具有用于阴极空气预热的装置的燃料电池系统

摘要

本发明涉及一种具有第一传热器(12)的燃料电池系统(10)，通过第一传热器能够将阴极空气输送给燃料电池或燃料电池堆(10)，并且由补燃器(16)的补燃器废气和在燃料电池或者燃料电池堆(14)中产生的阴极废气组成的混合物能够输送给第一传热器，从而通过第一传热器(12)实现阴极空气与混合物之间的热传递。根据本发明设置有第二传热器(18)，通过该第二传热器能够将阴极空气从第一传热器输送给燃料电池或者燃料电池堆(14)，并且能够将用于形成混合物的补燃器废气输送给第一传热器(12)，从而通过第二传热器(12)实现补燃器废气和阴极空气之间的热传递。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有第一传热器的燃料电池系统，通过所述第一传热器能够将阴极空气输送给燃料电池或燃料电池堆，并且由补燃器的补燃器废气和在燃料电池或者燃料电池堆中产生的阴极废气组成的混合物能够输送给第一传热器，从而实现阴极空气与混合物之间的热传递。

背景技术

具有用于阴极空气预热的传热器或热交换器的燃料电池系统在现有技术中普遍被公知。在图1中展示了此类的燃料电池系统的一个例子。燃料电池系统10′包括燃料电池堆14′。燃料电池堆14′在其阳极入口端与重组器24′连接，因此能够从重组器24′向燃料电池堆14′的阳极端输送富含氢的重组物。为产生重组物，重组器24′与燃料供给装置26′以及空气供给装置28′连接，通过燃料供给装置26′和空气供给装置28′可输送燃料和空气。此外，燃料电池堆14′在其阴极入口端通过传热器12′与阴极空气供给装置20′连接，从而能够向燃料电池堆14′的阴极端输送阴极空气。为将燃料电池堆14′工作时产生的贫化的重组物输出，燃料电池堆14′在其阳极出口端还与补燃器16′连接，该补燃器特别用于燃烧贫化的重组物的有害物质。此外，在工作中燃料电池堆14′在其阴极出口端将阴极废气例如输出到周围环境中。补燃器16′除了与燃料电池堆14′还与补燃器空气供给装置22′连接，补燃器16′通过该补燃器空气供给装置22′能够供应为燃烧所需的补燃器空气。为将在补燃器工作中产生的补燃器废气输出，补燃器16′还通过传热器12′与周围环境相连。从而传热器12′实现了在补燃器废气和阴极空气之间的热传递。在公知的燃料电池系统10′的工作中，由阴极空气供给装置20′输送的阴极空气在到达燃料电池堆14′之前，通过传热器12′基于在补燃器16′中燃烧时产生的较热的补燃器废气的热传递被加热。通过这种燃料电池系统10′可以将阴极空气在到达燃料电池堆14′之前加热到大约600至850℃的范围。然而通过这种燃料电池系统10′的结构给调节、特别是阴极空气的温度调节造成了极大的困难。一种可能性在于，通过补燃器拉姆达值的变量来调节阴极空气温度。然而在较高的燃料电池转化度以及较高的燃料电池系统效率时，通过贫化的重组物的很小的热值限定了该拉姆达值。另外，由于将燃料电池堆14′的阴极废气输出到周围环境中造成了许多潜在的可利用的能量的损失。

在图2中示出了另一种属于现有技术的具有两个用于预热阴极空气的传热器12″、18″的燃料电池系统10″，其中，燃料电池系统10″的组件与图1中一致，用相似的附图标记表示。这里不再对这些组件进行说明，仅针对与图1中的燃料电池系统10′的不同进行探讨。与前述的根据图1的燃料电池系统10′的决定性的不同在于，根据图2的燃料电池系统10″设置有第二传热器18″，其特别通过空气预热器或者管束传热器构成。第二传热器18″直接接在阴极空气输入装置20″之后以及第一传热器12″之前。从而由阴极空气输入装置20″输送的阴极空气在到达第一传热器12″之前首先流经第二传热器18″。此外，第二传热器18″在阴极输出端与燃料电池堆14″连接，因此通过第二传热器18″可以将阴极废气输出。从而第二传热器18″实现了在从燃料电池堆14″输出的阴极废气和由阴极空气供给装置20″输送的阴极空气之间的额外的热传递。这种燃料电池系统10″的结构有利的是，在补燃器废气中很小的能量以及燃料电池堆14″很高的阴极空气需求下，还能够通过第二传热器18′提供足够的阴极空气温度。然而这种结构的缺点是，补燃器废气不再能被冷却到较低的温度，因为至少燃料电池系统10″的能量中的一部分不断地在阴极空气中保存。这导致例如当阴极空气温度保持在500℃的水平时，补燃器废气温度至少也同样地处于此温度水平的范围内。

