专利名称：燃料电池系统和利用一种燃料电池系统发电的方法
技术领域：
本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述的燃料电池系统，特别是作为汽车的驱动系统，它配有一个重整炉单元，其用途是在供给空气的条件下从能源载体特别是从液态原料生产氢以用于开动所连接的燃料电池单元，依此，在重整炉单元和燃料电池单元之间安置了一个氧化装置，用来将一氧化碳转变成二氧化碳。此外，本发明还涉及一种如权利要求15前序部分所述的利用燃料电池系统发电的方法，特别用于汽车的驱动系统，其中，为了开动燃料电池单元，在供给空气的条件下在重整过程中从原料中生产出氢。依此，在重整过程之后和在燃料电池单元之前，将一氧化碳转变成二氧化碳。
EP 0217532公开过一种催化式氢发生器，该氢发生器在一个自热重整炉单元中从甲醇-气混合物中产生氢气。为此，在重整炉单元中安置了一支热电偶，它如此调制送给甲醇-空气混合物的空气供给量，使得随着重整炉中热电偶所在之处的温度不断增高而逐渐减少空气供给量。
在这种装置的不断发展中，WO 96/00186介绍过一种氢气发生器，在此，催化剂如此布置在甲醇-空气混合物的进入管周围，使得甲醇-空气混合物依径向流过催化剂。
DE 43 45 319 C2和DE 43 29 323 C2介绍了一种燃料电池发电系统，其中，在一重整炉单元中从一种甲醇-水混合物中产生氢气。此氢气被输送到一个相连的燃料电池以之用于发电。为了在重整炉中产生足够的反应热，一部分甲醇不供到甲醇-水混合物，而是在一附属燃烧器中燃烧掉。
DE 196 29 084 A1公开过一种配有从燃料电池做成驱动电池的电动车辆，在这里，燃料电池是如此布置的，使得它们被迎面风所冷却。
在一篇题为《Houreka？》的文章(载于《DE-Z Autotechnik》Nr.5/1997.第20/21页)中介绍了一种配有燃料电池驱动系统的汽车，在此，燃料电池运转所需的氢气是在汽车本身上从汽油中获得的。按一种多级过程，在此将汽油转化成氢气。在转化之前，将汽油置于一汽化器中通过加热而使之呈气态。在一个部分燃烧反应器中，在缺氧条件下产生氢气和一氧化碳。为了一氧化碳的氧化，配用了氧化铜催化剂和氧化锌催化剂，其中将水蒸汽作为供氧物输送给反应过程。在下一步，将最后的大约1％的一氧化碳部分在一种常规的铂-氧化催化剂中在供给空气条件下加以后燃烧。如此获得的由氢气、一氧化碳和二氧化碳组成的混合物仍含有10ppm一氧化碳，这一点对于所连接的燃料电池来说是无关紧要的。因此在一热交换器中冷却到大约80℃之后，即可将上述混合气体导入到燃料电池中。
在一篇题为《代用燃料》(“Alternative Fuel”)的文章(载于 JP-Eeitschrift Asia-Pacific Automotive Report,20.01.1998,V01.272, 第34至39页)中发表过一种用于汽车的相似的燃料电池系统，在该系统上配置了一个甲醇重整炉单元以用于产生为燃料电池所需的氢气。在这里，由氢和氧的电化学反应而产生的水被再用于重整过程。为了重整过程将消电离的水和甲醇混合起来，在250℃温度下加以汽化，并转化成氢气和二氧化碳。上述的氢气被送给一燃料电池，该燃料电池将此氢气同空气氧一起在一催化过程中转化成电能和水。为汽化和重整过程所需的热能是在一个同燃料电池相连的催化燃烧器中产生的，该燃烧器利用从燃料电池中排出的剩余气体工作。上述剩余气仍含有氢， 因为燃料电池装置仅仅利用所供给的氢气的大约75％。如果没有足够的剩余氢气供催化燃烧器使用，就得使用动力燃料箱中的甲醇，以用于使重整炉获得热量。在将在重整炉中产生的含有氢气成份的气体导入之前，该气体得利用催化反应加以净化，借此将一氧化碳转化成二氧化碳。按照所说明的用于汽车的一种燃料电池系统的一种结构形式，甲醇重整炉包含一个汽化器、一个重整炉和一个用于一氧化碳的氧化单元。
