專利名稱：具有重整器和后燃器的燃料電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)，其包括重整器，具有氧化區(qū)，該氧 化區(qū)用于通過燃料供應(yīng)器而接受罐儲燃料的供應(yīng)，以與氧化劑發(fā)生反應(yīng)； 以及后燃器，具有氧化區(qū)，該氧化區(qū)用于通過燃料供應(yīng)器而接受罐儲燃料 的供應(yīng)，以與氧化劑發(fā)生反應(yīng)
本發(fā)明還涉及具有這種燃料電池系統(tǒng)的機動車輛。 此外，本發(fā)明涉及一種操作燃料電池系統(tǒng)的方法，包括下述步驟 從燃料罐供應(yīng)燃料至重整器的氧化區(qū)，在此燃料與氧化劑發(fā)生反應(yīng)； 以及從燃料罐供應(yīng)燃料至后燃器的氧化區(qū)，在此燃料與氧化劑發(fā)生反 應(yīng)。
背景技術(shù)：
燃料電池系統(tǒng)用于將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能。這種系統(tǒng)中的核心元件 是燃料電池，其中通過氫氧之間的受控反應(yīng)而釋放電能。燃料電池系 統(tǒng)必須能夠在日常應(yīng)用中處理燃料。由于氫和氧在燃料電池發(fā)生反應(yīng)， 因此所用的燃料必須被調(diào)節(jié)，以使得供應(yīng)至燃料電池陽極的氣體具有
高含氫率-這是重整器(reformer)的作用。為此，重整器接收供應(yīng) 的燃料和氧化劑，優(yōu)選為空氣，然后燃料與氧化劑在重整器中發(fā)生反 應(yīng)。一種現(xiàn)有技術(shù)的重整器可從德國專利文獻DE 103 59 205A1得知。 一方面，為了將燃料電池系統(tǒng)的燃燒廢氣以最低的有毒物質(zhì)排放量排 放至環(huán)境，另一方面，為了提供熱源以便預(yù)熱燃料電池系統(tǒng)的各個組 成元件和介質(zhì)流供應(yīng)器，后燃器(afterburner)被提供于燃料電池系統(tǒng) 中。 一種現(xiàn)有技術(shù)的后燃器可從德國專利文獻DE 10 2004 049卯3 Al 中得知
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是改進普通燃料電池系統(tǒng)、普通機動車輛和普通操 作燃料電池系統(tǒng)的方法，以實現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)的最佳操作。 這一 目的可以通過獨立權(quán)利要求中的特征實現(xiàn)。
本發(fā)明的有益方面和進一步的實施方式在從屬權(quán)利要求中限定。
根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)基于對普通現(xiàn)有技術(shù)的改進，其中重 整器的燃料供應(yīng)器和后燃器的燃料供應(yīng)器被設(shè)計成以下述方式供應(yīng)燃 料由重整器的燃料供應(yīng)器供應(yīng)的燃料與由后燃器的燃料供應(yīng)器供應(yīng) 的燃料在燃料等級和/或聚集狀態(tài)和/或供應(yīng)壓力和/或供應(yīng)溫度方面彼 此不同。與現(xiàn)有技術(shù)相比，可以獲得如下優(yōu)點，.即使得這些參數(shù)可以 被定制，以獲得重整器和后燃器的相應(yīng)氧化區(qū)中進行蒸發(fā)的最佳條件， 進一步的優(yōu)點為，燃料電池系統(tǒng)的工作范圍加寬了，這是因為重整器 和后燃器可以改進操作和適合于任何情況下的結(jié)構(gòu)設(shè)計。這一點對下 述情況特別有利，即燃料電池系統(tǒng)被操作以使得可在后燃器中獲得額 外的熱能輸出，例如用于加熱的目的，而與發(fā)電無關(guān)。通過使得后燃 器的操作燃料與重整器的操作燃料在燃料等級和/或聚集狀態(tài)和/或供 應(yīng)壓力和/或供應(yīng)溫度方面彼此不同，后燃器可以產(chǎn)生特別高的熱能輸 出，而不會在重整器中產(chǎn)生相同的作用。在這種配置中，重整器可以 以最低的輸出操作，甚至關(guān)閉。在靜態(tài)操作中，后燃器的氧化區(qū)中的 燃燒可以這樣進行，即使得熱能輸出最大化，而不會影響燃料電池系 統(tǒng)中的其它組成元件。
