专利名称：燃料电池系统和控制燃料电池系统的温度的方法
燃料电池系统和控制燃料电池系统的温度的方法
技术领域：
本发明涉及包含至少一个发热组件和至少一个使用工艺空气的组件的 燃料电池系统。
本发明还涉及控制燃料电池系统的温度的方法。
燃料电池系统用于产生电能和热能，使用化石燃料作为主要原料，其 重要性不断增大。在移动行业(即特别是机动车辆)中优选使用车辆常用的燃 料，而在非移动行业(即特别在家庭应用)中使用天然气和燃料油。
为了处理这些燃料需要重整过程，重整过程至少部分是强烈放热的。 还应用于后燃器，后燃器能够在放热反应中转化燃料电池的废气或主要进
料燃料。在燃料电池系统(特别是在固体氧化物燃料电池(SOFC)的情况中) 中由燃料电池自身产生的废热量可能很大，必须考虑。因此，根据操作温 度和设计，燃料电池系统中的温度在500到100(TC的范围内。
为了减小燃料电池系统由于热量传递到环境中而损失，将燃料电池系 统的组件放置在隔热装置中。但是这种隔热装置自然不能完全避免热损失。 除此之外，特别是在引入的区域(特别是为了提供或排放流动介质，比如燃 料进料、空气进料或排出废气)特别容易发生热损失。由DC/DC或DC/AC 转换器产生的废热可以视为燃料电池系统的能量损失。
这些过量的废热一方面降低系统的效率，另一方面还可能造成故障， 例如当在热天操作燃料电池系统进行空气调节时。
本发明的目的是提供热损失减小并且温度控制改善的燃料电池系统。
该目的通过独立权利要求的特征实现。
从属权利要求说明了有利的实施方案。
本发明基于一般的燃料电池系统，其中发热组件可以接收供应的环境 空气，以利用发热组件来加热，因此，加热的空气可以作为工艺空气送入 使用工艺空气的组件。因此，以这种方式，由进入的环境空气吸收的热量 可以通过燃料电池系统中发生的化学和电化学过程返回系统中，从而可以 回收。可以方便地使发热组件放置在外壳中，环境空气可以送入外壳的内部。 所述外壳可以容纳多个发热组件，并使供应的环境空气形成沟流，使得所 有发热组件释放的热可以帮助加热供应的环境空气。
同样地， 一个发热组件可以位于外壳外面，而其他发热组件位于外壳
内。例如，可以方便地使DC/DC或DCZAC转换器与燃料电池系统的其他 较热的组件离开一段距离。对于提供不打算用于供应环境空气并容纳转换 器的外壳，这可能使有用的。如果这样，将环境空气用于转换器就需耍单 独进行，或者不再利用转化器的废热。
在另一个特别优选的实施方案中，所述外壳可以是隔热装置，该隔热 装置可以是在任何情况中在燃料电池系统的发热组件周围的隔热装置或者 是在任何情况中提供的隔热装置周围提供的附加隔热装置。在后 -种情况 中，空气流在传统隔热装置和附加隔热装置之间。
根据本发明的另一个优选实施方案，至少一个发热组件是重整器和/或
后燃器和/或燃料电池堆和/或介质管道禾n/或DC/DC转换器。
可以方便地将供应的环境空气送入第一温度下的第一组发热组件，然 后送入后面的在第二温度下的发热组件，所述第一温度低于第二温度。由 于传热速率取决于所使用的介质的温度差，在这里通常还首先对较冷组件 施加较冷的环境空气，以形成较大的温差。已经加热的空气然后可以送入 较热的组件，这里也相应存在较大的温差。以这种方式，在控制燃料电池 系统的温度时可以控制所有组件的温度。
特别有利地，所述环境空气可以由使用工艺空气的组件配备的鼓风机 输送，从而不需要用于将环境空气引入系统中的附加鼓风机。
所述使用工艺空气的组件可以是重整器和/或后燃器和/或燃料电池堆。
本发明还涉及根据本发明控制燃料电池系统的温度的方法。
下面参考附图根据特别优选的实施方案描述本发明，附图中
图1显示了传统燃料电池系统；
图2显示了根据本发明的燃料电池系统的第一实施方案； 图3显示了根据本发明的燃料电池系统的第二实施方案。下面对附图的描述中相同或可比的组件使用相同的标记。
图1显示了传统燃料电池系统。该典型燃料电池系统IO包含部分位于
隔热装置38内的多个组件。重整器12、燃料电池堆14和后燃器16通过介 质连通管相连。因此，重整器12通过燃料进料器18接收由燃料泵42输送， 并由鼓风机40空气输送的供应燃料。重整器12中产生的富氢重整产物通 过重整产物管26进入燃料电池堆M的阳极端，燃料电池堆14通过阴极进 料空气管22和配备的鼓风机44接收另外的供应的空气。燃料电池堆14的 阳极废气通过阳极废气管28进入后燃器16，后燃器16同样通过空气进料 管24和配备的鼓风机46接收供应的空气。后燃器16中产生的废气通过废 气管30离开燃料电池系统10。燃料电池堆14产生的电送入转换器32，例 如DC/DC或DC/AC转换器。所述燃料电池系统10可以有多种变化，例如， 废气从后燃器16循环，从阴极离开燃料电池堆14的空气可以送入后燃器 16。还可以提供热交换器，在各介质流体之间实现热交换，热交换器也可 以有多种变化。
