快速加热燃料电池系统的方法技术方案

本发明专利技术涉及一种加热机动车(1000)用燃料电池系统(100a)的方法，燃料电池系统具有：包括阳极部(2)和阴极部(3)的燃料电池堆(1)、用于使燃料‑水混合物蒸发的至少一个蒸发器(4)、用于重整蒸发的燃料‑水混合物以用在燃料电池堆(1)阳极部(2)中的重整器(5)、和用于燃烧含燃料流体的至少一个燃烧器(6)，其中，重整器(5)尤其是布置在至少一个蒸发器(4)的下游，至少一个燃烧器(6)尤其是布置在至少一个蒸发器(4)的上游，至少一个燃烧器(6)与至少一个蒸发器(4)流体连通以将在至少一个燃烧器(6)中燃烧的含燃料流体从至少一个燃烧器(6)供给至少一个蒸发器(4)，在至少一个蒸发器(4)的上游设有用于给至少一个蒸发器(4)提供燃料‑水混合物的燃料‑水混合物源(7)。本发明专利技术还涉及这种燃料电池系统(100a)以及一种具有燃料电池系统(100a)的机动车(1000)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】快速加热燃料电池系统的方法
本专利技术涉及一种加热燃料电池系统的方法、一种燃料电池系统且尤其是SOFC系统以及一种具有燃料电池系统的机动车。
技术介绍
一般，燃料电池系统必须在其能被用来产生电流之前被置于工作温度。此时在燃料电池系统起动时要注意使阳极部不接触氧气或仅尽量少地接触氧气，因为这会导致阳极部受损和燃料电池系统的相应功能减弱。为了在燃料电池系统起动时防止在阳极部处有氧气，就像例如从US2010/0203405A1中知道地，阳极部在燃料电池系统起动期间被水冲扫。为了做到这一点，在燃料电池系统内安装专门为此设置的水箱或者高成本的水回收系统，其从来自燃料电池堆的废气中回收水。两种解决方案在实践中被证明是不令人满意的。
技术实现思路
本专利技术的任务是至少部分考虑前述的问题。本专利技术的任务尤其是提供一种燃料电池系统、一种机动车以及一种方法，借此可通过可靠且尤其保护阳极部的方式实现燃料电池系统的或燃料电池系统所选功能部件的快速加热。前述任务通过权利要求书完成。尤其是，前述任务通过根据权利要求1的方法、根据权利要求14的燃料电池系统以及根据权利要求29的机动车来完成。本专利技术的其它优点来自从属权利要求、说明书和附图。在此，关于方法所描述的特征和细节显然也关于本专利技术的燃料电池系统、本专利技术的机动车是适用的，反之亦然，从而与针对各自专利技术方面的公开相关地总是相互参照或可相互参照。根据本专利技术的第一方面，提出一种用于加热燃料电池系统的方法。该燃料电池系统具有：包括阳极部和阴极部的燃料电池堆、用于使燃料-水混合物蒸发的至少一个蒸发器、用于重整蒸发的燃料-水混合物以用在该燃料电池堆阳极部中的重整器、和用于燃烧含燃料流体的至少一个燃烧器。该重整器优选布置在该至少一个蒸发器的下游，该至少一个燃烧器最好布置在该至少一个蒸发器的上游。该至少一个燃烧器与该至少一个蒸发器流体连通，以将在该至少一个燃烧器中燃烧的含燃料流体从该至少一个燃烧器供应至该至少一个蒸发器。在该至少一个蒸发器的上游设置用于给该至少一个蒸发器提供燃料-水混合物的燃料-水混合物源。该方法具有以下步骤：-将至少一个蒸发器和/或至少一个蒸发器内的流体加热至理想温度或更高温度，-一旦该至少一个蒸发器达到了该理想温度或高于该温度，就将燃料-水混合物从燃料-水混合物源供应至该至少一个蒸发器，-将通过该至少一个蒸发器被蒸发的燃料-水混合物从已达到理想温度或高于该温度的至少一个蒸发器供应至该重整器以重整蒸发的燃料-水混合物，和-将重整后的燃料-水混合物供应至处于停用工作状态的阳极部，在停用工作状态下没有通过燃料电池堆产生电流。通过本专利技术的方法，可以获得燃料电池系统的加热、尤其是对至少一个蒸发器以及对重整器和阳极部的加热，而阳极部接收重整后的燃料-水混合物，由此能被可靠保护以避免氧气或至少避免接受过多的氧气。同时，燃料电池堆且尤其是阳极部被加热。