根據(jù)本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)可以被有利地如下改進，即重整器的 燃料供應(yīng)器被設(shè)計成適于連接至第一燃料罐，后燃器的燃料供應(yīng)器被 設(shè)計成適于連接至分設(shè)的第二燃料罐。由于各種燃料等級的溫度、烚 值和蒸發(fā)速度不同，因此通過向重整器的氧化區(qū)和后燃器的氧化區(qū)供 應(yīng)不同等級的燃料，可以選擇燃料等級以使得各個區(qū)中的蒸發(fā)和相關(guān) 的反應(yīng)可以最佳地實現(xiàn)。
此外，本發(fā)明提供了一種具有這種燃料電池系統(tǒng)的機動車輛，其 可以相應(yīng)地獲得前述優(yōu)點。
普通燃料電池系統(tǒng)操作方法可以通過本發(fā)明而被有利地如下改 進，即供應(yīng)至重整器的氧化區(qū)的燃料與供應(yīng)至后燃器的氧化區(qū)的燃料
5在燃料等級和/或聚集狀態(tài)和/或供應(yīng)壓力和/或供應(yīng)溫度方面彼此不 同。在根據(jù)本發(fā)明的方法的范圍內(nèi)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，同樣可以獲得 如下優(yōu)點，即這些參數(shù)可以被定制，以獲得重整器和后燃器的相應(yīng)氧 化區(qū)中進行蒸發(fā)的最佳條件，進一步的優(yōu)點為，燃料電池系統(tǒng)的工作 范圍加寬了，這是因為重整器和后燃器可以改進操作和適合于任何情 況下的結(jié)構(gòu)設(shè)計。這一點對下述情況特別有利，即燃料電池系統(tǒng)被操 作以使得可在后燃器中獲得額外的熱能輸出，例如用于加熱的目的， 而與發(fā)電無關(guān)。通過使得后燃器的操作燃料與重整器的操作燃料在等 級和/或聚集狀態(tài)和/或供應(yīng)壓力和/或供應(yīng)溫度方面彼此不同，后燃器 可以產(chǎn)生特別高的熱能輸出，而不會在重整器中產(chǎn)生相同的作用。在 這種配置中，重整器可以以最低的輸出操作，甚至關(guān)閉。在靜態(tài)操作 中，后燃器的氧化區(qū)中的燃燒可以這樣進行，即使得熱能輸出最大化， 而不會影響燃料電池系統(tǒng)中的其它組成元件。
此外，根據(jù)本發(fā)明的方法以被有利地如下改進供應(yīng)至重整器的 氧化區(qū)的燃料是從第一燃料罐供應(yīng)的，供應(yīng)至后燃器的氧化區(qū)的燃料 是從第二燃料罐供應(yīng)的。由于各種燃料等級的溫度、焓值和蒸發(fā)速度 不同，因此通過向重整器的氧化區(qū)和后燃器的氧化區(qū)供應(yīng)不同等級的 燃料，可以選擇燃料等級以使得各個區(qū)中的蒸發(fā)和相關(guān)的反應(yīng)可以最 佳地實現(xiàn)。


下面將參照附圖來描述本發(fā)明的特定優(yōu)選實施例。在附圖中
圖1是根據(jù)第一代表性實施例的燃料電池系統(tǒng)的示意圖2是根據(jù)第一代表性實施例的重整器的示意圖3是根據(jù)第一代表性實施例的后燃器的示意圖4是根據(jù)第二代表性實施例的燃料電池系統(tǒng)的示意圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在參看圖1，示出了根據(jù)第一代表性實施例的燃料電池系統(tǒng)的
示意圖。燃料電池系統(tǒng)10安裝于機動車輛中，包括重整器12，其通