DE 43 22 765 C1介绍了一种方法和一种装置，用于配有燃料电池的车辆的动力功率调节，该燃料电池向一个电驱动单元供给电能。从相应于油门踏板位置的功率要求出发，计算出空气流量，该空气流是为了准备燃料电池方面相应额定功率所必需的。安置在燃料电池的吸入导管中的一个压缩机按照所需空气流量来调节其转速。
EP 0629013 B1介绍了一种方法和一种装置，用于一种燃料电池系统的空气供给。其中，作业空气利用一个处于进入相应燃料电池的入口前方的压缩机加以压缩。在流过燃料电池之后，被排出的废气为了回收能源而经过一透平减压，其中，透平、压缩机和一个附属的驱动电动机都安装在一个共同的轴上。压缩机是设计得可以变速的，而且与一个作为用于废空气减压的透平的膨胀器安装在一个共同的轴上。借助使用一个具有可变吸收能力的膨胀器，便可为燃料电池进行空气流量调节。
WO 97/16648公开过一种用于冷柜的螺旋式压缩机。这种螺旋式压缩机包含两个泵室，其中第一泵室的排出口与第二泵室的一个次级入口相连通。
本发明的任务在于如此进一步发展上述类型的燃料电池系统，使得能较经济和对环境较有利地使用它来发电，特别是用于汽车的驱动系统，它的效率高而且结构体积小。
按本发明，上述任务是通过上面述及的那种具有权利要求1特征部分特征的燃料电池系统和通过上面述及的那种具有权利要求15特征部分的特征的方法加以解决的。本发明的一些优选设计方案见各项从属权利中所述。
为此，根据本发明做了如下设定为重整炉单元和燃料电池单元配置了一个用于空气的二级式压缩机。
上述设计的优点在于无论对燃料电池单元的阳极还是阴极，尽管导管路程不同和须经过的级彼此各异，仍能提供相等的压力，这一点对于它们的作用原理具有重大的意义。因此，在压缩机的第一级上为了向燃料电池单元的阴极的空气供给，分接了一个具有较低压力的空气流，例如2.5巴至3.5巴压力特别是大约3巴压力的空气流；而从压缩机的第二级即用于重整炉单元18的初级空气供给的级上，则分接了一个具有较高压力的空气流，例如大约3.2巴至4.2巴特别是3.7巴压力的空气流。所以在第二级上的增高的压力考虑到了一开始的压力损耗，这种压力损耗是在从重整炉单元经过氧化单元至燃料电池单元的远程中产生的。
与所选择的压力的绝对高度无关，第一级和第二级之间的压力差大约为0.5至0.9巴特别是0.7巴压力。
二级式压缩器或者也可叫压缩机，可以设计成活塞式压缩器、螺旋式压缩机或螺旋式压缩器，也可以设计成离心式压缩器。
为了进一步改善经济性和改进结构空间需要，可以在氧化装置上配置一个喷水装置，以之向氧化装置喷水。
这样做的优点在于在从来自重整炉单元的具有高氢成分的用于燃料电池单元的过程气体中消除一氧化碳的同时，可进行充分的冷却或预冷却，从而可以不用费用很高的冷却装置或者只要用费用相对低的冷却装置便能将过程气体导引到燃料电池单元。此外，所喷入的水还能为一氧化碳的氧化提供所需的氧气，与此同时通过这一氧化反应附带地释放氢气，从而可以适量地减少对氧化装置的单独的氧气供给量，而且同时可提高过程气体中的氢气成分。在保持相同功率的前提下，通过在氧化装置中的附加的氢气增多，便可减小燃料电池系统的尺寸。这就相应地减少了燃料电池系统的结构空间需要，并降低了燃料电池系统的设备费用。
按照一个优选的结构形式，重整炉单元具有一个混合器，用于原料和一种含氧物质特别是水和/或空气的混合。
通过下述措施获得一个封闭的水循环系统而不必为重整过程携带大量的水在从燃料电池单元的阴极排出的废气流中和/或在从燃料电池单元的阳极排出的废气流中，安置一个水分离装置，特别是一个冷凝器，它将相关废气中所含的水分离出来，并将水送往一个与自热重整炉单元相串联的水储存装置。
根据一种有利的结构形式，配置了一个单独的水循环系统，该水循环系统对水分离装置、燃料电池单元、燃料电池单元的空气供给和/或重整炉单元的空气供给进行冷却。
为了产生相应的、对重整炉单元中的反应所必需的热能，配置了一个催化燃烧器，该燃烧器将从燃料电池单元的阳极排出的废气加以燃烧，并将相应的余热经过一热交换器输送给重整炉单元。
