的陽極廢氣和/或送入重整產(chǎn)物和/或送入來自設(shè)置 在燃料電池下游的后燃燒器的廢氣的裝置。在此方案的情況下，因?yàn)橛芍?整燃燒器排出的煙氣的氧含量低于空氣，所以非期望地形成火焰的可能性 至少明顯更低。對(duì)于在重整燃燒器與重整催化劑之間于氣體混合物中非期 望地形成火焰的不太可能的情況，例如可以通過改變重整燃燒器中燃燒的 l 值而非常容易地加以修正。根據(jù)本發(fā)明的方案的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于將回收的 陽極廢氣送入熱的煙氣，從而至少不會(huì)出現(xiàn)陽極廢氣氣體混合物的明顯冷 卻，由此與現(xiàn)有技術(shù)相比至少明顯減少了積炭現(xiàn)象。此外有利的是，由于 在重整燃燒器中燃料燃燒，在重整燃燒器的出口處具有比其入口處更大量 的氣體，從而可以回收更大比例的陽極廢氣。根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)優(yōu)選進(jìn)一步以如下方式構(gòu)成，用于送入來 自燃料電池的陽極廢氣和./或送入重整產(chǎn)物和Z或送入來自設(shè)置在燃料電池 下游的后燃燒器的廢氣的裝置包括至少一個(gè)噴射器。該噴射器尤其可以是根據(jù)Venturi原理工作的噴射器，由重整燃燒器排出的煙氣流過其中，并在 此例如抽吸陽極廢氣。根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)可以如下有利的方式進(jìn)一步開發(fā)，在用于 送入來自燃料電池的陽極廢氣和/或送入重整產(chǎn)物和/或送入來自設(shè)置在燃 料電池下游的后燃燒器的廢氣的裝置與重整催化劑之間設(shè)置有用于反應(yīng)掉 (Abreagieren)在此存在的氣體的裝置。在此情況下，在裝配在燃燒器催 化劑上的第二個(gè)形成混合物的區(qū)域內(nèi)具有更低的氧含量，并且可以避免在 催化劑中不利地形成熱點(diǎn)的情況。此外，在使氫氣氧化期間產(chǎn)生的高水含量有利于可能需要的燃料蒸發(fā)(例如在使用液體燃料如柴油或汽油的情況 下)。在上述討論中優(yōu)選的是，用于反應(yīng)掉氣體的裝置包括燃燒器，特別是 催化燃燒器。如同重整燃燒器，此類燃燒器可以是多孔燃燒器。此外，對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)優(yōu)選的是，將以下組件中的至 少兩個(gè)熱耦合重整燃燒器、重整催化劑以及用于送入來自燃料電池的陽 極廢氣和/或送入重整產(chǎn)物和/或送入來自設(shè)置在燃料電池下游的后燃燒器 的廢氣的裝置。特別是安裝在重整器內(nèi)的組件即重整燃燒器、噴射器(可 能包括其他燃燒器)和重整催化劑的熱耦合能夠影響重整催化劑中或者整 個(gè)重整器中的溫度分布，這又可有利地影響重整過程。在根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的一個(gè)同樣優(yōu)選的實(shí)施方案中，設(shè)置有 用于調(diào)節(jié)由重整催化劑排出的重整產(chǎn)物的溫度的裝置。由此可以將由重整 催化劑排出的重整產(chǎn)物調(diào)節(jié)至適合于下一加工步驟的溫度。在此根據(jù)應(yīng)用 場合可以通過適當(dāng)?shù)匾龑?dǎo)氣體而加熱或冷卻重整產(chǎn)物，然后將重整產(chǎn)物送 入燃料電池。在上述討論中，例如用于調(diào)節(jié)由重整催化劑排出的重整產(chǎn)物的溫度的 裝置包括熱交換器，該熱交換器將由重整器產(chǎn)生的廢熱傳遞至由重整催化 劑排出的重整產(chǎn)物。此類熱交換器可以是但不局限于例如由與裝配在重整 器上的燃燒器(直接)相鄰地設(shè)置的重整產(chǎn)物管線段構(gòu)成。在根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的優(yōu)選的實(shí)施方案中，設(shè)置有用于對(duì)重 整器實(shí)施X控制的裝置。在此通常可以通過改變?nèi)剂系牧炕蛉紵諝獾牧?