6過第一燃料管線14接收從第一燃料罐16供應(yīng)的燃料。此外，重整器 12接收由另一個供應(yīng)器通過第二燃料管線18從第一燃料罐16供應(yīng)的 燃料。此外，重整器12通過第一氧化劑管線22接收供應(yīng)的氧化劑， 例如空氣。由重整器12產(chǎn)生的重整產(chǎn)物(reformate)通過重整產(chǎn)物管 線24供應(yīng)至燃料電池堆26。所涉及的重整產(chǎn)物為富氫氣體，其在燃 料電池堆26中與通過陰極供應(yīng)空氣管線28提供的陰極供應(yīng)空氣發(fā)生 反應(yīng)，以產(chǎn)生電和熱。所產(chǎn)生的電能可以通過電終端30而被拾取。在 所示的情況下，陽極排放氣體通過陽極排放氣體管線32被供應(yīng)至后燃 器36的混合器34。后燃器36通過第三燃料管線38接收從第二燃料 罐20供應(yīng)的燃料。第一和第二燃料罐16、 20中的適宜等級的燃料包 括柴油、汽油、生物氣、天然氣以及現(xiàn)有技術(shù)中已知的其它等級的燃 料。在第一代表性實施例的范圍內(nèi)，第一燃料罐16中的燃料等級不同 于第二燃料罐20中的燃料等級。此外，后燃器36通過第二氧化劑管 線40接收供應(yīng)的氧化劑。在后燃器36中，所消耗的陽極排放氣體與 供應(yīng)的燃料和氧化劑起反應(yīng)而生成燃燒排放氣體，該燃燒排放氣體在 混合器42中與通過陰極排放空氣管線44從燃料電池堆26供應(yīng)至混合 器42的陰極排放空氣混合。含有接近零有毒排放物的燃燒排放氣體流 經(jīng)熱交換器46以預(yù)熱陰極供應(yīng)空氣，最后離開燃料電池系統(tǒng)10。
現(xiàn)在參看圖2，示出了根據(jù)第一代表性實施例的重整器的示意圖。 重整器12包括氧化區(qū)48，該氧化區(qū)包括初級燃料供應(yīng)器50，燃料通 過初級燃料供應(yīng)器供應(yīng)至氧化區(qū)48。初級燃料供應(yīng)器50連接至第一 燃料管線14，從而初級燃料供應(yīng)器50供應(yīng)第一燃料罐16中所儲存的 等級的燃料。此外，氧化區(qū)48包括氧化劑供應(yīng)器52，其連接至第一 氧化劑管線22，氧化區(qū)48可通過第一氧化劑管線接收供應(yīng)的氧化劑。 在氧化區(qū)48中，發(fā)生燃料和氧化劑的燃燒反應(yīng)或放熱全氧化反應(yīng)，所 產(chǎn)生的熱生成氣體隨后進入下游混合區(qū)54，即流向圖2中的右側(cè)。重 整器中的各個區(qū)在圖2中以虛線彼此分開表示。這些區(qū)可以通過結(jié)構(gòu) 特征或流動界面而彼此分開。在混合區(qū)54中，所產(chǎn)生的生成氣體流通 過次級燃料供應(yīng)器56接收附加供應(yīng)的燃料。在本例中，初級和次級燃 料供應(yīng)器50、 56分別包括噴射器，優(yōu)選為文丘里噴嘴。然而，同樣可行的是，燃料通過包括多孔蒸發(fā)器的蒸發(fā)型燃料供應(yīng)器而分別供應(yīng)到
氧化區(qū)48和混合區(qū)54。次級燃料供應(yīng)器56連接至第二燃料管線18， 從而儲存在第一燃料罐16中的燃料可以供應(yīng)至次級燃料供應(yīng)器56。 此外，可以設(shè)置成混合區(qū)54接收供應(yīng)的氧化劑。與附加燃料混合的氣 體混合物進入重整區(qū)58，在此發(fā)生吸熱反應(yīng)而生成富氫氣體混合物， 優(yōu)選通過重整區(qū)中布置的催化劑。該重整產(chǎn)物，即富氫氣體混合物， 通過重整產(chǎn)物管線24離開重整器12，從而可以被進一步用于燃料電 池堆26。
現(xiàn)在參看圖3，示出了根據(jù)第一代表性實施例的后燃器的示意圖。 后燃器36包括氧化區(qū)60，其接收從燃料供應(yīng)器62供應(yīng)的燃料。燃料 供應(yīng)器62連接至第三燃料管線38，從而燃料供應(yīng)器62接收供應(yīng)的第 二燃料罐20中所儲存的等級的燃料。在本實施例中，燃料供應(yīng)器62 為噴射器，優(yōu)選文丘里噴嘴，但同樣可行的是，燃料通過包括多孔蒸 發(fā)器的蒸發(fā)型燃料供應(yīng)器供應(yīng)至氧化區(qū)60。此外，設(shè)有氧化劑供應(yīng)器 64，其連接至第二氧化劑管線40，氧化區(qū)60的氧化劑可通過第二氧 化劑管線而接收供應(yīng)的氧化劑。在氧化區(qū)60中，燃料和氧化劑發(fā)生放 熱氧化反應(yīng)，即盡可能地接近全燃燒，所產(chǎn)生的燃燒排放氣體隨后進 入下游混合區(qū)66，即流向圖3中的右側(cè)。