燃料电池系统及用于其操作的方法与流程

本发明涉及燃料电池系统和操作该燃料电池系统的方法。特别地，本发明涉及燃烧器和重整器的组合在燃料电池系统中的用途，其中燃烧器的排气用于加热重整器。

背景技术：

燃料电池系统在发电时会产生作为副产物的热。通过循环经过燃料电池中的通道的冷却液除去这些热，其中，调节冷却液流过热交换器和散热器的流量，以将燃料电池保持在稳定的最佳操作温度。冷却液有利地用于在启动状态期间加热燃料电池。

同一申请人的wo2016/008486公开了一种紧凑型燃料电池系统，其包括燃料电池堆以及燃烧器/重整器组合。燃烧器的排气沿重整器通过并对其进行加热，以使重整器达到由蒸发的燃料制合成气所需的温度。一旦燃烧器的排气已通过重整器，它会将热量传递到重整器下游的热交换器模块。热交换器模块包括散热器，该散热器用于将热能传递到冷却系统中的冷却液，以便在应将燃料电池堆快速激活的启动状态下加热冷却液。尽管该系统特别在启动情况下是有利的，但是仍需要进一步的改进。

专利文件wo2013/161470，wo2013/187154，us2014/287332，us2014/227619，ep2984695和us4670359中公开了多种不同的其他燃料电池系统。

尽管这些公开内容提出了改进，但是仍然需要改进燃料电池系统的效率。特别地，需要在启动期间以及正常的发电操作中更好地控制燃料电池的操作。

技术实现要素：

本发明的目的是在本领域中提供改进。特别地，一个目的是提供一种具有改进的操作控制的燃料电池系统。另一个目的是改善燃料电池系统的启动状态。特别地，目的是在启动状态下优化燃烧器的使用。这些目标是通过以下更详细说明的系统和方法实现的。

燃料电池系统包括燃料电池、用于提供液体燃料的液体燃料供应装置、用于使液体燃料蒸发成燃料蒸气的蒸发器、用于将燃料蒸气催化转化成用于在燃料电池中使用的合成气的重整器。此外，提供了一种燃烧器，该燃烧器的排气部经由排气流动路径与重整器流体连通，用于通过排气加热重整器。

在实际的实施例中，燃烧器包括布置在混合室的延伸方向上和下游的催化整料，在混合室中，空气和蒸发的燃料或剩余气体在进入整料之前被混合。

有利地，混合室被套筒围绕，该套筒包括围绕混合室的多个开口，用于经由开口供应燃料蒸气或剩余气体。

可选地，所述开口不是垂直于套筒表面延伸贯穿该套筒，而是沿朝向该整料的方向倾斜，以形成剩余气体或燃料蒸气的朝向该整料的流动。已经发现这对于优化混合是有利的。

作为选择，套筒包括两组开口，每组开口分布在垂直于套筒的纵向轴线的平面中，其中第一组开口的平面与第二组开口的平面相距一距离。在燃料电池系统的启动阶段中，第一组开口用于燃料蒸气，在燃料电池系统的正常操作中，第二组开口用于剩余气体。

可选地，该系统配置成使得第一组开口例如仅在或主要在启动阶段期间用于将燃料蒸气输送到混合室中。可选地，作为替代或补充，该系统配置成使得第二组开口例如仅在或主要在燃料电池系统的正常操作期间仅用于将剩余气体输送到混合室中。

可选地，为了与燃料电池的正常操作相对比地调节启动阶段的质量流量，第一组开口中的开口的数量或尺寸与第二组开口中的开口的数量或尺寸不同。例如，两组开口中的开口具有相同的尺寸，但是第二组开口中的开口数量更多。通过不同组的开口的这种布置，以非常简单但有效的方式实现了受控且稳定的预定流量。

具有其技术特征的该套筒已引起对燃料电池系统的操作尤其是空气与燃料蒸气和剩余气体的混合的更好的控制。

在详细描述本发明的其他实际实施例之前，以下讨论对于进一步理解本发明的优点是有用的。在燃料电池系统的启动期间，期望温度快速升高，这又要求积极使用燃烧器和高温排气。这在一定程度上是有利的，因为在高温下有效使用燃烧器意味着所谓的清洁燃烧。然而，发明人已经认识到，在启动情况下的最佳燃烧期间，排气的温度可能变得如此之高，以致于存在由于排气的热量而导致重整器劣化的风险。因此，必须在燃烧器的效率和到达重整器的排气的温度之间找到平衡。然而，作为通过增加气流来降低燃烧器效率进而降低排气温度的直接技术方案的替代，本发明人发现一种更好但仍然简单的解决问题的方案，本方案在有效使用燃烧器的同时避免了重整器的劣化。