另外，通过根据本专利技术地将被加热和蒸发的燃料-水混合物从燃料-水混合物源输送至阳极部，燃料电池系统可以被快速加热。理想温度尤其取决于被蒸发或可被蒸发的液态燃料量或液态燃料-水混合物的量。作为燃料，在燃料-水混合物中最好采用含碳燃料例如甲烷。该燃料也可以由预混的乙醇-水混合物构成。或者，也可以设置两个容器用于水和乙醇，在这里，这两种燃料成分在晚些时刻相互混合。在重整器之中或之处，燃料-水混合物可以在此情况下被重整成甲烷、氢气、一氧化碳和二氧化碳。在重整过程后，尤其优选只存在氢气和甲烷。这些物质在阳极部之处或之内一般是无问题的，并且例如可以在废气燃烧器或二次燃烧器中或通过涂覆部件被燃烧。此外，尤其是氢气和甲烷可以在阳极部的下游被用来进一步加热该燃料电池系统或燃料电池系统的所选系统部件，该阳极部如前所述地配置成暂时不产生电流。该方法尤其是配置用于加热SOFC系统。该燃料-水混合物源可以具有一个或多个燃料-水混合物存储器或被设计成所述燃料-水混合物存储器。蒸发器可以通过加热装置被加热或升温。加热装置可以具有电加热部件和/或氧化加热部件。也可能有利的是，重整器和/或蒸发器机械连接至燃烧器，从而重整器和/或蒸发器通过热传导被燃烧器加热或可被加热。由此，燃料电池系统部件的加热过程的效率被进一步提高。即，燃烧器也可以设计成具有重整器和/或蒸发器作为(多级)一体部件。此时可以放弃用于重整器或蒸发器的放热反应的催化涂覆。“将流体从燃料电池系统的一系统部件供应至燃料电池系统的另一个系统部件”是指从一系统部件输送各自流体至另一系统部件之处或之中。当燃料-水混合物例如从燃料-水混合物源被送至该至少一个蒸发器时，燃料-水混合物可以例如与至少一个蒸发器热相互作用地且环绕至少一个蒸发器地被送入至少一个蒸发器或者送至至少一个蒸发器。为了引导或输送各自流体，在燃料电池系统中形成合适的输送装置。另外，燃料电池系统的各自部件如此相互接触，即，热能可相互传递。尤其是，流体此时被蒸发并且进行放热反应，从而所述部件被加热和/或可保持于理想温度。“将燃料-水混合物从燃料-水混合物源供应给至少一个蒸发器”是指该燃料-水混合物至少部分从燃料-水混合物源被供应至该至少一个蒸发器。“将通过至少一个蒸发器被蒸发的燃料-水混合物从至少一个蒸发器供应至重整器”是指，通过至少一个蒸发器被蒸发的燃料-水混合物至少部分从至少一个蒸发器被送至重整器。“蒸发的燃料-水混合物的重整”是指蒸发的燃料-水混合物至少部分被重整。一旦燃料电池系统或燃料电池系统的所选系统部件达到了期望工作温度，燃料电池系统和进而还有阳极部被切换到激活工作状态，在此状态中在采用重整后的氢气情况下产生电流。“本专利技术的一部件布置在本专利技术的另一个部件的下游或上游”是指，一部件直接或间接(即或许通过其它功能部件相互分开地)布置在另一个部件的上游或下游。此外在这样的布置中，最好在各自部件之间形成流体连通。附加地或替代地有利的是，这些部件相互机械连接以实现在它们之间的热传递。根据本专利技术的一个改进方案而可行的是，在一种方法中，该至少一个燃烧器设计用于燃烧来自阳极部的阳极废气、来自阴极部的阴极废气和/或来自设置在至少一个燃烧器上游的主燃料源的燃料，其中，自主燃料源给至少一个燃烧器供应燃料，燃料在至少一个燃烧器中被燃烧，并且其中，燃后的燃料从至少一个燃烧器被送至至少一个蒸发器以便将至少一个蒸发器和/或该至少一个蒸发器内的流体加热至理想温度或更高温度。主燃料源是燃料电池系统的激活工作状态或产生电流的工作状态所需要的，并且给蒸发器或重整器供应待重整的燃料。由此，为了按照本专利技术的利用主燃料源的燃料电池系统加热过程而采用如下系统部件，其原则上本来就是在燃料电池系统中所需要的。因此可以放弃附加系统部件，但在燃料源和燃烧器之间的、用于输送燃料至燃烧器的流体连通机构除外。由此，可以很紧凑地提供该燃料电池系统。另外，由此可以提供一种廉价的用于加热燃料电池系统的解决方案。