而實(shí)施 l控制。用于實(shí)施X控制的裝置尤其可以微處理器支持的方式工作， 并且包括至少一個(gè)X探針。此外，被認(rèn)為對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)有利的是，用于送入來 自燃料電池的陽極廢氣和/或送入重整產(chǎn)物和/或送入來自設(shè)置在燃料電池 下游的后燃燒器的廢氣的裝置能夠進(jìn)行按計(jì)量送入。若例如通過以不同的方式工作的噴射器送入陽極廢氣，即可以調(diào)節(jié)其回收的氣體的量，則能夠以期望的方式影響重整器內(nèi)的c/o比例。根據(jù)本發(fā)明的用于操作重整器的方法是基于現(xiàn)有技術(shù)以如下方式構(gòu)成 的，向重整燃燒器與重整催化劑之間的區(qū)域送入來自燃料電池的陽極廢氣 和/或重整產(chǎn)物和/或來自設(shè)置在燃料電池下游的后燃燒器的廢氣。由此以相 同或相似的方式提供與根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)相關(guān)地闡述的特征和優(yōu) 點(diǎn)；因此將其作為參考以避免重復(fù)與根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)相關(guān)的相應(yīng)闡述。同樣適用于本發(fā)明方法的以下優(yōu)選的實(shí)施方案，將其作為參考以避免 重復(fù)在此方面同樣與根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)相關(guān)的相應(yīng)闡述。在根據(jù)本發(fā)明的方法中，優(yōu)選通過至少一個(gè)噴射器向該區(qū)域送入來自 燃料電池的陽極廢氣和/或重整產(chǎn)物和/或來自設(shè)置在燃料電池下游的后燃 燒器的廢氣。此外，被認(rèn)為對(duì)于本發(fā)明方法有利的是，至少部分地反應(yīng)掉在送入來 自燃料電池的陽極廢氣和/或重整產(chǎn)物和/或來自設(shè)置在燃料電池下游的后燃燒器的廢氣之后仍然存在的氣體。在此情況下有利的是，將在送入來自燃料電池的陽極廢氣和/或重整產(chǎn) 物和減來自設(shè)置在燃料電池下游的后燃燒器的廢氣之后仍然存在的氣體在 燃燒器特別是在催化燃燒器中反應(yīng)掉。至少在本發(fā)明方法的特定的實(shí)施方案中，調(diào)節(jié)由重整催化劑排出的重 整產(chǎn)物的溫度。在此例如可以通過熱交換器調(diào)節(jié)由重整催化劑排出的重整產(chǎn)物的溫 度，該熱交換器將由重整器產(chǎn)生的廢熱傳遞至由重整催化劑排出的重整產(chǎn) 物。對(duì)于本發(fā)明方法特別有利的是，對(duì)重整器實(shí)施入控制。 此外，優(yōu)選在本發(fā)明方法中，將來自燃料電池的陽極廢氣和/或重整產(chǎn) 物和/或來自設(shè)置在燃料電池下游的后燃燒器的廢氣按計(jì)量送入該區(qū)域。本發(fā)明的一個(gè)重要的基本思想在于，通過不是在重整器上游而是在重 整燃燒器與重整催化劑之間弓I入尤其是回收的陽極廢氣，從而避免在重整 器中非期望地形成火焰和/或非期望地積炭。下面通過附圖示例性地更詳細(xì)地闡述本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施方案。
圖1所示為在開頭已述的根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池系統(tǒng)； 圖2所示為也能夠?qū)嵤┍景l(fā)明方法的根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的實(shí) 施方案。
具體實(shí)施方式