简单的方案意味着在燃烧器与重整器之间的排气流动路径中设置热交换器，以在排气到达重整器之前降低来自燃烧器的排气的温度。通过在燃烧器和重整器之间提供排气热交换器，在排气到达重整器之前，可通过排气热交换器有效地除去来自燃烧器的排气的大部分热能，这保护了重整器并且同时有效地将热能传递到燃料电池系统中的其他部件，尤其是燃料电池。要指出的是，仅在正常操作期间才需要对重整器进行加热，从而使排气中的大部分热量有利地在启动期间传递至燃料电池。

通过允许更高的排气温度，可以减少通过燃烧器的空气流，这导致相比于在其中使用增加的空气流来防止重整器过热的现有技术中使用的典型空气流而言具有更好燃烧效果。

燃料电池系统中的术语燃料电池在此为了简化而使用，并且必须理解为还隐含多个燃料电池，例如燃料电池堆。通常，电池堆中的燃料电池相互连接以共享共用的冷却回路。

例如，燃料电池是高温质子交换膜燃料电池，也称为高温质子电解质膜(htpem)燃料电池，其在120摄氏度以上的温度下操作，从而使htpem燃料电池与低温pem燃料电池区分开，该低温pem燃料电池在100摄氏度以下的温度下操作(例如70摄氏度)。htpem燃料电池的操作温度在120摄氏度至200摄氏度的范围内，例如在160摄氏度至170摄氏度的范围内。htpem燃料电池中的电解质膜是基于无机酸的，通常是聚合物膜，例如掺杂有磷酸的聚苯并咪唑。

当使用液体燃料时，用于燃料电池的氢是通过将液体燃料转化为包含大量气态氢的合成气而产生的。液体燃料的一个例子是甲醇和水的混合物，但是也可以使用其他液体燃料，尤其是其他醇，包括乙醇。为了进行转化，将液体燃料在蒸发器中蒸发，然后在燃料蒸气进入燃料电池之前，在重整器中将燃料蒸气催化转化为合成气。htpem燃料电池的优势在于可以耐受较高的co浓度，因此不需要在重整器和燃料电池堆之间安装prox反应器，因此可以使用简单，轻巧和廉价的重整器，从而最大程度地减少了系统的总尺寸和重量，这符合提供例如用于汽车工业的紧凑型燃料电池系统的目的。

为了接收液体燃料，蒸发器具有至液体燃料供应装置的上游液体管道，并且配置为将液体燃料蒸发成燃料蒸气，然后经由在蒸发器下游侧与重整器的上游侧之间的蒸气管道将燃料蒸气供给到重整器中。另外，重整器具有通向燃料电池的下游合成气管道，经由该下游合成气管道将合成气提供给燃料电池。

为了达到与重整器中的转化过程相关的温度，例如大约280摄氏度，在燃料电池的正常操作期间使用燃烧器。例如，燃烧器的排气通常通过热排气沿着重整器的外壁的流动而用于加热重整器的壁。有利地，重整器的外壁设置有薄的金属叶片或翅片，以确保在排气和重整器的壁之间的良好的热能传递。重整器的壁由良好的导热材料制成，例如铝。申请人在wo2017/121431和wo2017/207004中公开了有用的挤出成型的紧凑型重整器的示例。

在实际的实施例中，上游液体管道被连接到液体燃料供应装置，以从液体燃料供应装置向蒸发器提供液体燃料。此外，蒸气管道连接至重整器，以将来自蒸发器的燃料蒸气提供给重整器。从重整器到燃料电池的合成气管道将来自重整器的合成气提供至燃料电池。

在燃料电池系统的启动期间，将蒸发的燃料和空气提供给燃烧器，并进行催化燃烧以提供热排气。热能在排气热交换器中传递给冷却液。热能从冷却液传递到燃料电池，以通过热能加热燃料电池，以达到用于发电的温度。

该系统配置为一旦达到系统的适当温度，就从启动状态切换到燃料电池的正常操作。在正常操作期间，来自燃料电池的剩余气体被提供给燃烧器，燃烧器以催化方式燃烧剩余气体以提供热排气，该热排气的热能被传递到重整器。