通过下述措施为重整炉单元获得了一种替代的热量生产方法催化燃烧器同一个原料储存容器相连。
通过下述措施实现能源回收在燃料电池单元的阴极的废气流中配置一个膨胀器，在燃料电池单元的供给空气流中配置一个压缩机特别是一个二级式压缩机，它们都被安装在一个共同的轴上。
原料最好是一种含氢的物质，特别是甲醇或汽油。
根据本发明，为上面述及的那种方法做了如下设定经过二级式压缩机的第一级向燃料电池单元供给空气，经过该压缩机的第二级向重整炉单元供给空气。
上述设定的优点在于无论对燃料电池单元的阳极还是阴极，尽管导管路程不同和须被通过的级彼此各异，都能提供相等的压力，这一点对于它们的作用管理具有重大意义。这样，在压缩机的第一级上为了向燃料电池单元的阴极供给空气，分接了具有较低压力的空气流，例如大约2.5至3.5巴压力特别是大约3巴压力的空气流；而从压缩机的第二级即用于向重整炉单元18初次供给空气的级则分接了一个具有较高压力的空气流，例如大约3.2至4.2巴压力特别是大约3.7巴压力。所以在第二级上的这一增高的压力考虑到了一开始的压力损耗，这一压力损耗是在从重整炉单元经过氧化单元至燃料电池单元的远路程中出现的。
为了进一步改善经济性特别是进一步改进结构空间需要，可在氧化装置上配置一个喷水装置，以之将水喷入氧化装置中。
上述之点的优点在于从来自重整过程的具有用于燃料电池单元的高氢气成分的过程气体中消除一氧化碳的同时，可进行充分冷却或预冷却，从而不要费用很大的冷却装置或者只用相对费用较小的冷却装置便能引导过程气体达到燃料电池单元。此外，所喷入的水还可为一氧化碳的氧化提供所需的氧气，与此同时通过这一氧化反应还可附带地释放出氢气，从而可以适量地减小向氧化装置的单独的氧气供给量，同时提高过程气体中的氢成分。在保持相同功率的前提下，借助氧化装置中的附加的氢增多便可减小燃料电池系统的尺寸。这样就相应地降低了燃料电池系统的结构空间需要及设备费用。
为了达到水供给的高效率，将水以蒸汽形式或悬浮微粒形式喷入。
可以通过下述措施来附带提高燃料电池单元的效率向处于一氧化碳的氧化和燃料电池单元和/或燃料电池单元的阴极之间的过程气体供给压缩空气。
通过下述措施可以得到一个封闭的水循环系统而不需要为重整过程携带大量的水从来自燃料电池单元的阴极的废气流中和/或从来自燃料电池单元的阳极的废气流中分离出水，并将水送给重整过程。
为了产生相应的为重整过程的反应所需的热能，将来自燃料电池单元的阳极的废气加以燃烧，并将相应的余热供给重整过程。
通过下述措施为重整炉单元得到一种替代的热能产生方式将原料加以燃烧，并将相应的热能供给重整过程。
最好用一种含氢的物质特别是甲醇或汽油作原料。
本发明的其它特征、优点和优选设计方案见各项从属权利要求以及下面参照附图
对本发明所做的说明中所述。附图表示本发明提出的一种燃料电池系统的一种优选结构形式的方框图。
在上述燃料电池系统中，利用一个自热重整炉单元18为配有阳极12、阴极14和冷却元件16的燃料电池单元10生产出氢气，该重整炉单元包含一个混合器20、一个热交换器22、一个汽化器24和一个催化重整炉26。为了生产氢气，例如将以甲醇储罐28中的甲醇作为原料和水箱30中的水输送给混合器20。在汽化器24中，甲醇和水组成的混合物被汽化；在催化重整炉26中，在一种催化反应中产生一种有高氢成分的具有原气体32形式的过程气体。
上述原气体仍含有一氧化碳(CO)，在引入到燃料电池单元10中之前必须消除此一氧化碳。为此，将原气体32引入氧化单元34中，于此，在经过导管36供给空气的条件下将一氧化碳氧化成二氧化碳(CO2)，从而使CO-含量小于20ppm。与此同时，经过导管44从水箱30中供给水，所供的水利用一喷水装置46喷入氧化单元34中。这一情况导致实现氧化单元34中的过程气体的同时冷却。在一个阳极气体冷凝器40中，将如此产生的和冷却的净气体38中的水抽出来，并经过导管42将抽出的水送回水箱30。然后将具有高氢成分的净气体38引入到燃料电池单元10的阳极12中。在大约180至200℃的温度下，净气体38例如含有50％H2，25％N2和25％CO2。在引入到阳极12中之前，该气体要在阳极气体冷凝器40中进一步冷却到例如大约85℃。
