專利名稱：燃料電池系統(tǒng)的制作方法
燃料電池系統(tǒng)
背景技術(shù)：
燃料電池系統(tǒng)被用于將液態(tài)燃料和氣態(tài)燃料的能量轉(zhuǎn)化成電流和 熱。能量的轉(zhuǎn)化無(wú)聲地發(fā)生在燃料電池中，并且在將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能
期間具有介于50%和60%之間的效率比，這取決于電池中所選擇的電流密 度。與由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的電流發(fā)生器相比，其優(yōu)點(diǎn)在于，在為遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)供 電以及^fL的電-熱耦合所需的小輸出的情況下在kW范圍內(nèi)特別高效。因 此，開(kāi)發(fā)燃料電池系統(tǒng)的工作已在世界范圍內(nèi)完成，但是，直到現(xiàn)在市 場(chǎng)上仍沒(méi)有任何突破。
其原因主要是制造完整的、非常復(fù)雜的系統(tǒng)的高昂成本。這個(gè)系 統(tǒng)包括用重整器處理燃料(使用所謂的燃料處理器)、燃料電池堆以及 外圍部件，例如熱交換器、泵、閥和用于自動(dòng)搮作的電子設(shè)備。
裝備有聚合物膜并被設(shè)計(jì)用于高達(dá)大約8(TC工作溫度的PEM燃料電 池，要求重整物的CO精細(xì)洗滌達(dá)到ppm范圍，并為保持陰極空氣的濕度 而需要昂貴的水管理。在這種情況下，用于蒸汽重整器的處理用水可能 不能用電池堆的廢熱來(lái)蒸發(fā)，因?yàn)閷?duì)此來(lái)說(shuō)溫度太低了。
文件WO 2005/084771 A2描述了緊湊型重整器，具有集成的蒸發(fā)器。 這能夠^1用于高達(dá)80%的效率比的重整。如果考慮到由輔助組件例如泵、 鼓風(fēng)機(jī)以及電流傳感器而帶來(lái)的10%到15%的總發(fā)電的損失，作為結(jié)果而 得到的整個(gè)系統(tǒng)的電效率比為35%到40% 。
考慮最近才面世的、在120。C到200。C的溫度下工作的高溫PEM電池 (由PEMEASund Pat發(fā)表)，可省略CO精細(xì)洗滌和水管理，從而允許 對(duì)過(guò)程進(jìn)行相當(dāng)大的簡(jiǎn)化。另外，電池堆的廢熱可被用于處理用水的蒸 發(fā)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是基于高溫電池進(jìn)一步簡(jiǎn)化整個(gè)過(guò)程，以降低生產(chǎn) 成本并提供更安全的自動(dòng)操作。這樣一來(lái)，整個(gè)系統(tǒng)的電效率比應(yīng)不 會(huì)降低到低于35%到40%的水平，如果可能的話，甚至更高。
使用根據(jù)權(quán)利要求l的特征的燃料電池系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了這個(gè)目的。高溫堆以及優(yōu)選的轉(zhuǎn)化站或轉(zhuǎn)化反應(yīng)器也直接接觸蒸發(fā)管道而被 冷卻并在蒸汽壓力的幫助下被恒溫控制。從而，至少堆的廢熱以及， 可選擇地，轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的廢熱被利用，從而提供了效率比。
減小了裝置的尺寸和復(fù)雜性。除堆和重整器之外，僅僅還必需鼓 風(fēng)機(jī)、水泵、冷凝器以及若干閥和配件。不需要獨(dú)立加熱的蒸汽發(fā)生 器。
過(guò)程控制和過(guò)程監(jiān)控特別地簡(jiǎn)單。只有一個(gè)用于重整器的溫度的 控制電路.至于燃料、空氣和水的質(zhì)量流量，粗略的比例控制已經(jīng)足 夠。