可选地，排气热交换器也可用于在正常操作期间降低排气的温度，尽管通常情况并非如此，因为排气的全部热量都用于加热重整器。

设置有冷却液回路，用于通过冷却液冷却燃料电池。冷却液回路包括主热交换器，该主热交换器配置成用于在冷却液进入燃料电池之前冷却该冷却液。例如，主热交换器包括鼓风式冷却器，该鼓风式冷却器配置用于将空气吹到冷却器上，以将热量从主热交换器中的冷却液传递到空气。

在一些实施例中，冷却回路包括主冷却回路，该主冷却回路用于通过来自主冷却回路的冷却液来冷却燃料电池。因此，主热交换器设置在主冷却回路中，并且配置为在冷却液进入燃料电池之前冷却该冷却液。此外，燃料电池系统包括穿过排气热交换器的辅助冷却回路，用于将热量从排气传递到辅助冷却回路中的冷却液。对于正常操作，主冷却回路和辅助冷却回路不一定需要热耦合/热联接，而是可以彼此独立地发挥作用。然而，对于其中热量从排气传递到燃料电池的启动阶段，如果主冷却回路和辅助冷却回路例如经由辅助热交换器彼此热连接或甚至彼此流体连接以使它们共享冷却液是有利的。

已通过使燃烧器和排气热交换器彼此邻接以形成紧凑的燃烧器模块找到了紧凑的解决方案。

wo2016/008486、-87和-88中给出了在空间有限的情况下使用的紧凑型燃料电池系统的有用示例。这样的一般配置对于本发明也是可能的。

具有两组开口的套筒的特殊构造是独立于在此提出的排气热交换器的发明，但是有利地与之结合。

为清楚起见，在此指出，本文中的所有温度均以摄氏度为单位给出。

附图说明

将参照附图更详细地解释本发明，其中

图1示出了具有冷却回路的燃料电池系统的流程图。

图2是a)组装状态下的和b)分解图的燃烧器模块的视图。

图3是燃烧器模块的局部剖视侧视图。

图4a-j示出了替代流程图。

具体实施方式

图1示出了燃料电池系统1，该燃料电池系统1包括燃料电池，例如燃料电池堆2，从燃料供应箱3为该燃料电池供应液体燃料，例如甲醇和水的混合物。第一燃料泵4a经由液体管道5a将来自燃料箱3的液体燃料泵送至蒸发器6，在蒸发器6中，液体燃料的温度在燃料热交换管道5b中升高，直到燃料蒸发。该蒸气被进给到重整器7中，该重整器7例如通过使用催化剂将蒸气催化转化为合成气，该催化剂可选地包含铜。合成气主要由氢气和二氧化碳以及少量的水雾和一氧化碳组成。合成气经由合成气管道5c而在质子电解质膜的阳极侧被供应到燃料电池堆2，而通常来自空气的氧气被供应到质子电解质膜的阴极侧。

为了达到与重整器7中的转化过程相关的温度，例如大约280摄氏度，采用燃烧器模块8，其使用来自燃料电池堆2的阳极剩余气体进行燃烧。剩余气体经由剩余气体管道5d从燃料电池堆2供应至燃烧器模块8。例如，由于剩余气体的燃烧，燃烧器8的排气具有350-400摄氏度的温度，并且通常用于通过沿重整器6的外壁引导排气而加热重整器6的壁。

冷却回路9被用于控制燃料电池堆2的温度。冷却回路9包括包含冷却泵10的主回路9a，该冷却泵将来自燃料电池堆2的出口部分2a的冷却液泵送通过主热交换器11，然后通过燃料电池堆2以调节冷却液和燃料电池堆2的温度，例如，温度在120摄氏度到200摄氏度的范围内，例如在170摄氏度下。后者是高温pem燃料电池堆的典型温度。

冷却回路9包括辅助冷却回路9b，该辅助冷却回路9b从主冷却回路9a分支，并且将冷却液从主冷却回路9a引导经过流量调节阀12并且通过冷却液热交换管道9b'而引导经过蒸发器6。冷却液热交换管道9b'与燃料热交换管道5b热连接，用于将热从冷却液传递到液体燃料以使其蒸发，这导致辅助回路中的冷却液的温度下降，该冷却液之后在进入燃料电池堆2的入口2b之前与来自主液体回路的冷却液混合。通过使用在主冷却回路9a中的主热交换器11来控制正确的温度。例如，高温pem燃料电池堆的温度为170摄氏度，并且在蒸发器6中温度下降至接近于160度，这是在燃料电池堆2的入口所需的温度。为了精确地控制燃料电池堆2的入口2b处的冷却液温度，仅需要对冷却液的温度进行少量调节即可。

