使用液化石油气运行的燃料电池系统

摘要

燃料电池系统，包括至少一种具有高温聚合物电解质膜(9)的燃料电池(3)。将来自液化石油气气源(1)的液化石油气供给至所述燃料电池(3)。所述液化石油气能够直接进给至所述燃料电池(3)的阳极反应室(7)而不进行复杂的重整。将水蒸气在进入所述阳极反应室(7)之前与所述液化石油气混合。

说明书

技术领域

本发明涉及能够使用液化石油气运行的燃料电池系统。

背景技术

燃料电池需要氢气和(大气的)氧气作为反应物以产生电能和热能。存在不同的已知的重整方法，例如蒸汽重整、自热重整、部分氧化或裂解，其中包含氢气的气体通过气态和液态烃的转化而产生。在多数情况下，这些方法非常复杂并且要求设备和技术控制系统的高度复杂性。通常，它们包括多个单独组件，例如重整反应器、变换工段(shift stages)、气体精洗工段、热交换器和蒸发器。

此外，存在已知的高温固态氧化物燃料电池(SOFC)和熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)，其中将气态和液态烃在范围从600℃至1000℃的温度下和在(大气的)氧气下转变为电能，这可直接实现或在预先连接的所谓预重整工段下实现。这些系统的缺点是热循环性低、加热和冷却时间长以及对使用的材料要求非常高。

一段时间以来，燃料电池系统也已用作APU系统(辅助动力装置)用于供给旅游车以机载电源。还已知使用此类燃料电池系统作为发电机或用于分散能源供给的联供系统(cogenerationsystems)。

发明内容

本发明目的在于提供燃料电池系统，其直接将燃料转变为电能而不面临重整燃料用设备的高度复杂性。

该课题通过借助根据权利要求1所述的燃料电池系统的本发明来解决。此外，提出了根据本发明的燃料电池系统的有利用途以及用于启动和停止燃料电池或燃料电池系统的方法。

根据本发明的燃料电池系统包括具有高温聚合物电解质膜(HT-PEM)的燃料电池、液化石油气气源以及用于将来自石油气气源的液化石油气进给至燃料电池的阳极反应室的液化石油气供气管线。

因此，提出可以在不具有设备方面的高度复杂性和在中等运行温度下将气态液化石油气直接转变为电能的燃料电池。聚合物电解质膜燃料电池的使用可以实现高度的启动-停止(start-stop)可循环性。同样，启动和停止时间短以及由于降低运行温度导致的更低的材料要求是有利的。

燃料电池能够由单个燃料电池组成或由以堆叠体(stack)的形式设置的多个单个燃料电池组成。燃料电池的基本结构是已知的，因此在这点上不需要更详细的说明。燃料电池能够在加压下或在近似大气条件下运行。在后一情况下，周围系统(空气和气泵)的能量要求显著降低。该结构借助满足温度要求的材料，例如借助由金属或碳塑复合材料制成的双极板来实现。

将液化石油气直接供给至能够将其转变为电能的阳极反应室中，这在没有任何复杂的重整过程的情况下得以实现。也许，仅需要在液化石油气气源和燃料电池之间提供脱硫设备以使供给的液化石油气脱硫。那里还可以进行有气味的物质的分离。

能够将丙烷、丁烷或丙烷和丁烷的混合物用作液化石油气。

能够在进入阳极反应室之前将水蒸气混合至液化石油气流中。水蒸气的混合可以是有利的，但它不是绝对必要的，这取决于燃料电池系统的实施方案。其中，设置在阳极反应室中，例如在气体扩散电极上或在气体扩散电极中的催化剂适合于转化液化石油气和适合于产生氢离子。

将氢成分(content)转变为电能和热能以及作为反应产物的水发生在已知的具有供给至阴极反应室中的(大气的)氧气的电化学燃料电池反应中。已证实电流和/或电压产生量取决于运行温度。温度值越高，在恒定运行电压下由燃料电池提供的电流越大。

使高温聚合物电解质膜在从室温至高于300℃的温度范围内、优选在从150℃至250℃的范围内运行。其将燃料电池的阳极反应室与阴极反应室分隔开来，能够将环境空气或氧气供给燃料电池的阴极反应室。

