燃料电池系统的蒸发器技术方案

一种燃料电池系统，该系统包括燃料电池堆、用于将要被送过催化重整装置用于形成游离氢部分的甲醇和水的混合物蒸发的蒸发器。所述燃料电池堆是由许多质子交换膜燃料电池构成的，每个质子交换膜燃料电池具有阳极和阴极形式的用于传送电流的电极。该系统提供了使用预蒸发器用于蒸发液体燃料的增强的系统，所述预蒸发器部分地蒸发燃料，所述预蒸发器后面接有喷嘴，所述喷嘴在燃料通向最终的蒸发区域之前将燃料雾化成细小的薄雾。这种配置确保了该系统中最少的燃料聚集和快速的载荷转化。

Evaporator of a fuel cell system

A fuel cell system comprising a fuel cell stack and an evaporator for converting a mixture of methanol and water used to form a free hydrogen portion to be passed through a catalytic reforming device. The fuel cell stack is made up of many proton exchange membrane fuel cells, each of which has an anode and cathode electrode for transmitting the current. The system provides a system for enhanced evaporation of liquid fuel using a pre evaporator, the evaporator partially vaporized fuel behind the evaporator is connected with a nozzle, a fuel atomization fine mist before the nozzle to the final in the fuel evaporation region. This configuration ensures minimal fuel accumulation and rapid load conversion in the system.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体上涉及通过燃料电池产生电能的领域。更具体地，其涉及一种燃料电池系统，该系统包括燃料电池堆、用于将要被送过催化重整装置以便形成游离氢部分的甲醇和水的混合物蒸发的蒸发器，所述燃料电池堆是由许多质子交换膜燃料电池构成的，每个质子交换膜燃料电池具有呈阳极和阴极形式的用于传送电流的电极，游离氢和阳极接触形成离子形式的反应与电极之间的电流流量成比例。
技术介绍
在电化学中，燃料电池将原始燃料转化成电能和热量，并且只要持续提供原始燃料将持续产生。燃料电池的基本转化技术被熟知已经至少一个世纪，但是最新的改进和对燃料节省和环保技术的需求已经使其重获新生。此外，燃料电池技术对于在移动的或偏远的平台上供电和对于备份方案是有利的。简要的解释来说，使用质子交换膜技术，燃料电池需要提供氢气以使其沿着形成阳极的第一电极通过，并且提供氧气(一般直接用外界空气)以使其沿着形成阴极的第二电极通过。离子导电层(一般是包括铂和磷酸的聚合物薄膜)设置在这些电极之间。提供氢气和氧气，在电极之间产生电压，并且电流将能够在这些电极之间流动并对相连的耗电体供电。与电流的牵拉(draw)对应地，许多氢气和氧气分子将反应，随后当在排气装置中结合时，氢离子和氧将形成作为最终产品的水。此外，该系统会产生热量。因为必要的氧气供应是通过获取包含氧气的足够量的外界空气来实现的，所以利用燃料电池的总需求是要形成稳定且足够的氢气供应。供应氢气可以由小的或大的压力缸实现，但是氢气的分配和存放是关键的，因为氢气是高度易爆气体。增压氢气是相当耗能的，甚至增压形式的氢气也占据相对多的空间。一个更好的解决方案是通过将更稳定形式的燃料转化成包含大量氢气的合成气体(下文中称作合成气)来就地直接产生氢气。