圖2所示的根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)的實(shí)施方案包括用于將燃料12 和氧化劑14轉(zhuǎn)化為重整產(chǎn)物16的重整器10。在此將諸如汽油或柴油的燃 料12通過燃料泵44送入重整器10。在此情況下將通過重整鼓風(fēng)機(jī)46送入 重整器10的空氣14用作氧化劑。將一部分由重整器10產(chǎn)生的重整產(chǎn)物16 送入燃料電池18或燃料電池堆垛，將送入燃料電池18的含氫的氣態(tài)重整 產(chǎn)物在燃料電池18中借助于通過燃料鼓風(fēng)機(jī)50送入的陰極空氣而轉(zhuǎn)化為 電流和熱量。在此情況下，將通過在燃料電池18中進(jìn)行轉(zhuǎn)化而貧化的重整 產(chǎn)物送入后燃燒器30，例如裝配有后燃燒器鼓風(fēng)機(jī)52的多孔燃燒器。重整器10包括重整燃燒器20，燃料12和氧化劑14被送入該重整燃燒 器20。此外，重整器10還包括裝配有燃料泵48的燃燒器催化劑22。在重 整燃燒器20與重整催化劑22之間設(shè)置有裝置24，通過該裝置可以將陽極 廢氣26送入由重整燃燒器20排出的煙氣。此外或者選擇性地，可以將重 整產(chǎn)物16和域來自后燃燒器30的廢氣28送入該煙氣，如點(diǎn)劃線所示。在 此情況下，裝置24由根據(jù)Venturi原理工作的噴射器32構(gòu)成。噴射器32 優(yōu)選能夠改變陽極廢氣26和/或重整產(chǎn)物16和/或后燃燒器的廢氣28的送 入量。特別是當(dāng)通過噴射器32引入不同的氣體時(shí)，可以有利地設(shè)置有一個(gè) 或多個(gè)閥門設(shè)備或鼓風(fēng)機(jī)(未示出)，通過它們可以調(diào)節(jié)各自送入的氣體的量。例如可以通過改變送入的陽極廢氣的量而影響重整器110內(nèi)的C/0比 例。雖然這不是絕對(duì)必需的，但是在所示實(shí)施方案中在噴射器32與重整催 化劑22之間設(shè)置有另一個(gè)燃燒器34，例如催化多孔燃燒器，從而反應(yīng)掉送 入另一個(gè)燃燒器34的氣體。由此在重整催化劑22的混合物形成區(qū)域內(nèi)存 在更低的氧含量，這有助于避免在重整催化劑中形成熱點(diǎn)。此外在使氫氣 氧化期間形成的高水含量有利于可能需要的燃料蒸發(fā)(例如在使用液體燃 料時(shí))。圖2所示的燃料電池系統(tǒng)的另一個(gè)任選的特征在于，首先調(diào)節(jié)由重整 催化劑22排出的重整產(chǎn)物16的溫度。為此設(shè)置有管線和熱交換器38的形 式的裝置36，其中熱交換器38將重整燃燒器20的廢熱傳遞至重整產(chǎn)物16， 以加熱該重整產(chǎn)物，從而使其具有對(duì)于后續(xù)的加工步驟最佳的溫度。若由 重整催化劑22排出的重整產(chǎn)物具有對(duì)于后續(xù)的加工步驟過高的溫度，則可 以通過適當(dāng)?shù)嘏帕泄芫€而冷卻由重整催化劑22排出的重整產(chǎn)物16。在此情 況下例如可以通過旁路(未示出)繞過熱交換器38。此外，在圖示的情況下，設(shè)置有能夠?qū)χ卣?0實(shí)施X控制的控制器 形式的裝置40。通過改變送入的燃料或空氣的量可以對(duì)重整器實(shí)施人控制， 實(shí)際的X值優(yōu)選由人探針(未示出)測得，并在控制時(shí)加以考慮。X控制特 別有利于從開始時(shí)避免在噴射器32的區(qū)域內(nèi)非期望地形成火焰，或者若這 應(yīng)是必需的，則任選加以終止。根據(jù)本發(fā)明的用于操作重整器的方法可用圖2所示的燃料電池系統(tǒng)以 如下方式加以實(shí)施設(shè)置有用于將燃料12和氧化劑14轉(zhuǎn)化為重整產(chǎn)物16 的重整器IO。在此重整器10包括重整燃燒器20和重整催化劑22。向重整 燃燒器20與重整催化劑22之間的區(qū)域42送入來自燃料電池18的陽極廢 氣26和/或重整產(chǎn)物16和/或來自設(shè)置在燃料電池18下游的后燃燒器30的 廢氣28。在此通過噴射器32送入氣體。通過另一個(gè)燃燒器22反應(yīng)掉由噴 射器32排出的氣體混合物。通過熱交換器38調(diào)節(jié)由重整催化劑22排出的 重整產(chǎn)物16的溫度，該熱交換器將由重整燃燒器20產(chǎn)生的廢熱傳遞至重整產(chǎn)物16。通過控制器形式的裝置40對(duì)重整器IO實(shí)施X控制。此外，將 噴射器32設(shè)計(jì)為用于改變經(jīng)其送入的氣體的量；任選可以為此設(shè)置其他的 閥門設(shè)備或鼓風(fēng)機(jī)等(未示出)。