在阴极14一侧，经过导管48向燃料电池单元10供给从一个作为二级螺旋式压缩机50设计的压缩器49中出来的压缩空气。所有的导管在图中都是以虚线表示的。这样，燃料电池单元按已知方式以下列反应式产生电能
电能可分接到电极12.14上，并可输供给一个电动机52。二级螺旋式压缩机50包含一个具有例如大约3巴压力的第一级54，以用于阴极14；和一个具有例如3.7巴压力的第二级56，以用于输送给阳极12的可燃气体即脱氢的净气体38。利用螺旋式压缩机50上的另一分接头便可经过导管58将压缩空气输供给阳极气体冷凝器40后的净气体38。
在阳极废气流60中安置了一个水分离器62，该水分离器从阳极废气60中分离出水，并经过导管64将水送往水箱30。在阴极废气流66中安置了一个冷凝器68，该冷凝器将阴极废气66中的水抽出，并经过导管70将水送往水箱30。这样就为过程气体形成了一个封闭的水循环系统，从而为在重整炉单元18中制取氢气不需要携带大量的水。
为了冷却给混合器20的空气供给，以及为了冷却阳极气体冷凝器40、水分离器62、冷凝器68和给阴极14的空气供给48，配置了一个单独的水循环系统72，在图中以波纹线表示之。上述的单独水循环系统72包括一个冷却水容器74，一个带有消电离装置的水容器76及相应的热交换器78和80，这两个热交换器分别处于给阴极14的空气供给点48和给混合器20的空气供给点。
阳极废气流60流入一催化燃烧器82，在该燃烧器中阳极废气60在产生热能的情况下进一步被燃烧。上述热能利用热交换器22被送往汽化器24和催化重整炉26，并在该处保持催化反应以产生氢气。经过导管84向催化燃烧器82输供空气。在催化燃烧器82之后，可选择地经过导管86将水箱30中的水输供给阳极废气60。经过导管88可以有选择地将甲醇罐28中的甲醇输送给催化燃烧器82，从而即使在不充足的阳极废气流60的情况下，例如在起动燃料电池系统时，仍能保证为重整炉单元18产生足够的热能。
阴极废气流66在单独的水循环系统72的热交换器90中被冷却，随后经过热交换器92与阳极废气流60实现热连通，然后这两个废气流60和66才离开系统。
阴极废气流66这时经过一个膨胀式透平94被导引，该透平与一个用于吸入空气98的压缩机96一起安装在一个共同的轴100上，该压缩机是作为在二级式压缩机50之前的入口级而设置的。这样，就能将阴极废气流66中所含的能量加以回收以用于压缩机96中的空气98的压缩。
上述结构形式的一个特殊优点是高效率、小的结构空间需要和低的设备费用，其原因在于将二级式压缩机50、自热重整炉单元18连同附加冷却的水喷射装置46在氧化单元34中有选择地氧化一氧化碳(CO)时一起与一个自给自足的水循环系统30、40、42、62、64、68、70相组合。
权利要求
1．燃料电池系统，特别是作为汽车的驱动系统，配有一个重整炉单元(18)以用于在供给空气的条件下从一种能源载体特别是从一种液态原料(28)中生产氢气，以之用于后接的燃料电池单元(10)的运转，其中，在重整炉单元(18)和燃料电池单元(10)之间安置了一个氧化装置(34)，用来将一氧化碳转变成二氧化碳，其特征在于为重整炉单元(18)和燃料电池单元(10)配置了一个二级式空气压缩机(49)。
2．按权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于压缩机(49)具有一个其压力比压缩机(49)的第二级(56)低的第一级(54)，用于向燃料电池单元(10)的阴极(14)供给空气，压缩机(49)的第二级(56)，用于向重整炉单元(18)供给空气。
3．按权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于压缩机(49)是一种活塞式压缩机、一种螺旋式压缩机(50)或一种离心式压缩机。