如图1所示，辅助冷却回路9b还引导冷却液通过燃烧器模块8。这对于启动情况很重要，在启动情况下，希望燃料电池系统1迅速达到正确的工作温度。为此，燃烧器模块8在启动阶段不仅用于加热重整器7，而且用于加热辅助冷却回路9b中的冷却液。为了加热，燃烧器模块8通过第二燃料泵4b和燃料管13从燃料箱3接收液体燃料。液体燃料在燃烧器模块8内部的燃烧器-蒸发器单元中蒸发，这将在下面更详细地解释。

要指出的是，对于燃料电池堆2的正常发电操作的情况而言，辅助冷却回路9b中的冷却液被引导通过燃烧器模块8是可选的，并且该辅助冷却回路9b能被容易地修改以从启动模式切换到正常操作模式，在该启动模式下，冷却液被引导通过燃烧器模块8，在正常操作模式下，冷却液绕过燃烧器模块8，类似于所示的位于重整器7周围的、辅助冷却回路9b的旁路。

然而，在一些系统中，由于因燃烧器8倾向于提供对于重整器7而言过于热的排气，从而期望在将来自燃烧器模块8的排气用于加热重整器7之前对排气进行冷却的事实，可能有利的是，在燃料电池堆2的正常操作期间也保持将冷却液引导通过燃烧器模块8。

参照图2说明燃烧器模块8的示例。图2a示出了处于组装状态的燃烧器模块8并且图2b以分解图示出了燃烧器模块8。管连接器13a从图1的燃料管13接收液体燃料。呈已蒸发形式并已与来自空气供应装置14的空气混合的燃料进入燃烧器模块8并被催化燃烧以提供热。在启动情况下，燃烧器外壳15也可通过插入外壳15的容纳部16中的电加热元件(未示出)进行预热。在燃料燃烧期间产生的排气经由排气热交换器17离开燃烧器模块8。排气热交换器17具有从冷却液入口18a到冷却液出口18b的冷却液路径18。在启动情况下，排气在排气热交换器17中加热冷却液，以利用经加热的冷却液加热燃料电池2。

可选地，在燃料电池堆2的正常操作期间，燃烧器的排气被冷却液冷却以热保护重整器7。然而，这通常不是必需的。

压力探针用于控制燃烧器并连接到探针连接器34。

燃烧器模块8包括燃烧器-蒸发器19，燃料或剩余气体在其中燃烧的燃烧器8′以及排气热交换器17。图2b以分解图示出了燃烧器模块8，其中排气热交换器17与燃烧器8'分离。通过管连接器13a接收的燃料在燃烧器-蒸发器19中蒸发，该燃烧器-蒸发器包括在燃烧器模块8的壁中并且与从其接收热量的燃烧器室20热接触。在燃烧器室20的内部设置有用于燃料的催化燃烧的整料21。该整料21由填料缸22围绕。填料缸22可选地构造成使得其在加热时会略微膨胀，这使得在生产过程中能够平滑地组装并在使用时牢固地保持该整料。套筒23围绕填料缸。套筒23具有更大的长度，以便超出整料21而延伸进入区域24并围绕区域24，以便在整料21和空气供应模块25之间形成混合室。空气供应模块25从空气入口28接收空气并沿多个叶片25a将空气向外分配到区域24中，在该区域中，呈湍流形式的空气与蒸发的燃料或剩余气体混合，以在整料21中催化燃烧。剩余气体经由剩余气体短管26a从燃料电池堆2被接收并进入剩余气体入口26。盖板27设有相应的凹口26b。

当燃烧器模块8通过管连接器13a接收液体燃料时，液体燃料进入燃烧器-蒸发器19。所示的燃烧器-蒸发器19具有与wo2016/08488中公开的燃烧器-蒸发器相似的方面。当液体燃料在路径的包含突出元件的第一部分19a上并沿该第一部分通过燃烧器-蒸发器时，液体燃料被加热，从而导致液体的雾化和部分蒸发。蜿蜒地/呈蛇形地形成并向燃料提供进一步的热量的第二路径19b导致完全汽化，因此增加蛇形路径的宽度是有用的。在路径19b的端部，蒸发的燃料通过开口19c进入燃烧器室。

申请人在wo2016/004886、wo2016/004887、wo2016/004888和wo2017/207004中公开了可能的重整器和燃烧器-蒸发器。这些参考文献还公开了相对于容量而言具有重量轻且尺寸小的紧凑型燃料电池系统的技术解决方案。