整個(gè)系統(tǒng)的電效率比高于現(xiàn)有技術(shù)中的系統(tǒng)。與蒸汽發(fā)生器結(jié)合，
可以達(dá)到高于40%的電效率比，在使用熱自動(dòng)補(bǔ)償?shù)闹卣鲿r(shí)，可以 達(dá)到35%。在這兩種情況下，電流和熱的總效率比大約為100%。


附圖中的各圖示出了本發(fā)明的示例性實(shí)施例。附圖旨在補(bǔ)充描述。 其中
圖l為根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的示例實(shí)施例的示意圖，以及 圖2為根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的修改后的實(shí)施例，
具體實(shí)施方式
根據(jù)圖l的實(shí)例
為了產(chǎn)生電能，提供了燃料電池堆l，所述堆在高于100°<:的溫度 下工作，優(yōu)選地在大約12(TC下工作，采用堆l的廢熱來(lái)產(chǎn)生用于重整 器的蒸汽，采用蒸汽壓力將所述堆恒溫控制在所期望的溫度下。這由 蒸發(fā)管道2和壓力閥16來(lái)實(shí)現(xiàn)，蒸發(fā)管道2，例如，具有一個(gè)(或多個(gè)) 蒸發(fā)器管的形式，例如，配置成盤管，直接布置在堆l上，壓力閥16， 位于如此產(chǎn)生的蒸發(fā)器的出口處。在最簡(jiǎn)單的情況下，例如，在恒定 輸出的情況下，壓力閥為可調(diào)節(jié)閥。在改變負(fù)栽的情況下，所述閥為， 例如，彈簧偏置的保壓閥?？商娲兀绱藰?gòu)造的保壓設(shè)備也可以由 具有電子控制器的受控閥表示.
因?yàn)槎训臏囟鹊淖詣?dòng)控制僅經(jīng)由濕蒸汽區(qū)域中的蒸汽壓力而進(jìn) 行，所以被提供用來(lái)供應(yīng)蒸發(fā)管道2的泵8將更多的水填充到蒸發(fā)器中，即，填充到為冷卻蒸汽所必需的蒸發(fā)管道2中。形成了水/蒸汽混合物。 過(guò)量的水在位于保壓閥16下游的分離器15中被分離。在分離器15中被 分離的水返回到緩沖容器9中。
由堆產(chǎn)生的蒸汽的量與在堆中轉(zhuǎn)換的能量成比例(從而也與產(chǎn)生 的電功率成比例)并導(dǎo)致大約為5的S/C (蒸汽/碳)比。與通常為3的比 值相比，該高的蒸汽過(guò)剩量正面影響了過(guò)程的安全，但并未負(fù)面影響 效率比。
水的蒸發(fā)要求堆l具有最低限溫度。因此，堆l優(yōu)選地保持在備用 模式下的溫度。這由真空絕熱容器3實(shí)現(xiàn)，在真空絕熱容器3中堆與加 熱器4布置在一起。
在重整之后，在高溫堆中重整物的CO含量必須從8到12vol.o/o降低 到大約1 vol.%，這通過(guò)在20(fC附近的溫度范圍內(nèi)發(fā)生放熱的催化轉(zhuǎn)化 反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。正常來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)化反應(yīng)器為重整器的組成部分(見(jiàn)WO 2005/084771 )。本發(fā)明卻背離了這個(gè)原理.這個(gè)溫度范圍與堆l的溫度 范圍重疊。例如，所述溫度范圍在160°到200°,因此，優(yōu)選的是，與蒸 發(fā)管道6連通的轉(zhuǎn)化反應(yīng)器5被設(shè)立到堆1的熱容器中。這樣，當(dāng)加熱器 4處于備用模式時(shí)，它也準(zhǔn)備好在工作溫度下工作。另外，蒸發(fā)器管2 和6可串聯(lián)連接，使得水/蒸汽可順次地流過(guò)它們.