在图3中示出了公知的此类燃料电池系统10′″的另一个典型的例子。在这种情况下如同图1中的例子仅以相同的方式设置一个传热器12′″。然而在图3中的燃料电池系统10′″中，阴极废气掺和进补燃器废气，因此可以将来自至少补燃器废气和阴极废气的混合物输送给传热器12′″。图3中的燃料电池系统10′″的其余的部分与图1中的一致。与图2中的燃料电池系统10″相比，通过图3中的燃料电池系统10′″的这种结构以更有效的方式将阴极废气中包含的能量即热能保存在燃料电池系统10′″中。然而这种燃料电池系统10′″的缺点在于，特别是在启动阶段会极大地延长燃料电池系统10′″的加热时间。这是因为至少在燃料电池系统10′″的启动过程中，流经传热器12′″的阴极空气的温度显著地降低，在这个时刻冷却的掺和的阴极废气大大降低了补燃器废气的温度。因此在传热器12′″中的热传递也被中断。

发明内容

因此本发明的目的在于，对此类的燃料电池系统进行改进，使得能够在燃料电池系统中保存更多的能量用于阴极空气预热，同时不会过分地延长加热时间。

该目的通过独立权利要求的特征解决。

本发明的有利的设计和改进从从属权利要求中产生。

根据本发明所述的燃料电池系统在此类现有技术的基础上，设置有第二传热器，通过所述第二传热器可以将阴极空气从第一传热器输送给燃料电池或者燃料电池堆，并且通过所述第二传热器可以将用于形成混合物的补燃器废气输送给第一传热器，从而在补燃器废气和阴极空气之间实现热传递。阴极废气在第一和第二传热器之间掺和到补燃器废气中。因此在阴极废气中存在的热能至少部分地保存在燃料电池系统中。此外，同时实现在燃料电池系统启动阶段时的阴极空气的有效预热。因此通过第二传热器就已经进行了仅在补燃器废气和阴极空气之间的热传递。一旦补燃器废气流经第二传热器后，阴极废气就掺和进补燃器废气。因此通过阴极废气的掺和对补燃器废气的降温不会对阴极空气的预热造成不利的影响。对此，在燃料电池系统的启动阶段即使很小的补燃器废气的热能也被利用起来用于预热阴极空气。第一和第二传热器优选设计为，处于换热器之间的补燃器废气的温度与阴极废气的温度大约一致。为尽可能地抑制传热器中的热能损失，传热器的优选设计为，与补燃器废气或者与混合物相比，较冷的阴极空气流经传热器的外部区域。与此相反，补燃器废气或混合物流经传热器的内部区域，因此外部区域至少逐段地包围内部区域。

根据本发明的燃料电池系统可以有利地如此改进，使得还可以在绕过至少一个传热器的情况下向燃料电池或燃料电池堆输送阴极空气。由此可以有针对性地向燃料电池堆或燃料电池输送冷的和/或通过传热器加热的阴极空气。从而可以对阴极空气温度进行调节或控制。

关于这一点特别有利的是，根据本发明的燃料电池系统如此形成，去往第一传热器的阴极空气体积流以及去往燃料电池或者燃料电池堆的阴极空气体积流在绕过至少一个传热器的情况下可以通过体积流分流阀调节。通过体积流分流阀可以根据所需的阴极空气入口温度调节各个体积流。此外，通过体积流分流阀调节阴极空气入口温度的前提条件是，用第一和第二传热器将热或者说热能带入到阴极空气中的知识以及有关所输入的阴极空气的温度的知识。

根据本发明的燃料电池系统还可以如此实现，设置操控体积流分流阀的控制装置，借助于该控制装置可调节进入燃料电池或者燃料电池堆的阴极空气的温度。控制装置优选测定调节阴极空气入口温度所需的参数，并且基于这些参数进行调节计算，所述参数例如通过传感器提供给控制装置。