注意到使用甲醇来产生包含氢气的合成气的工艺在其开始分配时是显然有利的。该技术描述了高低温燃料电池堆，其中120摄氏度的温度是通常理解的技术之间的分界温度。更具体地，低温系统通常工作在大约70摄氏度的温度区域内，高温系统通常工作在大约160摄氏度的温度区域内。然而，对于这两种技术，应用这种工艺需要用于处理燃料和供应包含游离氢的合成气的重整装置。被处理的燃料是甲醇水溶液，下文中称作液体燃料。在第一阶段中，加热器使液体燃料蒸发并将气体运送到所述重整装置。所述重整装置包括含有铜的催化剂，其除了加热之外，还将液体燃料转化成主要由氢气组成的合成气，该合成气具有相对大的二氧化碳含量和少量的水雾和一氧化碳。该合成气可以直接用作用于向燃料电池供应燃料的燃料源。DanthermEnergy的WO2010/022732描述了一种燃料电池系统，其特征在于，一蒸发器，该蒸发器用于将燃料蒸发成要被运送到重整装置的气体。该蒸发器的特征在于一Z字形蒸发器通道，该通道由燃料电池系统的废气加热。如此，该特征解决了蒸发液体燃料的技术问题，但是却留下了如下所述的一些未解决的缺点。调节燃料电池电能生产的其中一个挑战是要实现对输入该系统中的燃料的快速响应。如果该系统太慢而不能对额外的电场效应的突然需求进行响应，那它就不是令人满意的。研究发现该系统的调节速度高度取决于该系统如何快速且有效地加热和蒸发供应到该系统的流体燃料。如果该系统不能快速产生合成气，调节就会减慢，大量流体燃料会形成于蒸发器中。蒸发器中存在流体燃料将会导致燃料电池系统的慢的调节，并且在希望下调电场效应的情况下导致燃料浪费。JP62-46902(A)解决了该主题，并且建议设计为螺旋管的蒸发通道沿着管的行进具有增大的横截面。这样，其使受热的液体燃料能够膨胀成气体，因此在传送到燃料电池堆之前防止压力太高以使气体凝结回液体。然而，这种构造(buildup)没有完全解决实现所存在的快速调节的问题。优化蒸发器的一种方式可以是通过使用喷雾器单元或喷射泵用于将液体燃料注射到用于蒸发的蒸发器中，正如在DE2157722C2中建议的。然而，喷雾器单元依靠恒定压力，这样将需要存在压缩机。这样甚至会使该系统更复杂和昂贵，压缩机将会需要恒定的能量供应，这将影响该系统的总效率。因此，考虑到提供将液体燃料完全蒸发成气体的蒸发器的挑战，在开始设计该蒸发器时，需要一种改进使其具有对液体燃料的供应进行快速响应的调节能力，而没有现有技术中的所解释的缺点。
技术实现思路
本专利技术的总体目的是提供一种燃料电池系统，其具有避免燃料集聚在该系统中的调节能力并且具有快速加载转换的特征。根据本专利技术，这是通过添加正如权利要求1中解释的燃料电池系统中的蒸发器的技术特征实现的。更具体地，该燃料电池系统包括：燃料电池堆、催化重整装置、用于将待被供应通过所述催化重整装置以产生游离氢部分的甲醇和水的混合物进行蒸发的蒸发器，该燃料电池堆由许多质子交换膜燃料电池构成，每个质子交换膜燃料电池具有呈用于传送电流的阳极和阴极形式的电极，游离氢和阳极接触形成离子形式的反应与电极之间的电流流量成比例，其中所述蒸发器包括用作预蒸发器的第一部分，该预蒸发器特别适于接收液体燃料并且便于部分地蒸发液体燃料和将液体燃料分离成液滴、微滴和薄雾。更具体地，这是通过将所述预蒸发器形成为井状腔体来实现的，流体燃料由于重力可以溅落到所述腔体中并且被分成碎状部分。因此该方法和设计与建议形成蜗形或Z字形路径通道且其中的路径主要布置在水平方向上的现有蒸发器设计非常不同。因此，现有设计蒸发成气体主要是通过加热一致量的流体燃料实现的，不是通过正如由所述预蒸发器实现的将流体燃料机械分离成更小的碎状部分(比如微滴、薄雾和气体)来实现的。更明确地，所述腔体布置有形状基本竖向的壁或者各种形状的壁以便于提供更大表面积的壁。这些壁可以成形有用于在所述液体燃料沿着这些壁飘落或者溅落通过所述腔体时将液体燃料分离成液滴、微滴和薄雾的边缘或下垂突出部。调查显示蒸发器的第一阶段，即入口部段的效率对蒸发器的总体性能和调节燃料电池系统的能力具有大的影响。