蒸汽噴射泵17可被連接到保壓閥16以填充所迷泵。使用這個(gè)泵并 經(jīng)由連接到所述泵的吸入連接器的閥15而將燃料吸入，從而使得燃料 泵不是必要的。蒸汽噴射泵在它的出口處噴射蒸汽/燃料混合物。這個(gè) 混合物經(jīng)熱交換器20供應(yīng)給重整器23,在熱交換器20處混合物被進(jìn)一 步加熱。熱交換器20由所產(chǎn)生的重整物的熱量所加熱。
參看根據(jù)圖l的蒸汽重整器，以下部件位于絕熱容器21中
一重整反應(yīng)器23，被間接加熱并填充催化刑，
—燃燒室24，根據(jù)無(wú)焰氧化(FLOX)的原理方便地工作以避免形 成熱NOX，
—熱交換器20，在其中由噴射泵17所噴射的燃料/蒸汽混合物被預(yù) 熱，且優(yōu)選地逆流于向外流動(dòng)的重整物，以及
一熱交換器19，被用于預(yù)熱由鼓風(fēng)機(jī)13輸送的助燃空氣以及主要 由燃料電池l的殘留氣體組成的可燃?xì)怏w，優(yōu)選地逆流于燃燒室24的排 氣。如果熱交換器19和20使用高效的逆流裝置，重整器的效率比高于 90%，從而比重整器具有用于低溫堆的集成蒸發(fā)器的情況高了10%。
重整物被引導(dǎo)到轉(zhuǎn)化反應(yīng)器5中并隨后進(jìn)入堆1中。從堆排出的殘 留氣體仍包含15%到25%的重整物的能量含量。這還不足以用來(lái)加熱重 整物，這就是重整物能夠經(jīng)閥18返回燃燒室24的原因。
燃燒室24的排氣以及堆1的排出空氣在冷凝器11中冷卻到冷凝溫 度以關(guān)閉水回路。這導(dǎo)致系統(tǒng)用于電流和熱的總效率比為大約100%， 相對(duì)于較低的熱值(所謂的熱值操作).連接到冷凝器ll的是熱解耦 器，熱解耦器可被用于分流熱輸出，例如，用于加熱建筑物。
具有控制器設(shè)備25的整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)控制特別簡(jiǎn)單。取決于系統(tǒng) 是使用電流還是使用熱作為栽體來(lái)工作，分接電流信號(hào)7或用于熱解耦 的信號(hào)12^皮用于近似成比例地
—用閥14改變?nèi)剂瞎┙o，
一用鼓風(fēng)機(jī)13改變空氣，以及/或 —用泵8改變水量。
質(zhì)量流量的確切比值并不削弱過(guò)程的安全性，因?yàn)樗贿^(guò)量傳送， 同樣，空氣量也并不關(guān)鍵。系統(tǒng)的電效率比僅受到非實(shí)質(zhì)性的影響。 同樣，因?yàn)榕艢獗焕鋮s到凝結(jié)，總的效率比非常好。
包括溫度傳感器22和閥18的蒸汽重整器的溫度控制代表唯一需要 的控制電路。
根據(jù)圖2的實(shí)例
可以將根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)與熱自動(dòng)補(bǔ)償?shù)闹卣髀?lián)接。 使用同樣的參考標(biāo)記作為基礎(chǔ)，前面的描迷是可適用的。另外，下面 也是可適用的。燃料的熱自動(dòng)補(bǔ)償重整，與蒸汽重整相比，具有一定 的優(yōu)勢(shì)，例如
—緊湊的設(shè)計(jì)，因?yàn)闆](méi)有間接的熱傳遞， —短暫的啟動(dòng)時(shí)間，以及
一無(wú)碳運(yùn)轉(zhuǎn)，即使采用更高分子量的(更長(zhǎng)的鏈)碳?xì)?化合物作為燃料，例如，油。
但是，不足之處在于，具有15%到25%的能量含量的堆1的殘留氣 體不能被用于重整。在相同程度上，電效率比下降。但是，總效率比保持為100%，這是因?yàn)檫\(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)生在冷凝模式下， 圖2的描述與圖1中的一致，僅具有下列不同