附图说明

下面参照附图举例说明本发明的优选的实施形式。

其中：

图1一种公知的燃料电池系统的示意图；

图2另一种公知的燃料电池系统的示意图；

图3另一种公知的燃料电池系统的示意图；

图4按照本发明的第一实施例的本发明的燃料电池系统的示意图；以及

图5按照本发明的第二实施例的本发明的燃料电池系统的示意图。

具体实施方式

图4示出了按照本发明的第一实施例的本发明的燃料电池系统10的示意图。燃料电池系统10包括具有任意数目燃料电池的燃料电池堆14。而燃料电池系统10也可以包括唯一的一个燃料电池。燃料电池堆14在其阳极入口端与重组器24连接，该重组器用于在燃料电池堆14的阳极入口端向燃料电池堆14提供富含氢的重组物。为此重组器24在其入口端与燃料供给装置26以及空气供给装置28连接。通过燃料供给装置26和空气供给装置28实现向重组器24的入口端输送燃料和空气，所输送的燃料和空气在重组器24中能够形成燃料/空气的混合物并且能够在重组器24的工作中转化成重组物。此外，燃料电池堆14在其阳极出口端与补燃器16连接，在燃料电池堆14的工作中产生的氢含量减少的重组物能够输送给该补燃器。补燃器16特别用于实施尽可能地完全燃烧贫化的重组物。为此设置有补燃器空气供给装置22，如同燃料电池堆14，该补燃器空气供给装置22在补燃器16的入口端与补燃器16连接并且用于将燃烧空气输送到补燃器16中。因此通过补燃器16实现了最大化地将不含有害物质的补燃器废气在补燃器16的出口端通过补燃器废气管道32输出。在补燃器16的出口端与补燃器16连接的补燃器废气管道32流经两个传热器18和12，在下文中对此进行详细描述。此外，燃料电池堆14在其阴极入口端通过阴极空气管道34与阴极空气供给装置20连接。如同补燃器废气管道32一样，阴极空气管道34流经两个传热器18和12，其中，在去往燃料电池堆14的方向上该阴极空气管道34首先流经第一传热器12接着再流经第二传热器18。在补燃器废气管道32的情况下的顺序与此相反，即在补燃器废气例如输出到周围环境之前，补燃器废气管道32首先流经第二传热器18接着再流经第一传热器12。燃料电池堆14还在其阴极出口端通过阴极废气管道36与补燃器废气管道32连接。同时，在第一和第二传热器12和18之间的阴极废气管道36通入补燃器废气管道32中。

下面将对本发明的燃料电池系统10的工作方式进行详细说明。首先对燃料电池系统10的正常工作进行探讨。在这种工作中，燃料电池堆14和补燃器16可以分别提供具有相应温度的阴极废气以及补燃器废气，因此可以借助于阴极废气和补燃器废气进行阴极空气预热。这就是说不仅阴极废气而且补燃器废气都包含用于预热阴极空气的足够的热能。接下来对本发明的燃料电池系统10的启动工作进行探讨。在启动工作中即启动阶段，特别是阴极废气提供极少的热能，因此仅具有极低的温度并且因此在掺和过程中极大地冷却补燃器废气。