在作为废气燃烧器构成或包含废气燃烧器的燃烧器中，尤其在输入基本上为空气的来自阴极部的阴极废气的情况下使来自本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种加热燃料电池系统(100a；100b；100c；100d；100e；100f；100g；100h；100i)的方法，该燃料电池系统具有：包括阳极部(2)和阴极部(3)的燃料电池堆(1)、用于使燃料-水混合物蒸发的至少一个蒸发器(4；4a，4b)、用于重整蒸发的燃料-水混合物以用在该燃料电池堆(1)阳极部(2)中的重整器(5)和用于燃烧含燃料流体的至少一个燃烧器(6，17)，其中，该重整器(5)优选布置在该至少一个蒸发器(4；4a，4b)的下游，该至少一个燃烧器(6，17)最好布置在该至少一个蒸发器(4；4a，4b)的上游，且该至少一个燃烧器(6，17)与该至少一个蒸发器(4；4a，4b)流体连通以将在该至少一个燃烧器(6，17)中燃烧的含燃料流体从该至少一个燃烧器(6，17)供应至该至少一个蒸发器(4；4a，4b)，并且在该至少一个蒸发器(4；4a，4b)的上游设置用于给该至少一个蒸发器(4；4a，4b)提供燃料/n-水混合物的燃料-水混合物源(7；7a，7b)，其中，该方法具有以下步骤：/n-将该至少一个蒸发器(4；4a，4b)和/或该至少一个蒸发器(4；4a，4b)内的流体加热至理想温度或更高温度，/n-一旦该至少一个蒸发器(4；4a，4b)达到了该理想温度或高于该温度，就将该燃料-水混合物从该燃料-水混合物源(7；7a，7b)供应至该至少一个蒸发器(4；4a，4b)，/n-将通过该至少一个蒸发器(4；4a，4b)被蒸发的燃料-水混合物从已达到理想温度或高于该温度的该至少一个蒸发器(4；4a，4b)供应至该重整器(5)以重整蒸发的燃料-水混合物，和/n-将重整后的燃料-水混合物供应至处于停用工作状态的该阳极部(2)，在停用工作状态下没有通过该燃料电池堆产生电流。/n...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171003 AT A50845/20171.一种加热燃料电池系统(100a；100b；100c；100d；100e；100f；100g；100h；100i)的方法，该燃料电池系统具有：包括阳极部(2)和阴极部(3)的燃料电池堆(1)、用于使燃料-水混合物蒸发的至少一个蒸发器(4；4a，4b)、用于重整蒸发的燃料-水混合物以用在该燃料电池堆(1)阳极部(2)中的重整器(5)和用于燃烧含燃料流体的至少一个燃烧器(6，17)，其中，该重整器(5)优选布置在该至少一个蒸发器(4；4a，4b)的下游，该至少一个燃烧器(6，17)最好布置在该至少一个蒸发器(4；4a，4b)的上游，且该至少一个燃烧器(6，17)与该至少一个蒸发器(4；4a，4b)流体连通以将在该至少一个燃烧器(6，17)中燃烧的含燃料流体从该至少一个燃烧器(6，17)供应至该至少一个蒸发器(4；4a，4b)，并且在该至少一个蒸发器(4；4a，4b)的上游设置用于给该至少一个蒸发器(4；4a，4b)提供燃料
-水混合物的燃料-水混合物源(7；7a，7b)，其中，该方法具有以下步骤：
-将该至少一个蒸发器(4；4a，4b)和/或该至少一个蒸发器(4；4a，4b)内的流体加热至理想温度或更高温度，
-一旦该至少一个蒸发器(4；4a，4b)达到了该理想温度或高于该温度，就将该燃料-水混合物从该燃料-水混合物源(7；7a，7b)供应至该至少一个蒸发器(4；4a，4b)，
-将通过该至少一个蒸发器(4；4a，4b)被蒸发的燃料-水混合物从已达到理想温度或高于该温度的该至少一个蒸发器(4；4a，4b)供应至该重整器(5)以重整蒸发的燃料-水混合物，和
-将重整后的燃料-水混合物供应至处于停用工作状态的该阳极部(2)，在停用工作状态下没有通过该燃料电池堆产生电流。