燃烧器8′在图3中以局部侧视剖视图示出。在整料21和空气供应模块25之间是在图2b中示出的区域24。该区域24形成混合室31，在该混合室中，空气和燃料或空气和剩余气体被混合，这取决于所述状态是处于启动阶段还是在正常操作。对于启动阶段，经由开口19c(见图2b)、经由燃料通道30(参见图3)，从燃烧器-蒸发器19提供蒸发的燃料，该燃料通道与第一组开口29a连通，以使蒸发的燃料流入区域24内的混合室31。

在启动之后，停止通过燃烧器-蒸发器19的燃料供应，并且通过剩余气体入口26从燃料电池堆2提供剩余气体，参见图2b，并进入剩余气体通道32，见图3。剩余气体通道32与套筒23的第二组开口29b流动连通，以使剩余气体流入区域24内的混合室31。

来自混合室31的混合气体进入整料21，以燃烧混合物并产生热量。来自整料21的排气沿排气流动路径33朝向重整器7地穿过排气热交换器17，以将热量从排气传递到冷却液以在启动阶段加热燃料电池系统1。

可以看出，第二组开口29b的数量大于第一组开口29a的开口数量。这是由于调节了进入混合室31和从混合室31进入整料21的所需质量流量，其中正常操作期间所需的质量流量大于启动阶段的质量流量。

可选地，开口29a，29b倾斜以朝向整料21流动，这对于优化混合是有利的。

图4示出了图1的辅助冷却回路9b的一些替代方案。

在图4a中，辅助冷却回路9b在冷却泵10的上游分支，导致冷却液的流动相对于图1的辅助冷却液回路9b中的流动反向。

在图4b中，辅助冷却回路9b在主热交换器11的下游分支而不是上游。

在图4c中，辅助冷却回路9b包括穿过重整器7的附加分支，用于调节重整器7的温度，例如在启动期间为了热保护而冷却重整器。为了进行不同的/区分的调节和控制，设置了两个调节阀32a，32b。

在图4d中，辅助冷却回路9b包括穿过重整器7的附加分支，用于调节重整器7的温度。为了进行不同的调节和控制，设置了两个调节阀32a，32b。另外，辅助冷却回路9b在冷却泵10的上游分支，从而导致冷却液的流动相对于图1的辅助冷却液回路9b的流动反向。

在图4e中，辅助冷却回路9b包括穿过重整器7的附加分支，用于调节重整器7的温度。为了进行不同的调节和控制，设置了两个调节阀32a，32b。另外，辅助冷却回路9b在第一热交换器11的下游而不是上游分支。

在图4f中，辅助冷却回路9b在主热交换器11的下游而不是上游分支，以流经燃烧器模块8，并且直接从燃烧器模块8返回至泵10。

在图4g中，辅助冷却回路9b包括穿过重整器7的附加分支，用于调节重整器7的温度。为了进行不同的调节和控制，设置了两个调节阀32a，32b。另外，设置了经由另外的调节阀32c返回到泵10的回流管道9d。

在图4h中，辅助冷却回路9b包括穿过重整器7的附加分支，用于调节重整器7的温度。为了进行不同的调节和控制，设置了两个调节阀32a，32b。另外，设置了经由另外的调节阀32c返回到泵10的回流管道9d。辅助冷却回路9b在主热交换器11的下游分支。

在图4i中，主冷却回路9a中的流动与辅助冷却回路9b中的流动分离。通过辅助热交换器11b提供用于主冷却回路9a和辅助冷却回路9b之间的热传递的热连接。辅助冷却回路9b中的流动由辅助冷却泵10b引起，使得冷却液从辅助冷却泵10b流过燃烧器模块8，然后流至辅助热交换器11b。

在图4j中，主冷却回路9a中的冷却液的流动与辅助冷却回路9b中的冷却液的流动分离。通过辅助热交换器11b提供用于主冷却回路9a和辅助冷却回路9b之间的热传递的热连接。辅助冷却回路9b中的流动由辅助冷却泵10b引起，使得冷却液从辅助冷却泵10b流经燃烧器模块8，然后流经重整器7并且之后流至辅助热交换器11b。

例如，以下参数适用。对于提供5kw功率的htpem堆，典型尺寸为0.5mx0.25mx0.14m。例如，带有燃烧器、蒸发器和重整器的整个燃料电池堆的重量约为20千克，包括电子设备，冷却液泵，主热交换器和阀的整个燃料电池系统的重量约为40-45千克。