专利名称：具有重整器和后燃器的燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃料电池系统，其包括重整器，具有氧化区，该氧 化区用于通过燃料供应器而接受罐储燃料的供应，以与氧化剂发生反应； 以及后燃器，具有氧化区，该氧化区用于通过燃料供应器而接受罐储燃料 的供应，以与氧化剂发生反应
本发明还涉及具有这种燃料电池系统的机动车辆。 此外，本发明涉及一种操作燃料电池系统的方法，包括下述步骤 从燃料罐供应燃料至重整器的氧化区，在此燃料与氧化剂发生反应； 以及从燃料罐供应燃料至后燃器的氧化区，在此燃料与氧化剂发生反 应。
背景技术：
燃料电池系统用于将化学能转化成电能。这种系统中的核心元件 是燃料电池，其中通过氢氧之间的受控反应而释放电能。燃料电池系 统必须能够在日常应用中处理燃料。由于氢和氧在燃料电池发生反应， 因此所用的燃料必须被调节，以使得供应至燃料电池阳极的气体具有
高含氢率-这是重整器(reformer)的作用。为此，重整器接收供应 的燃料和氧化剂，优选为空气，然后燃料与氧化剂在重整器中发生反 应。一种现有技术的重整器可从德国专利文献DE 103 59 205A1得知。 一方面，为了将燃料电池系统的燃烧废气以最低的有毒物质排放量排 放至环境，另一方面，为了提供热源以便预热燃料电池系统的各个组 成元件和介质流供应器，后燃器(afterburner)被提供于燃料电池系统 中。 一种现有技术的后燃器可从德国专利文献DE 10 2004 049卯3 Al 中得知
发明内容
本发明的目的是改进普通燃料电池系统、普通机动车辆和普通操 作燃料电池系统的方法，以实现燃料电池系统的最佳操作。 这一 目的可以通过独立权利要求中的特征实现。
本发明的有益方面和进一步的实施方式在从属权利要求中限定。
根据本发明的燃料电池系统基于对普通现有技术的改进，其中重 整器的燃料供应器和后燃器的燃料供应器被设计成以下述方式供应燃 料由重整器的燃料供应器供应的燃料与由后燃器的燃料供应器供应 的燃料在燃料等级和/或聚集状态和/或供应压力和/或供应温度方面彼 此不同。与现有技术相比，可以获得如下优点，.即使得这些参数可以 被定制，以获得重整器和后燃器的相应氧化区中进行蒸发的最佳条件， 进一步的优点为，燃料电池系统的工作范围加宽了，这是因为重整器 和后燃器可以改进操作和适合于任何情况下的结构设计。这一点对下 述情况特别有利，即燃料电池系统被操作以使得可在后燃器中获得额 外的热能输出，例如用于加热的目的，而与发电无关。通过使得后燃 器的操作燃料与重整器的操作燃料在燃料等级和/或聚集状态和/或供 应压力和/或供应温度方面彼此不同，后燃器可以产生特别高的热能输 出，而不会在重整器中产生相同的作用。在这种配置中，重整器可以 以最低的输出操作，甚至关闭。在静态操作中，后燃器的氧化区中的 燃烧可以这样进行，即使得热能输出最大化，而不会影响燃料电池系 统中的其它组成元件。
根据本发明的燃料电池系统可以被有利地如下改进，即重整器的 燃料供应器被设计成适于连接至第一燃料罐，后燃器的燃料供应器被 设计成适于连接至分设的第二燃料罐。由于各种燃料等级的温度、烚 值和蒸发速度不同，因此通过向重整器的氧化区和后燃器的氧化区供 应不同等级的燃料，可以选择燃料等级以使得各个区中的蒸发和相关 的反应可以最佳地实现。
此外，本发明提供了一种具有这种燃料电池系统的机动车辆，其 可以相应地获得前述优点。
普通燃料电池系统操作方法可以通过本发明而被有利地如下改 进，即供应至重整器的氧化区的燃料与供应至后燃器的氧化区的燃料