2.根据权利要求1的方法，其特征是，所述至少一个燃烧器(6，17)设计用于燃烧来自该阳极部(2)的阳极废气、来自该阴极部(3)的阴极废气和/或来自设于该至少一个燃烧器(6，17)上游的燃料源(14)的燃料，其中，该燃料源(14)给该至少一个燃烧器(6，17)供应燃料，且该燃料在该至少一个燃烧器(6，17)中被燃烧，并且其中，燃烧后的燃料从该至少一个燃烧器(6，17)被供给该至少一个蒸发器(4；4a，4b)以将该至少一个蒸发器(4；4a，4b)和/或该至少一个蒸发器(4；4a，4b)内的流体加热至理想温度或更高温度。


3.根据权利要求2的方法，其特征是，该燃料借助电活化式催化器、尤其借助电热式金属催化器被燃烧，并且一旦达到了或超过了该理想温度，就停用该催化器。


4.根据前述权利要求之一的方法，其特征是，重整后的燃料-水混合物从该阳极部(2)被送至该至少一个燃烧器(6，17)，在该至少一个燃烧器(6，17)中被至少部分燃烧，且至少部分燃烧的燃料-水混合物从该至少一个燃烧器(6，17)经由该至少一个蒸发器(4)以及该重整器(5)被供给该阳极部(2)。


5.根据前述权利要求之一的方法，其特征是，该燃料-水混合物从该燃料-水混合物源(7；7a，7b)通过喷射器(12)被喷入该至少一个蒸发器(4；4a，4b)。


6.根据前述权利要求之一的方法，其特征是，在蒸发的燃料-水混合物被重整之前或重整期间，给该重整器(5)供应空气。


7.根据前述权利要求之一的方法，其特征是，该重整器(5)在将蒸发的燃料-水混合物供应至该重整器(5)之前被预热。


8.根据前述权利要求之一的方法，其特征是，该理想温度为至少250℃尤其是至少300℃。


9.根据前述权利要求之一的方法，其特征是，通过该至少一个蒸发器(4；4a，4b)被蒸发的燃料-水混合物至少部分从达到了该理想温度或高出该温度的该至少一个蒸发器(4；4a，4b)作为该含燃料流体被送至该至少一个燃烧器(6，17)。


10.根据权利要求9的方法，其特征是，通过该至少一个蒸发器(4；4a，4b)所蒸发的燃料-水混合物被送至该至少一个燃烧器(6，17)，用以在该至少一个燃烧器(6，17)的换热部(18)之处或之中加热该燃料-水混合物。


11.根据前述权利要求之一的方法，其特征是，在所述至少一个蒸发器(4a)的上游设有用于给该至少一个蒸发器(4a)提供燃料的燃料源(7a)，其中，通过该至少一个蒸发器(4a)所蒸发的燃料作为该含燃料流体被送至该至少一个燃烧器(6，17)，用以在该至少一个燃烧器(6，17)的换热部(18)之处或之中加热该燃料。


12.根据权利要求9至11之一的方法，其特征是，该燃料-水混合物和/或该燃料分别通过设置在该燃料-水混合物源(7；7a，7b)或该燃料源(7a)的下游且在该至少一个燃烧器(6，17)上游的中间加热装置(11)尤其是电热式中间加热装置(11)被加热，直至所述燃料-水混合物或者燃料达到了预定温度或超过该温度。


13.根据权利要求12的方法，其特征是，一旦该至少一个燃烧器(6，17)、在该至少一个燃烧器内的流体、该至少一个蒸发器(4；4a，4b)和/或在该至少一个蒸发器(4；4a，4b)内的流体达到了预定温度或高出该温度，该中间加热装置(11)就被停用。


14.一种用于机动车(1000)的燃料电池系统(100a；100b；100c；100d；100e；100f；100g；100h；100i)，具有：包括阳极部(2)和阴极部(3)的燃料电池堆(1)、用于使燃料-水混合物蒸发的至少一个蒸发器(4；4a，4b)、用于重整蒸发的燃料-水混合物以用在该燃料电池堆(1)阳极部(2)中的重整器(5)和用于燃烧含燃料流体的至少一个燃烧器(6，17)，其特征是，该重整器(5)尤其布置在该至少一个蒸发器(4；4a，4b)的下游，该至少一个燃烧器(6，17)尤其布置在该至少一个蒸发器(4；4a，4b)的上游，该至少一个燃烧器(6，17)与该至少一个蒸发器(4；4a，4b)流体连通以便将在该至少一个燃烧器(6，17)...

【专利技术属性】
技术研发人员：文森特·劳勒，
申请(专利权)人：AVL李斯特有限公司，
类型：发明
国别省市：奥地利;AT