熱自動(dòng)補(bǔ)償重整器包括反應(yīng)室26以及熱交換器27，以使用向外流 動(dòng)的重整物來(lái)預(yù)熱蒸汽/燃料混合物和空氣。反應(yīng)器26中的溫度由傳感 器22和空氣閥28控制。由堆冷卻器輸送的大量過(guò)剩蒸汽有益于過(guò)程的 安全性，特別是當(dāng)使用難處理的燃料(油，等等)時(shí)。當(dāng)熱交換器27 為高效逆流裝置時(shí)，重整器的效率比高于卯％.在堆中沒(méi)有反應(yīng)掉的 殘留氣體與空氣在二次燃燒室29中燃燒并隨后被輸送到冷凝器11中。
最重要的優(yōu)點(diǎn)為
—高溫堆，以及轉(zhuǎn)化站也在蒸汽壓力的幫助下直接與蒸發(fā)管道接 觸以方便地被恒溫控制。
一裝置的尺寸被減小。除堆和重整器之外，只再需要鼓風(fēng)機(jī)、水 泵、冷凝器以及若干閥和配件。
—過(guò)程控制和過(guò)程監(jiān)測(cè)特別簡(jiǎn)單。只有一個(gè)用于控制重整器的溫 度的電路。粗略的比例控制對(duì)于燃料、水和空氣的質(zhì)量流量就足夠了，
整個(gè)系統(tǒng)的電效率比高于現(xiàn)有技術(shù)中的系統(tǒng)，與蒸汽重整器結(jié)合， 可實(shí)現(xiàn)高于40%的電效率比，與熱自動(dòng)補(bǔ)償?shù)闹卣鹘Y(jié)合可實(shí)現(xiàn)高于 35%的電效率比。在這兩種情況下，電流和熱的總效率比大約為100%,
為了實(shí)現(xiàn)重整，蒸汽/燃料比，即所謂的蒸汽/碳比或S/C比，必須 被控制，例如，考慮蒸汽重整，為大約S/C-3。與輸出無(wú)關(guān)的是，燃料 電池輸送能量，即，大約一半為電流， 一半為廢熱。如果廢熱被用于 產(chǎn)生蒸汽，可得到大約為5的S/C比。事實(shí)上，這比所要求的要高，但 是，沒(méi)有必要對(duì)質(zhì)量流量進(jìn)行測(cè)量和控制。
因此，例如，用10bar的蒸汽壓力將堆的溫度恒溫控制在大約160。C 到180"C的溫度，即，與輸出無(wú)關(guān)。這可用簡(jiǎn)單的保壓閥實(shí)現(xiàn).
根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)被用于從液態(tài)燃料和氣態(tài)燃料中產(chǎn)生 電流和熱。所述系統(tǒng)包括重整器和燃料電池堆，燃料電池堆的工作溫 度高于120"C，并提供用于在蒸發(fā)管道2中產(chǎn)生蒸汽的廢熱。蒸發(fā)管道2 被布置成與待冷卻的堆l直接熱接觸。在蒸發(fā)管道2的出口處的保壓設(shè) 備被設(shè)置成將所述管道中的壓力調(diào)節(jié)到可導(dǎo)致所期望的堆的溫度的 值。
權(quán)利要求
1. 一種燃料電池系統(tǒng)，用于從液態(tài)燃料和氣態(tài)燃料產(chǎn)生電流和熱，所述系統(tǒng)包括重整器以及燃料電池堆，燃料電池堆具有高于120℃的工作溫度并提供用于在蒸發(fā)管道(2)中產(chǎn)生蒸汽的廢熱，其特征在于—蒸發(fā)管道(2)被布置成與待冷卻的堆(1)直接熱接觸，以及—在蒸發(fā)管道(2)出口處的保壓設(shè)備，被設(shè)置成將所述管道中的壓力調(diào)節(jié)到導(dǎo)致所期望的堆的溫度的值。
2. 權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，特征在于，保壓設(shè)備包括保壓閥(16)，由此水分離器(15)設(shè)立在所述保壓閥的上游。
3. 權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，特征在于，堆(1)與備用加熱器(4)被封套在真空絕熱容器(3)中。
4. 權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，特征在于，轉(zhuǎn)化反應(yīng)器(5)也被蒸汽加熱或冷卻，特征還在于，所述反應(yīng)器與蒸發(fā)管道(6)傳熱聯(lián)接。
5. 權(quán)利要求4的燃料電池系統(tǒng)，特征在于，蒸發(fā)管道(6)被保壓設(shè)備(16)溫度控制，優(yōu)選地被恒溫控制。