因此，提供形成蒸发器的改进的入口部段的预蒸发器替代用于使流体燃料雾化的喷射泵将有助于解决所概述的技术问题。在一个实施方式中，所述预蒸发器形成为一腔体，该腔体具有成形为使得竖向延伸的壁为远离直的竖向线倾斜的壁。因此，它们形成了一通道，由于重力而进入该通道的液体燃料的液滴从壁到壁跳飞，将液体燃料的液体雾化并蒸发成小滴、微滴和薄雾。换言之，所述预蒸发器中路径的取向在正常的操作中成形为基本竖向的，但是具有从顶部到底部稍微倾斜的壁。应该理解的是，上面提到的取向是在燃料电池系统在正常的旨在操作的方位上取向的情况下相对于水平取向描述的。因为蒸发过程需要热量，所以这些壁进一步地适于用作加热元件以便于增强该蒸发过程。选择导热材料便于加热。此外，这些壁的加热是依靠经受来自于附连的热交换相邻模块的热传递的表面的延伸部分实现的。在另一个实施方式中，伸入到所述通道中的形成加热元件的杆布置在所述预蒸发器的腔体中。该形成加热元件的杆可以在与所述预蒸发器的腔体交叉的所有方向上突伸。包括所述预蒸发器和所述蒸发器的蒸发器模块在可以意识到的实施方式中布置为夹心模块，使得可以从两侧提供热能。更具体地，该夹心模块布置成在至少一侧上施加加热元件，被加热的该加热元件经受来自于已经通过燃料电池堆的冷却装置的制冷剂流的热量和/或经受从排气系统传递的热量。在一个实施方式本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池系统，包括：‑燃料电池堆；‑催化重整装置；‑蒸发器，所述蒸发器用于将要被输送通过催化重整装置以便产生游离氢的部分的甲醇和水的混合物蒸发；‑所述燃料电池堆是由多个质子交换膜燃料电池构成的，每个质子交换膜燃料电池具有呈阳极和阴极形式的用于传送电流的电极，游离氢和阳极接触形成离子形式的反应与电极之间的电流流量成比例；‑所述蒸发器包括用作用于接收液体燃料的预蒸发器的第一部段，其特征在于，所述预蒸发器形成为井状腔体，流体燃料由于重力能够溅落到该腔体中并且被分成碎状部分，从而便于部分地蒸发液体燃料并将液体燃料分成液滴、微滴和薄雾。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.07.16 DK PA2014003851.一种燃料电池系统，包括：-燃料电池堆；-催化重整装置；-蒸发器，所述蒸发器用于将要被输送通过催化重整装置以便产生游离氢的部分的甲醇和水的混合物蒸发；-所述燃料电池堆是由多个质子交换膜燃料电池构成的，每个质子交换膜燃料电池具有呈阳极和阴极形式的用于传送电流的电极，游离氢和阳极接触形成离子形式的反应与电极之间的电流流量成比例；-所述蒸发器包括用作用于接收液体燃料的预蒸发器的第一部段，其特征在于，所述预蒸发器形成为井状腔体，流体燃料由于重力能够溅落到该腔体中并且被分成碎状部分，从而便于部分地蒸发液体燃料并将液体燃料分成液滴、微滴和薄雾。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述预蒸发器的腔体的壁成形为使得竖向延伸的这些壁远离笔直的竖向线倾斜。3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述预蒸发器的腔体的壁进一步地适于用作加热元件。4.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，在所述预蒸发器的腔体中布置有突伸的杆状加热元件。5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述杆状加热元件的形状能够是具有多个边的，从三角形到多边形，直到达到大致圆形形状。6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述杆状加热元件的边的形状能够从平坦的形式变化到弯曲的或凹入的形式。7.根据权利要求4所述的系统，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·邦，A·R·科尔斯戈德，
申请(专利权)人：喜能源私人有限公司，
类型：发明
国别省市：丹麦;DK