磷酸掺杂的PBI(聚苯并咪唑)聚合物膜主要用作用于HT-PEM的材料。然而，在该温度范围内具有高度热稳定性且是质子导电的或能够通过适当的添加/掺杂进行质子导电的其它塑料材料也是适合的。

至少在面对阳极反应室的一侧上，HT-PEM包括负载催化剂的催化剂层，所述催化剂在加入或不加入水蒸气的情况下使液化石油气分解为氢气或氢离子和其它组分。在加入水蒸气下使该液化石油气分解为氢气或氢离子、二氧化碳、一氧化碳或短链烃的任何类型的贵金属和碱金属能够用作催化剂。例如，包含铂的催化剂是适当的。此外，可得到的材料为例如Pd、Ru、F e、Ni、Au、Ag、Rh、Ir、Co、W、Mo、Ce、Cu、Zn、Al、Zr或其具有或不具有Pt的合金。

流至阳极反应室中的液化石油气能够预先与水蒸气混合。为了达到该目的，能够设置用于蒸发水的蒸发设备、用于从蒸发设备排放水蒸气的水蒸气供给管线和位于阳极反应室上游的混合部位，其中所述水蒸气供给管线和液化石油气供给管线在所述混合部位结合以及从蒸发设备流入的水蒸气能够在所述混合部位与液化石油气混合。

因而，在进入阳极反应室之前与液化石油气混合的水蒸气在蒸发设备中产生。

能够设置附加加热设备用于加热燃料电池，其中该附加加热设备可以是与燃料电池分开的设备，或直接一体化入燃料电池中的设备。附加加热设备用于给燃料电池提供用于启动该系统的适当温度。同样，也能够在运行时使用该附加加热设备以维持燃料电池在所要求的运行温度下。

液化石油气能够从液化石油气气源直接供给，作为用于附加加热设备以及用于蒸发设备的燃料。

作为补充或作为选择，也可以设置输送从燃料电池的阳极反应室放出的阳极尾气的阳极尾气回路。阳极尾气包括二氧化碳、一氧化碳、水蒸气和未使用的氢气和/或未转变的液化石油气的混合物。这意味着该阳极尾气仍然包含进一步热可利用的或可燃烧的物质，能够例如在附加加热设备或在蒸发设备中利用的物质。

为了达到该目的，能够将阳极尾气回流供给至设置在蒸发设备的燃烧炉和/或供给至能够燃烧仍存在的可燃物质(氢气、液化石油气、一氧化碳、短链烃)的附加加热设备。

经由阳极尾气回路，阳极尾气同样也能够再供给至燃料电池的阳极进料侧，在该阳极进料侧，如果必要在再混合水蒸气之后，将阳极尾气再供给至阳极反应室中。还未利用的液化石油气和水蒸气因而能够重复供给通过燃料电池，以最终并完全转变至少液化石油气。

如上所述，作为补充或作为选择，蒸发设备的燃烧炉和/或附加加热设备也能够直接供给来自液化石油气气源的液化石油气。

根据本发明的燃料电池系统能够用于机动车例如旅游车，如旅行拖车或大篷车，其中燃料电池的附加加热设备同时也是用于加热机动车内部的加热设备的组成部分。

像附加加热设备一样，该加热设备因而能够使用液化石油气来运行。

因此，也可以使用同样已知的，特别在旅游车中，同时作为用于燃料电池的附加加热设备的液化石油气加热器。在这种情况下，对于燃料电池并不要求独立的附加加热设备。

范围从几瓦至几千瓦的电功率内的系统优选的应用领域为作为在旅游车中用于机载电源的APU系统的用途以及作为独立的发电机或作为用于分散能源供给的联供系统的用途。

用于运行燃料电池系统的方法的特征在于所述燃料电池为高温聚合物电解质膜燃料电池和所述燃料电池的阳极反应室进给液化石油气，特别地进给液化石油气和水蒸气的混合物。除了如果需要的必须预先进行的脱硫之外，将液化石油气直接从液化石油气气源进给至燃料电池。因此，不需要在分离的重整设备中单独地重整燃料。