后燃器36的各個區(qū)在圖3 中以虛線彼此分開表示。這些區(qū)可以通過結(jié)構(gòu)特征或流動界面而彼此 分開。在混合區(qū)66中，所產(chǎn)生的排放氣體通過混合器34而與陽極排 放氣體混合。與陽極排放氣體混合的氣體混合物進入燃燒區(qū)68，在所 示的代表性實施例中，該燃燒區(qū)充填有多孔體，在該多孔體中氣體混 合物近乎全燃燒，即氣體混合物在燃燒區(qū)68的多孔體中變?yōu)榘谉牖?br> 在第一代表性實施例的一種改型中，第一燃料罐16和第二燃料罐 20中儲存的燃料具有相同等級，但聚集狀態(tài)(state of aggregation)(即 氣態(tài)、液態(tài))不同。在這種配置下，例如，某種燃料可以以液體形式 儲存在第一個罐中，相同等級的燃料可以以氣體形式儲存在另一個罐 中，這樣，所述第一個罐及其相應(yīng)燃料管線中存在的壓力高于以氣態(tài) 保持著燃料的所述另一個罐。
應(yīng)當指出，在第一代表性實施例中使用過的附圖標記將在下面用來表示具有與第一代表性實施例中相同功能的相同元件，并且不再詳 細描述以防止煩瑣的重復(fù)。
現(xiàn)在參看圖4，示出了根據(jù)第二代表性實施例的燃料電池系統(tǒng)的 示意圖。第二代表性實施例的燃料電池系統(tǒng)10與圖1所示燃料電池系
統(tǒng)的區(qū)別在于，不是設(shè)置第一和第二燃料罐16和20，而是將單一的 燃料罐70安裝在機動車輛中。該燃料罐70向第一、第二和第三燃料 管線14、 18、 38供應(yīng)相同等級的燃料。在第二代表性實施例中，重整 器12的初級燃料供應(yīng)器50和后燃器36的燃料供應(yīng)器62被以下述方 式設(shè)置或操作，從而由重整器12的初級燃料供應(yīng)器50供應(yīng)的燃料進 入重整器12的相應(yīng)區(qū)時的溫度不同于由后燃器36的燃料供應(yīng)器62 供應(yīng)的燃料。為此，初級燃料供應(yīng)器50和燃料供應(yīng)器62設(shè)有加熱器/ 冷卻器(未示出)。作為替代性方案，燃料的不同供應(yīng)溫度還可以通過 第一和/或第三燃料管線14、 38中的加熱器/冷卻器實現(xiàn)。溫度不同還 導(dǎo)致燃料在重整器12的初級燃料供應(yīng)器50以不同于后燃器36的燃料 供應(yīng)器62中的聚集狀態(tài)輸送。
需要明確指出，盡管這里參照相應(yīng)附圖描述了各代表性實施例以 及它們的改型，但各代表性實施例以及它們的改型之間的全部以及每 種組合都包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。例如，同樣可行的是組合第一和第 二代表性實施例，其中不同等級的燃料被以不同的溫度供應(yīng)至重整器 和后燃器。
盡管未在前面描述的附圖中明確顯示，但相應(yīng)的輸送系統(tǒng)例如泵 或吹風(fēng)機和/或控制閥可以設(shè)置在燃料管線14、 18和38中，設(shè)置在氧 化劑管線22和40中，以及設(shè)置在陰極供應(yīng)空氣管線28中。
可以理解，說明書、附圖和權(quán)利要求書中公開的本發(fā)明的特征對 于實現(xiàn)本發(fā)明而言可能是必需的，這些特征可以本身或相互組合來實 現(xiàn)本發(fā)明。
附圖標記列表
10燃料電池系統(tǒng) 12重整器
914第一燃料管線
16第一燃料罐
18第二燃料管線
20第二燃料罐
22第一氧化劑管線
24重整產(chǎn)物管線
26燃料電池堆
28陰極供應(yīng)空氣管線
30電終端
32陽極排放氣體管線
34混合器
36后燃器
38第三燃料管線
40第二氧化劑管線
42混合器
44陰極排放空氣管線
46熱交換器
48氧化區(qū)
50初級燃料供應(yīng)器
52氧化劑供應(yīng)器
54混合區(qū)
56次級燃料供應(yīng)器
58重整區(qū)
60氧化區(qū)
62燃料供應(yīng)器
64氧化劑供應(yīng)器
66混合區(qū)
68燃燒區(qū)
70燃料罐
權(quán)利要求