5在燃料等级和/或聚集状态和/或供应压力和/或供应温度方面彼此不 同。在根据本发明的方法的范围内，与现有技术相比，同样可以获得 如下优点，即这些参数可以被定制，以获得重整器和后燃器的相应氧 化区中进行蒸发的最佳条件，进一步的优点为，燃料电池系统的工作 范围加宽了，这是因为重整器和后燃器可以改进操作和适合于任何情 况下的结构设计。这一点对下述情况特别有利，即燃料电池系统被操 作以使得可在后燃器中获得额外的热能输出，例如用于加热的目的， 而与发电无关。通过使得后燃器的操作燃料与重整器的操作燃料在等 级和/或聚集状态和/或供应压力和/或供应温度方面彼此不同，后燃器 可以产生特别高的热能输出，而不会在重整器中产生相同的作用。在 这种配置中，重整器可以以最低的输出操作，甚至关闭。在静态操作 中，后燃器的氧化区中的燃烧可以这样进行，即使得热能输出最大化， 而不会影响燃料电池系统中的其它组成元件。
此外，根据本发明的方法以被有利地如下改进供应至重整器的 氧化区的燃料是从第一燃料罐供应的，供应至后燃器的氧化区的燃料 是从第二燃料罐供应的。由于各种燃料等级的温度、焓值和蒸发速度 不同，因此通过向重整器的氧化区和后燃器的氧化区供应不同等级的 燃料，可以选择燃料等级以使得各个区中的蒸发和相关的反应可以最 佳地实现。
下面将参照附图来描述本发明的特定优选实施例。在附图中
图1是根据第一代表性实施例的燃料电池系统的示意图2是根据第一代表性实施例的重整器的示意图3是根据第一代表性实施例的后燃器的示意图4是根据第二代表性实施例的燃料电池系统的示意图。
具体实施例方式
现在参看图1，示出了根据第一代表性实施例的燃料电池系统的
示意图。燃料电池系统10安装于机动车辆中，包括重整器12，其通
6过第一燃料管线14接收从第一燃料罐16供应的燃料。此外，重整器 12接收由另一个供应器通过第二燃料管线18从第一燃料罐16供应的 燃料。此外，重整器12通过第一氧化剂管线22接收供应的氧化剂， 例如空气。由重整器12产生的重整产物(reformate)通过重整产物管 线24供应至燃料电池堆26。所涉及的重整产物为富氢气体，其在燃 料电池堆26中与通过阴极供应空气管线28提供的阴极供应空气发生 反应，以产生电和热。所产生的电能可以通过电终端30而被拾取。在 所示的情况下，阳极排放气体通过阳极排放气体管线32被供应至后燃 器36的混合器34。后燃器36通过第三燃料管线38接收从第二燃料 罐20供应的燃料。第一和第二燃料罐16、 20中的适宜等级的燃料包 括柴油、汽油、生物气、天然气以及现有技术中已知的其它等级的燃 料。在第一代表性实施例的范围内，第一燃料罐16中的燃料等级不同 于第二燃料罐20中的燃料等级。此外，后燃器36通过第二氧化剂管 线40接收供应的氧化剂。在后燃器36中，所消耗的阳极排放气体与 供应的燃料和氧化剂起反应而生成燃烧排放气体，该燃烧排放气体在 混合器42中与通过阴极排放空气管线44从燃料电池堆26供应至混合 器42的阴极排放空气混合。含有接近零有毒排放物的燃烧排放气体流 经热交换器46以预热阴极供应空气，最后离开燃料电池系统10。
现在参看图2，示出了根据第一代表性实施例的重整器的示意图。 重整器12包括氧化区48，该氧化区包括初级燃料供应器50，燃料通 过初级燃料供应器供应至氧化区48。初级燃料供应器50连接至第一 燃料管线14，从而初级燃料供应器50供应第一燃料罐16中所储存的 等级的燃料。此外，氧化区48包括氧化剂供应器52，其连接至第一 氧化剂管线22，氧化区48可通过第一氧化剂管线接收供应的氧化剂。 在氧化区48中，发生燃料和氧化剂的燃烧反应或放热全氧化反应，所 产生的热生成气体随后进入下游混合区54，即流向图2中的右侧。重 整器中的各个区在图2中以虚线彼此分开表示。这些区可以通过结构 特征或流动界面而彼此分开。在混合区54中，所产生的生成气体流通 过次级燃料供应器56接收附加供应的燃料。在本例中，初级和次级燃 料供应器50、 56分别包括喷射器，优选为文丘里喷嘴。然而，同样可行的是，燃料通过包括多孔蒸发器的蒸发型燃料供应器而分别供应到