用于启动HT-PEM燃料电池系统的方法的特征在于以下步骤：

-将液化石油气供给至所述燃料电池；

-供给液化石油气通过所述燃料电池的阳极反应室；

-将所述液化石油气和/或从阳极反应室放出的阳极尾气供给至设置在所述燃料电池处或设置在所述燃料电池中的附加加热设备和/或供给至蒸发设备；

-借助液化石油气和/或阳极尾气，通过所述附加加热设备加热所述燃料电池和/或加热用于产生水蒸气的蒸发设备；

-将所述水蒸气供给到要供给至所述燃料电池的液化石油气，并混合所述水蒸气与所述液化石油气；

-将水蒸气和液化石油气的混合物供给至所述阳极反应室；

-将空气供给至所述燃料电池的阴极反应室；

-施加电力负荷(electric load)以运行所述燃料电池。

根据该方法，所述液化石油气直接通过HT-PEM燃料电池，并在供给空气的同时在所述附加加热设备中以及在蒸发设备中燃烧。所述燃料电池借助附加加热设备的余热(exhaust heat)达到运行温度。同时，加热蒸发设备。当水通过蒸发设备蒸发时，将形成的水蒸气混合到要供给至燃料电池的液化石油气，并进给至所述燃料电池的阳极反应室。如果对燃料电池具有负荷(load)要求时，在阴极侧，同时将空气供给至通过所述附加加热设备加热的燃料电池，从而引发对于液化石油气和水蒸气的混合物的电化学反应。

根据该方法，介质流不必逆流。相反，它可以不断地供给特别是液化石油气流通过所述燃料电池。液化石油气和/或从燃料电池放出的阳极尾气通过蒸发设备和附加加热设备燃烧，所以，液化石油气不能离开燃料电池系统。

根据另一用于启动HT-PEM燃料电池系统的方法，将液化石油气直接从液化石油气气源供给至附加加热设备和/或供给至蒸发设备，一方面，加热燃料电池，另一方面，通过蒸发设备产生水蒸气。一旦燃料电池达到规定温度，也将液化石油气直接从液化石油气气源供给至燃料电池的阳极反应室。其中，能够混合来自蒸发设备的水蒸气。如果对燃料电池具有负荷要求，则引发电化学反应。

取决于系统的设计，在燃料电池运行时，液化石油气能够连续直接供给至附加加热设备和蒸发设备，从而提供要求的热能。或者，同样可以中断该直接供给，而是将从燃料电池放出的阳极尾气供给至附加加热设备和蒸发设备。通常，该阳极尾气仍然包含足够量的可燃材料(液化石油气、氢气、一氧化碳、短链烃)，因而，能够用作燃料。

用于停止根据本发明的燃料电池系统的方法包括以下步骤：

-中断液化石油气的供给；

-持续将从燃料电池的阳极反应室放出的阳极尾气供给至用于产生水蒸气的蒸发设备；

-将所述水蒸气供给至所述阳极反应室中。

在将液化石油气的供给中断后，将仍存在于系统中的气体混合物(残留的氢气、二氧化碳、一氧化碳或短链烃以及水蒸气)在蒸发设备中热利用，由此持续产生水蒸气。仍供给至燃料电池的水蒸气从该系统中置换残留的气体混合物。当在燃料电池中的电化学反应和随后在蒸发设备的燃烧炉和附加加热设备中的燃烧过程停止时，气体输送管线和燃料电池能够用空气或以惰性气体冲洗，使该系统冷却。

附图说明

以下，将基于实施例和通过附图更详细地说明本发明的这些和另外的优点和特征。在图中，

图1示出根据本发明的燃料电池系统的示意图；和

图2示出用于所述燃料电池系统中的高温聚合物电解质膜燃料电池结构的示意图。

具体实施方式

图1示出所述燃料电池系统的设备布置的示意图。

作为液体供源的液体罐1，例如气瓶(gas bottle)或贮液罐(reservoil)包含液化石油气如丙烷、丁烷或其混合物。

将液化石油气从液化石油气罐1中移出并供给通过脱硫设备2。在后者中，分离包含在液化石油气中的有气味的物质和其他含硫化合物。

其后，将脱硫的液化石油气经由液化石油气供给管线1a进给至燃料电池3中。燃料电池3为称作高温聚合物电解质膜燃料电池(HT-PEM FC)的燃料电池，其在室温至高于300℃的温度范围内、优选在150℃至250℃的范围内运行。尽管已知燃料电池3本身的结构，但是仍将通过以下图2更加详细地说明燃料电池3的结构。