在燃料电池系统10的正常工作中，将从燃料供给装置26向重组器24输送燃料以及从空气供给装置28向重组器24输送空气。由此在重组器24中产生燃料/空气的混合物，该混合物在重组器24中转化成富含氢的重组物并且紧接着被输出。最后，富含氢的重组物到达燃料电池堆14的阳极入口端。此外，通过阴极空气供给装置20将阴极空气经过阴极空气管道34输送到燃料电池堆14的阴极入口端。这样一来，在燃料电池堆14中进行普遍公知的用于生产电能的电化学反应，对此不做详细探讨。通过电化学反应在燃料电池堆14的阳极出口端产生贫化的重组物，将该重组物从燃料电池堆14输送给补燃器16。伴随着将补燃器空气即燃烧空气从补燃器空气供给装置22输送到补燃器16中，开始在补燃器16中对由贫化的重组物以及燃烧空气组成的混合物进行燃烧。由此产生高温的补燃器废气，该补燃器废气通过补燃器废气管道32输出。同时，高温的补燃器废气流经第二和第一传热器18、12。由此开始了对通常较冷的阴极空气的热传递，该阴极空气通过阴极空气管道34同样地流经第一和第二传热器12和18。从而补燃器废气的热能至少部分地(根据温度差、介质的热容等)传递到阴极空气上，该阴极空气紧接着被输送给燃料电池堆14。由此实现了阴极空气的预热。此外，在燃料电池堆14的工作中产生的阴极废气在其阴极出口端通过阴极输出管道36输出。特别是在第一和第二传热器12和18之间的阴极废气掺和到补燃器废气中，由此额外地将在燃料电池堆14的工作中在阴极废气中保存的能量部分地保存在燃料电池系统10中。因此不仅在补燃器废气中而且在阴极废气中包含的能量或者说热能至少部分地传递到阴极空气管道34中的阴极空气上。

在燃料电池系统10的启动工作即在燃料电池系统10的加热过程中，在补燃器废气中最初具有很少的热能。阴极废气同样具有很少的热能，并且在启动工作中在将阴极废气掺和到补燃器废气的过程中总共导致了空气混合物的冷却。如果第二传热器18(如图3中公知的燃料电池系统10′″)不存在，那么通过阴极废气管道36掺和的以及还基于启动工作时较冷的阴极废气与补燃器废气混合，其中，混合物的温度在此刻降到低于补燃器废气的温度。因为设置了第二传热器18，即便是更冷的补燃器废气，其热能中的至少一部分都会传递到阴极空气管道34中的阴极空气上。直到流经第二传热器18后，阴极废气才通过阴极废气管道36掺和到补燃器废气中。由此补燃器废气在可能的冷却之前已经通过阴极废气将热能收回并且用于加热阴极空气。

图5示出了按照本发明的第二实施例的本发明的燃料电池系统的示意图。为避免重复，在对第二实施例进行描述时仅探讨与第一实施例的不同。第二实施例的燃料电池系统与第一实施例的燃料电池系统的不同在于，在阴极空气供给装置20与第一传热器12之间的阴极空气管道34上设置有体积流分流阀30，该体积流分流阀可以在绕过第一和第二传热器12和18后与燃料电池堆14通过第二阴极空气管道38产生直接连接。通过体积流分流阀30的调节还可以调节或控制阴极空气入口的温度，其中，调节出在阴极空气管道34中的阴极空气的体积流以及在第二阴极空气管道38中的阴极空气的体积流。此外，该调节的前提条件是用第一和第二传热器12和18将热或者说热能带入到阴极空气中的知识以及通过阴极供给装置20输入的阴极空气的温度的知识。例如可设置未示出的、本领域技术人员公知的控制装置，所述控制装置承担对体积流分流阀30的控制，并且借助于传感器和/或模型测定相应的、为调节阴极空气入口温度所需的参数，以及进行相应地计算来调节阴极入口温度。

第二阴极空气管道38也可在绕过第一传热器12的情况下与在第一和第二传热器12和18之间的阴极空气管道34连接。

在上述的本发明的说明书、图例以及在权利要求中公开的特征可以独立地或者任意组合，为实现本发明是不可缺少的。

附图标记

10′燃料电池系统

12′传热器

14′燃料电池堆

16′补燃器

20′阴极空气供给装置

22′补燃器空气供给装置

24′重组器

26′燃料供给装置

28′空气供给装置

10″燃料电池系统

12″传热器

14″燃料电池堆

16″补燃器

20″阴极空气供给装置

22″补燃器空气供给装置

24″重组器

26″燃料供给装置

28″空气供给装置

10′″燃料电池系统

12′″传热器

14′″燃料电池堆

16′″补燃器

20′″阴极空气供给装置

22′″补燃器空气供给装置

24′″重组器

26′″燃料供给装置

28′″空气供给装置

10燃料电池系统

12第一传热器

14燃料电池堆

16补燃器

18第二传热器

20阴极空气供给装置

22补燃器空气供给装置

24重组器

26燃料供给装置

28空气供给装置

30体积流量分流阀

32补燃器废气管道

34阴极空气管道

36阴极空气管道

38第二阴极空气管道