氧化区48和混合区54。次级燃料供应器56连接至第二燃料管线18， 从而储存在第一燃料罐16中的燃料可以供应至次级燃料供应器56。 此外，可以设置成混合区54接收供应的氧化剂。与附加燃料混合的气 体混合物进入重整区58，在此发生吸热反应而生成富氢气体混合物， 优选通过重整区中布置的催化剂。该重整产物，即富氢气体混合物， 通过重整产物管线24离开重整器12，从而可以被进一步用于燃料电 池堆26。
现在参看图3，示出了根据第一代表性实施例的后燃器的示意图。 后燃器36包括氧化区60，其接收从燃料供应器62供应的燃料。燃料 供应器62连接至第三燃料管线38，从而燃料供应器62接收供应的第 二燃料罐20中所储存的等级的燃料。在本实施例中，燃料供应器62 为喷射器，优选文丘里喷嘴，但同样可行的是，燃料通过包括多孔蒸 发器的蒸发型燃料供应器供应至氧化区60。此外，设有氧化剂供应器 64，其连接至第二氧化剂管线40，氧化区60的氧化剂可通过第二氧 化剂管线而接收供应的氧化剂。在氧化区60中，燃料和氧化剂发生放 热氧化反应，即尽可能地接近全燃烧，所产生的燃烧排放气体随后进 入下游混合区66，即流向图3中的右侧。后燃器36的各个区在图3 中以虚线彼此分开表示。这些区可以通过结构特征或流动界面而彼此 分开。在混合区66中，所产生的排放气体通过混合器34而与阳极排 放气体混合。与阳极排放气体混合的气体混合物进入燃烧区68，在所 示的代表性实施例中，该燃烧区充填有多孔体，在该多孔体中气体混 合物近乎全燃烧，即气体混合物在燃烧区68的多孔体中变为白炽化。
在第一代表性实施例的一种改型中，第一燃料罐16和第二燃料罐 20中储存的燃料具有相同等级，但聚集状态(state of aggregation)(即 气态、液态)不同。在这种配置下，例如，某种燃料可以以液体形式 储存在第一个罐中，相同等级的燃料可以以气体形式储存在另一个罐 中，这样，所述第一个罐及其相应燃料管线中存在的压力高于以气态 保持着燃料的所述另一个罐。
应当指出，在第一代表性实施例中使用过的附图标记将在下面用来表示具有与第一代表性实施例中相同功能的相同元件，并且不再详 细描述以防止烦琐的重复。
现在参看图4，示出了根据第二代表性实施例的燃料电池系统的 示意图。第二代表性实施例的燃料电池系统10与图1所示燃料电池系
统的区别在于，不是设置第一和第二燃料罐16和20，而是将单一的 燃料罐70安装在机动车辆中。该燃料罐70向第一、第二和第三燃料 管线14、 18、 38供应相同等级的燃料。在第二代表性实施例中，重整 器12的初级燃料供应器50和后燃器36的燃料供应器62被以下述方 式设置或操作，从而由重整器12的初级燃料供应器50供应的燃料进 入重整器12的相应区时的温度不同于由后燃器36的燃料供应器62 供应的燃料。为此，初级燃料供应器50和燃料供应器62设有加热器/ 冷却器(未示出)。作为替代性方案，燃料的不同供应温度还可以通过 第一和/或第三燃料管线14、 38中的加热器/冷却器实现。温度不同还 导致燃料在重整器12的初级燃料供应器50以不同于后燃器36的燃料 供应器62中的聚集状态输送。
需要明确指出，尽管这里参照相应附图描述了各代表性实施例以 及它们的改型，但各代表性实施例以及它们的改型之间的全部以及每 种组合都包含在本发明的范围内。例如，同样可行的是组合第一和第 二代表性实施例，其中不同等级的燃料被以不同的温度供应至重整器 和后燃器。
尽管未在前面描述的附图中明确显示，但相应的输送系统例如泵 或吹风机和/或控制阀可以设置在燃料管线14、 18和38中，设置在氧 化剂管线22和40中，以及设置在阴极供应空气管线28中。