此外，设置将从水罐5供给的水蒸发的蒸发设备4。随后，将通过蒸发设备4产生的水蒸气也经由水蒸气供给管线4a供给至燃料电池3，并且在它进入燃料电池3之前在混合部位6与液化石油气混合。以该方式，液化石油气和水蒸气的混合物在运行时进入燃料电池3。

图2示出所述燃料电池3的结构的示意图。

将高温聚合物电解质膜9设置在阳极反应室7和阴极反应室8之间。磷酸掺杂的PBI(聚苯并咪唑)的聚合物膜主要用作用于该膜9的材料。然而，在该温度范围内具有高度热稳定性的，且是质子导电的或能够通过适当添加/掺杂进行质子导电的其它塑料材料也是适合的。

将催化剂层10施涂于该膜9的任一侧上。各种类型的贵金属和碱金属例如如上所述的物质能够用作催化剂。

将气体扩散电极11以已知方式设置于各所述催化剂层10之上。

催化剂层10或催化剂本身也能够一体化于气体扩散电极11中。其中，一方面在阳极侧的结构也能够不同于另一方面在阴极侧的结构。例如，可以在两侧使用不同的材料。因而，示于图2中的结构仅用于说明实施例并不应考虑作为限定。

将液化石油气和水蒸气的混合物供给至阳极反应室7。另一方面，将反应空气进给至阴极反应室8。

将离开阳极反应室7的介质流称作阳极尾气流，并且能够包括二氧化碳、一氧化碳、水蒸气、未利用的氢气和未转变的液化石油气的混合物。在阴极侧，排出空气和反应水的混合物从阴极反应室8以水蒸气的形式放出。

燃料电池3能够由单个电池组成或由包括多个单个电池，特别是燃料电池堆叠体(fuel cell stack)的系统组成。当然，如果需要，液化石油气和氢气的混合物必须供给至燃料电池堆叠体的全部单个电池。

如图1所示，来自燃料电池3的阳极尾气流12能够以多种方式进一步使用。

一方面，能将阳极尾气流12经由回流设备(return unit)13例如泵返回至燃料电池3的阳极入口。其中，新鲜水蒸气和/或另外的液化石油气能够混合。以该方式，能够将液化石油气重复供给通过燃料电池3，从而也能逐步用完还未利用的液化石油气。

同样，可以使用阳极尾气流作为燃料，以提供在蒸发设备4中的热。通常阳极尾气的可燃组分足以提供足够的用于产生水蒸气的热能。

此外，还可以供给附加加热设备14以阳极尾气流12作为燃料。将燃料电池3通过附加加热设备14保持在运行温度下或预热至为了启动目的的规定温度。能够将附加加热设备14设计成分离的组件和设计成燃料电池3的组成部分。燃烧反应能够催化实现或基于常规来实现。

混合部位6能够空间上设置于燃料电池3的上游。同样，可以在燃料电池3中设置混合部位6，然而仍然是阳极反应室7的上游。其中，仅需要保证能够将液化石油气和水蒸气的混合物进给至阳极反应室7中。如果需要，如上所述，还可以另外将阳极尾气混合至该混合物。

该系统通过其中将包含在排出空气和排出气体流中的水回收并供给至贮液罐或水罐5的冷凝器设备(未示出)而得以完成。这些图未示出风扇和/或用于空气、气体和水供给的泵，以及如果需要的用于燃料电池3和各种电力子系统例如用于将由燃料电池3产生的电流供给电池组的电压互感器的冷却风扇。包括适当技术测量、控制和调整设备的高度有序系统控制同样未在任一图中示出。