在上述說明、在附圖以及在權(quán)利要求書中所公開的本發(fā)明的特征以單 獨(dú)的以及以任意組合的方式對(duì)于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明都可以是重要的。附圖標(biāo)記10重整器44燃料泵12燃料46重整鼓風(fēng)機(jī)14氧化劑48燃料泵16重整產(chǎn)物50燃料電池鼓風(fēng)機(jī)18燃料電池52后燃燒器鼓風(fēng)機(jī)20重整燃燒器110重整器22重整催化劑112燃料24用于送入氣體的裝置114氧化劑26陽極廢氣116重整產(chǎn)物28廢氣118燃料電池30后燃燒器124噴射器32噴射器126陽極廢氣34其他燃燒器130后燃燒器36用于調(diào)節(jié)重整產(chǎn)物溫度的裝置144燃料泵38熱交換器146鼓風(fēng)機(jī)40控制器150燃料電池鼓風(fēng)機(jī)42區(qū)域152后燃燒器鼓風(fēng)機(jī)
權(quán)利要求
1、燃料電池系統(tǒng)，其包括用于將燃料(12)和氧化劑(14)轉(zhuǎn)化為重整產(chǎn)物(16)的重整器(10)和至少一個(gè)將該重整產(chǎn)物(16)送入其中的燃料電池(18)，其特征在于，該重整器(10)包括重整燃燒器(20)和重整催化劑(22)，在該重整燃燒器(20)與該重整催化劑(22)之間設(shè)置有用于送入來自燃料電池(18)的陽極廢氣(26)和/或送入重整產(chǎn)物(16)和/或送入來自設(shè)置在燃料電池(18)下游的后燃燒器(30)的廢氣(28)的裝置(24)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述用于送入來自 燃料電池(18)的陽極廢氣(26)和/或送入重整產(chǎn)物(16)和/或送入來自 設(shè)置在燃料電池(18)下游的后燃燒器(30)的廢氣(28)的裝置(24) 包括至少一個(gè)噴射器(32)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，在所述用于送 入來自燃料電池(18)的陽極廢氣(26)和/或送入重整產(chǎn)物(16)和/或送 入來自設(shè)置在燃料電池(18)下游的后燃燒器(30)的廢氣(28)的裝置(24)與重整催化劑(22)之間設(shè)置有用于反應(yīng)掉在此仍然存在的氣體的 裝置(34)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述用于反應(yīng)掉氣 體的裝置(34)包括燃燒器(34)，尤其是催化燃燒器(34)。
5、 根據(jù)前述權(quán)利要求之一的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，將以下組件 中的至少兩個(gè)熱耦合重整燃燒器(18)、重整催化劑(20)以及用于送入 來自燃料電池(18)的陽極廢氣(26)和/或送入重整產(chǎn)物(16)和/或送入 來自設(shè)置在燃料電池(18)下游的后燃燒器(30)的廢氣(28)的裝置(24)。
6、 根據(jù)前述權(quán)利要求之一的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，設(shè)置有用于調(diào)節(jié)由重整催化劑(22)排出的重整產(chǎn)物(16)的溫度的裝置(36)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述用于調(diào)節(jié)由 重整催化劑(20)排出的重整產(chǎn)物(16)的溫度的裝置(36)包括將由重 整器(10)產(chǎn)生的廢熱傳遞至由重整催化劑(22)排出的重整產(chǎn)物(16) 的熱交換器(38)。
8、 根據(jù)前述權(quán)利要求之一的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，設(shè)置有用 于對(duì)重整器(10)實(shí)施X控制的裝置(40)。