可以理解，说明书、附图和权利要求书中公开的本发明的特征对 于实现本发明而言可能是必需的，这些特征可以本身或相互组合来实 现本发明。
附图标记列表
10燃料电池系统 12重整器
914第一燃料管线
16第一燃料罐
18第二燃料管线
20第二燃料罐
22第一氧化剂管线
24重整产物管线
26燃料电池堆
28阴极供应空气管线
30电终端
32阳极排放气体管线
34混合器
36后燃器
38第三燃料管线
40第二氧化剂管线
42混合器
44阴极排放空气管线
46热交换器
48氧化区
50初级燃料供应器
52氧化剂供应器
54混合区
56次级燃料供应器
58重整区
60氧化区
62燃料供应器
64氧化剂供应器
66混合区
68燃烧区
70燃料罐
权利要求
1. 一种燃料电池系统(10)，包括-重整器(12)，具有氧化区(48)，该氧化区用于通过燃料供应器(50)而接受罐储燃料的供应，以与氧化剂发生反应；以及-后燃器(36)，具有氧化区(60)，该氧化区用于通过燃料供应器(62)而接受罐储燃料的供应，以与氧化剂发生反应，其特征在于，重整器(12)的燃料供应器(50)和后燃器(36)的燃料供应器(62)被设计成以下述方式供应燃料由重整器的燃料供应器(50)供应的燃料与由后燃器(36)的燃料供应器(62)供应的燃料在燃料等级和/或聚集状态和/或供应压力和/或供应温度方面彼此不同。
2. 如权利要求1所述的燃料电池系统(10)，其特征在于，重整 器(12)的燃料供应器(50)被设计成适于连接至第一燃料罐(16)， 后燃器(36)的燃料供应器(62)被设计成适于连接至分设的第二燃 料罐(20)。
3. —种机动车辆，包括如前面权利要求中任一所述的燃料电池系 统(10)。
4. 如权利要求3所述的机动车辆，其特征在于，共有两个燃料罐 (16， 20)被提供，其中一个燃料罐(16)连接至重整器(12)的燃料供应器(50)，第二个燃料罐(20)连接至后燃器(36)的燃料供应 器(62)。
5. —种操作燃料电池系统(10)的方法，包括下述步骤-从燃料罐(16; 70)供应燃料至重整器(12)的氧化区(48)， 在此燃料与氧化剂发生反应；以及-从燃料罐(20; 70)供应燃料至后燃器(36)的氧化区(60)，在此燃料与氧化剂发生反应，其特征在于，供应至重整器(12)的氧化区(48)的燃料与供应 至后燃器(36)的氧化区(60)的燃料在燃料等级和/或聚集状态和/ 或供应压力和/或供应温度方面彼此不同。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，供应至重整器(12) 的氧化区(48)的燃料是从第一燃料罐(16)供应的，供应至后燃器 的氧化区(60)的燃料是从分设的第二燃料罐(20)供应的。
全文摘要
本发明涉及一种燃料电池系统(10)，其包括重整器(12)，具有氧化区(48)，用于通过燃料供应器(50)而接受罐储燃料的供应，以与氧化剂发生反应；以及后燃器(36)，具有氧化区(60)，用于通过燃料供应器(62)而接受罐储燃料的供应，以与氧化剂发生反应。根据本发明，重整器(12)的燃料供应器(50)和后燃器(36)的燃料供应器(62)被设计成以下述方式供应燃料由重整器的燃料供应器(50)供应的燃料与由后燃器(36)的燃料供应器(62)供应的燃料在等级和/或聚集状态和/或供应压力和/或供应温度方面彼此不同。本发明还涉及包括这种燃料电池系统的机动车辆和操作这种燃料电池系统的方法。
文档编号H01M8/04GK101490886SQ200780026596
公开日2009年7月22日 申请日期2007年6月21日 优先权日2006年7月13日
发明者A·安格尔, B·布勒克尔, M·博尔策, M·普法尔茨格拉夫, M·罗祖梅克, M·聚斯尔, M·贝登贝克尔, S·克丁 申请人:艾纳尔达公司