1. 一種燃料電池系統(tǒng)(10)，包括-重整器(12)，具有氧化區(qū)(48)，該氧化區(qū)用于通過燃料供應(yīng)器(50)而接受罐儲燃料的供應(yīng)，以與氧化劑發(fā)生反應(yīng)；以及-后燃器(36)，具有氧化區(qū)(60)，該氧化區(qū)用于通過燃料供應(yīng)器(62)而接受罐儲燃料的供應(yīng)，以與氧化劑發(fā)生反應(yīng)，其特征在于，重整器(12)的燃料供應(yīng)器(50)和后燃器(36)的燃料供應(yīng)器(62)被設(shè)計成以下述方式供應(yīng)燃料由重整器的燃料供應(yīng)器(50)供應(yīng)的燃料與由后燃器(36)的燃料供應(yīng)器(62)供應(yīng)的燃料在燃料等級和/或聚集狀態(tài)和/或供應(yīng)壓力和/或供應(yīng)溫度方面彼此不同。
2. 如權(quán)利要求1所述的燃料電池系統(tǒng)(10)，其特征在于，重整 器(12)的燃料供應(yīng)器(50)被設(shè)計成適于連接至第一燃料罐(16)， 后燃器(36)的燃料供應(yīng)器(62)被設(shè)計成適于連接至分設(shè)的第二燃 料罐(20)。
3. —種機動車輛，包括如前面權(quán)利要求中任一所述的燃料電池系 統(tǒng)(10)。
4. 如權(quán)利要求3所述的機動車輛，其特征在于，共有兩個燃料罐 (16， 20)被提供，其中一個燃料罐(16)連接至重整器(12)的燃料供應(yīng)器(50)，第二個燃料罐(20)連接至后燃器(36)的燃料供應(yīng) 器(62)。
5. —種操作燃料電池系統(tǒng)(10)的方法，包括下述步驟-從燃料罐(16; 70)供應(yīng)燃料至重整器(12)的氧化區(qū)(48)， 在此燃料與氧化劑發(fā)生反應(yīng)；以及-從燃料罐(20; 70)供應(yīng)燃料至后燃器(36)的氧化區(qū)(60)，在此燃料與氧化劑發(fā)生反應(yīng)，其特征在于，供應(yīng)至重整器(12)的氧化區(qū)(48)的燃料與供應(yīng) 至后燃器(36)的氧化區(qū)(60)的燃料在燃料等級和/或聚集狀態(tài)和/ 或供應(yīng)壓力和/或供應(yīng)溫度方面彼此不同。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，供應(yīng)至重整器(12) 的氧化區(qū)(48)的燃料是從第一燃料罐(16)供應(yīng)的，供應(yīng)至后燃器 的氧化區(qū)(60)的燃料是從分設(shè)的第二燃料罐(20)供應(yīng)的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)(10)，其包括重整器(12)，具有氧化區(qū)(48)，用于通過燃料供應(yīng)器(50)而接受罐儲燃料的供應(yīng)，以與氧化劑發(fā)生反應(yīng)；以及后燃器(36)，具有氧化區(qū)(60)，用于通過燃料供應(yīng)器(62)而接受罐儲燃料的供應(yīng)，以與氧化劑發(fā)生反應(yīng)。根據(jù)本發(fā)明，重整器(12)的燃料供應(yīng)器(50)和后燃器(36)的燃料供應(yīng)器(62)被設(shè)計成以下述方式供應(yīng)燃料由重整器的燃料供應(yīng)器(50)供應(yīng)的燃料與由后燃器(36)的燃料供應(yīng)器(62)供應(yīng)的燃料在等級和/或聚集狀態(tài)和/或供應(yīng)壓力和/或供應(yīng)溫度方面彼此不同。本發(fā)明還涉及包括這種燃料電池系統(tǒng)的機動車輛和操作這種燃料電池系統(tǒng)的方法。
文檔編號H01M8/04GK101490886SQ200780026596
公開日2009年7月22日 申請日期2007年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月13日
發(fā)明者A·安格爾, B·布勒克爾, M·博爾策, M·普法爾茨格拉夫, M·羅祖梅克, M·聚斯爾, M·貝登貝克爾, S·克丁 申請人:艾納爾達公司