这种燃料电池系统10的缺点在于热损失， 一方面，如箭头48、 50所 示，通过隔热装置38自然的热损失，另一方面，特别是通过隔热装置38 的引入区域的热损失，例如，在箭头52所示的介质进料器的区域。在箭头 54所示的转换器32处也会发生热损失。
图2显示了根据本发明的燃料电池系统的第一实施方案。为了避免上 面对图l所述的问题，建议提供外壳36，其具有至少一个用于通入环境空 气34的空气入口 56。还提供了与鼓风机40的空气进入侧相连的空气出口 58。外壳36中安装有燃料电池系统10的发热组件。当鼓风机40运转时， 环境空气吸入外壳36中，外壳36可以包封隔热装置38和位于隔热装置38 外面的转换器32。冷的环境空气34输送热量并在加热条件下通过空气出口 58离开外壳36。随后，加热的环境空气作为工艺空气通过鼓风机40进入 重整器12。作为替代方案或另外的，加热的空气可以分别送入燃料电池堆 14和后燃器16。
利用上述方面，可以减少由系统整体释放的热，即由外壳36释放的热， 由于吸入的环境空气34形成包封隔热装置38的所谓第二皮层(其不断更 新)，并且由该皮层传导的热能通过工艺空气返回到燃料电池系统10。
6图3显示了根据本发明的燃料电池系统的第二实施方案。根据该示例
实施方案，隔热装置38自身具有空气进口 56和空气出口 58，因而冷的环 境空气直接包封组件(例如后燃器16、燃料电池堆14和重整器12)，在加热 条件下离开空气出口 58后，作为工艺空气通过鼓风机40返回重整器12。 这样涉及系统就不需要额外的外壳36(见图2)。为了也使由转换器32释放 的热能返回，需要单独的装置来返回热空气。
应当理解，上述描述、附图和权利耍求中公开的本发明的特征对于实 现木发明本身或任何组合是至关重耍的。
附图标记10燃料电池系统
12重整器
14燃料电池堆
16后燃器
18燃料进料器
20送气机
22阴极进料空气管
24空气进料管
26重整产物管
28阳极废气管
30废气管
32转换器
34环境空气
36外壳
38隔热装置
40鼓风机
42燃料泵
44鼓风机
46鼓风机
48目u大
750箭头 52箭头 54箭头 56空气进口 58空z气出口
权利要求
1、燃料电池系统(10)，其包含至少一个发热组件(12-32)和至少一个使用工艺空气的组件(12、14、16)，其特征在于所述发热组件可以接收供应的环境空气(34)，从而利用所述发热组件(12-32)来加热，并且这样加热的空气可以作为工艺空气供应给使用工艺空气的组件(12、14、16)。
2、 权利要求1的燃料电池系统，其特征在于所述发热组件(36、 38)装 在外壳内，环境空气可以供应到所述外壳的内部。
3、 权利要求1或2的燃料电池系统，其特征在于发热组件(32)位于外 壳(38)的外部，所述外壳中容纳有其他的发热组件(12-30)。
4、 权利要求2或3的燃料电池系统，其特征在于所述外壳是隔热装置 (38)。
5、 前述权利要求任一项的燃料电池系统，其特征在于所述至少一个发 热组件是重整器(12)禾n/或后燃器(16)和/或燃料电池堆(14)和/或介质管道(18-30)和/或DC/DC转换器(32)。
6、 前述权利要求任一项的燃料电池系统，其特征在于将供应的环境空 气(34)送入处于第一温度的第一组发热组件，再送入后面的处于第二温度的 发热组件，所述第一温度低于第二温度。
7、 前述权利要求任一项的燃料电池系统，其特征在于环境空气(34)可 以通过所述使用工艺空气的组件所配备的鼓风机(40)的输送来供应。
8、 前述权利要求任一项的燃料电池系统，其特征在于所述使用工艺空 气的组件是重整器(12)和/或后燃器(16)和/或燃料电池堆(14)。
9、控制前述权利要求任一项的燃料电池系统(10)的温度的方法。
全文摘要
本发明涉及包含至少一个发热组件(12-32)和至少一个使用工艺空气的组件(12、14、16)的燃料电池系统(10)。根据本发明，所述发热组件可以接收供应的环境空气(34)，从而利用所述发热组件(12-32)来加热，并且这样加热的空气可以作为工艺空气供应给使用工艺空气的组件(12、14、16)。本发明还涉及控制燃料电池系统的温度的方法。
文档编号H01M8/24GK101501910SQ200780026152
公开日2009年8月5日 申请日期2007年6月5日 优先权日2006年7月10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