9、 根據(jù)前述權(quán)利要求之一的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，所述用于 送入來自燃料電池(18)的陽極廢氣(26)和/或送入重整產(chǎn)物(16)和/ 或送入來自設(shè)置在燃料電池(18)下游的后燃燒器(30)的廢氣(28)的 裝置(24)能夠進(jìn)行按計(jì)量送入。
10、 用于操作將燃料(12)和氧化劑(14)轉(zhuǎn)化為重整產(chǎn)物(16) 的重整器(10)的方法，其特征在于，向在重整燃燒器(20)與重整催 化劑(22)之間的區(qū)域(42)送入來自燃料電池(18)的陽極廢氣(26) 和/或重整產(chǎn)物(16)和/或來自設(shè)置在燃料電池(18)下游的后燃燒器(30) 的廢氣(28)。
11、 根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其特征在于，通過至少一個(gè)噴射器(32) 向所述區(qū)域(42)送入來自燃料電池(18)的陽極廢氣(26)和/或重整產(chǎn) 物(16)和/或來自設(shè)置在燃料電池(18)下游的后燃燒器(30)的廢氣(28)。
12、 根據(jù)權(quán)利要求10或11的方法，其特征在于，至少部分地反應(yīng)掉 在送入來自燃料電池(18)的陽極廢氣(26)和/或重整產(chǎn)物(16)和/或來自設(shè)置在燃料電池(18)下游的后燃燒器(30)的廢氣(28)之后仍然存 在的氣體。
13、 根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其特征在于，在燃燒器(34)中，特別 是在催化燃燒器(34)中，反應(yīng)掉在送入來自燃料電池(18)的陽極廢氣(26)和/或重整產(chǎn)物(16)和/或來自設(shè)置在燃料電池(18)下游的后燃燒 器(30)的廢氣(28)之后仍然存在的氣體。
14、 根據(jù)權(quán)利要求10至13之一的方法，其特征在于，調(diào)節(jié)由重整催 化劑(22)排出的重整產(chǎn)物(16)的溫度。
15、 根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其特征在于，通過熱交換器(38)調(diào)節(jié) 由重整催化劑(20)排出的重整產(chǎn)物(16)的溫度，該熱交換器(38)將 由重整器(10)產(chǎn)生的廢熱傳遞至由重整催化劑(22)排出的重整產(chǎn)物(16)。
16、 根據(jù)權(quán)利要求10至15之一的方法，其特征在于，對(duì)重整器(10) 實(shí)施X控制。
17、 根據(jù)權(quán)利要求10至16之一的方法，其特征在于，將來自燃料電 池(18)的陽極廢氣(26)和/或重整產(chǎn)物(16)和/或來自設(shè)置在燃料電池(18)下游的后燃燒器(30)的廢氣(28)按計(jì)量送入所述區(qū)域(42)。
全文摘要
本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)，其包括用于將燃料(12)和氧化劑(14)轉(zhuǎn)化為重整產(chǎn)物(16)的重整器(10)和至少一個(gè)將該重整產(chǎn)物(16)送入其中的燃料電池(18)。根據(jù)本發(fā)明，該重整器(10)包括重整燃燒器(20)和重整催化劑(22)，在該重整燃燒器(20)與該重整催化劑(22)之間設(shè)置有用于送入來自燃料電池(18)的陽極廢氣(26)和/或送入重整產(chǎn)物(16)和/或送入來自設(shè)置在燃料電池(18)下游的后燃燒器(30)的廢氣(28)的裝置(24)。本發(fā)明還涉及用于操作將燃料(12)和氧化劑(14)轉(zhuǎn)化為重整產(chǎn)物(16)的重整器(10)的方法。
文檔編號(hào)H01M8/06GK101292386SQ200680038526
公開日2008年10月22日 申請日期2006年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月16日
發(fā)明者S·克丁 申請人:艾納爾達(dá)公司