6. 權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，特征在于，轉(zhuǎn)化反應(yīng)器(5)容納在真空絕熱容器(3)中。
7. 權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，特征在于，保壓設(shè)備包括保壓閥(16)，特征還在于，在保壓閥(16)的下游，噴射泵(17)設(shè)置成為重整器吸入流體。
8. 權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，特征在于，控制設(shè)備(25)用閥(14)來(lái)改變?nèi)剂系馁|(zhì)量流量，用鼓風(fēng)機(jī)(13)來(lái)改變空氣的質(zhì)量流量，并用泵(8)來(lái)改變水的質(zhì)量流量，按照需要以近似成比例的方式進(jìn)行。
9. 權(quán)利要求1的燃料電池系統(tǒng)，特征在于，重整器是采用間接加熱的蒸汽重整器(圖l),
10. 權(quán)利要求I的燃料電池系統(tǒng)，特征在于，重整器為熱自動(dòng)補(bǔ)償?shù)闹卣?圖2)。
11. 一種從液態(tài)燃料和氣態(tài)燃料中產(chǎn)生電流和熱的方法，包括重整器和燃料電池堆，燃料電池堆具有高于120"C的工作溫度，并提供用于產(chǎn)生蒸汽的廢熱，特征在于一堆(1)被冷卻，其中蒸發(fā)管道(2)被布置成與待冷卻的堆(1)直接熱接觸，以及在于—在蒸發(fā)管道(2)出口處的保壓設(shè)備，被設(shè)置成將所述管道中的壓力調(diào)節(jié)到導(dǎo)致所期望的堆的溫度的值。
12. 權(quán)利要求11的方法，特征在于，轉(zhuǎn)化反應(yīng)器(5)也被蒸汽加熱或冷卻，特征還在于，所述反應(yīng)器與蒸發(fā)管道(6)傳熱聯(lián)接。
13. 權(quán)利要求12的方法，特征在于，蒸發(fā)管道(6)被保壓設(shè)備(16)溫度控制，優(yōu)選地被恒溫控制。
14. 權(quán)利要求11的方法，特征在于，借助于噴射泵將產(chǎn)生的蒸汽與燃料混合以用于重整器.
15. 權(quán)利要求11的方法，特征在于，控制設(shè)備(25)用閥(14)改變?nèi)剂系馁|(zhì)量流量，用鼓風(fēng)機(jī)(13)改變空氣的質(zhì)量流量，并用泵(8)改變水的質(zhì)量流量，按照需要以近似成比例的方式進(jìn)行。
16. —種從液態(tài)燃料和氣態(tài)燃料中產(chǎn)生電流和熱的方法，包括重整器和燃料電池堆，由此，通過(guò)利用堆的廢熱向重整器提供蒸汽，來(lái)自動(dòng)控制和/或調(diào)節(jié)蒸汽/燃料比(S/C比)。
17. 權(quán)利要求16的方法，特征在于，堆的溫度被濕蒸汽的溫度自動(dòng)控制。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)用來(lái)從液態(tài)燃料和氣態(tài)燃料中產(chǎn)生電和熱。它具有重整器和燃料電池堆，燃料電池堆的工作溫度高于120℃并且它的廢熱被用于在蒸發(fā)管道(2)中產(chǎn)生水蒸汽。蒸發(fā)管道(2)被布置成與待冷卻的堆(1)直接熱接觸。借助于在蒸發(fā)管道(2)出口處的保壓設(shè)備，所述蒸發(fā)管道(2)中的壓力被設(shè)置為產(chǎn)生所期望的堆的溫度的值。
文檔編號(hào)H01M8/04GK101536227SQ200780037260
公開(kāi)日2009年9月16日 申請(qǐng)日期2007年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月5日
發(fā)明者H·-P·施米德, J·A·武寧 申請(qǐng)人:Ws改革者有限責(zé)任公司