4．按权利要求2或3所述的燃料电池系统，其特征在于第一级(54)中的压力大约为2.5至3.5巴特别是大约3巴。
5．按权利要求2至4中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于第二级(56)中的压力大约为3.2至4.2巴，特别是大约3.7巴。
6．按权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于第二级(56)中的压力比第一级(54)大约高0.5至0.9巴特别是高大约0.7巴。
7．按权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于重整炉单元(18)具有一个混合器(20)用于原料(28)和空气的混合。
8．按以上权利要求的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于在来自燃料电池单元(10)的阴极(14)的废气流(66)中和/或在来自燃料电池单元(10)的阳极(12)的废气流(60)和/或在来自氧化单元(34)的净气流(38)中，配置了一个水分离装置(40,62,68)，特别是一个冷凝器，它将有关气体(38,60,66)中所含的水分离出来，并将水送往一个与重整炉单元(18)相串联的水储存装置(30)。
9．按权利要求8所述的燃料电池系统，其特征在于配置了一个单独的水循环系统(72)，它至少冷却水分离装置(40,62,68)中的一个,并冷却燃料电池单元(10,16)燃料电池单元(10)的阴极(14)的空气供给(48)和/或重整炉单元(18,20)的空气供给。
10．按以上权利要求中的一项或多项所述的燃料电池系统，其特征在于在氧化单元(34)上配置一个喷水装置(46)，它将水喷入氧化单元。
11．按以上权利要求的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于配置了一个催化燃烧器(82)，它将来自燃料电池单元(10)的阳极(12)的废气(60)燃烧掉，并将相应的余热经过一热交换(22)输送给重整炉单元(18)。
12．按权利要求11所述的燃料电池系统，其特征在于催化燃烧器(82)与一个用于原料的储存容器(28)相连。
13．按以上权利要求的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于在燃料电池单元(10)的阴极(14)的废气流(66)中安置了一个膨胀器(94)和在燃料电池单元(10)的供给空气流(98)中配置了一个压缩机(96)特别是一个二级式压缩机(50)，它们被安装在一个共同的轴(100)上。
14．按以上权利要求的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于原料(28)是一种含氢的物质，特别是甲醇或汽油。
15．利用一种燃料电池系统的发电方法，特别是用于汽车的驱动系统，依此法，为了燃料电池单元的运转在供给空气的条件下在重整过程中以原料中生产出氢气，依此法，在重整过程之后和在燃料电池单元之前，将一氧化碳氧化成二氧化碳，本方法的特征在于经过一个二级式压缩机的第一级向燃料电池单元供给空气，经过第二级向一重整炉单元供给空气。
16．按权利要求15所述的方法，其特征在于压缩机经过其压力低于压缩机第二级的第一级向燃料电池单元的阴极供给空气，第二级用来向重整炉单元供给空气。
17．按权利要求15所述的方法，其特征在于在将一氧化碳氧化成二氧化碳时喷入水。
18．按权利要求17所述的方法，其特征在于水是以蒸汽形式或悬浮微粒形式喷入的。
19．按权利要求15所述的方法，其特征在于向处于一氧化碳的氧化和燃料电池单元和/或燃料电池单元的阴极之间的一种过程气体供给压缩空气。
20．按权利要求15至19中的任一项所述的方法，其特征在于从来自燃料电池单元的阴极的废气流中和/或从来自燃料电池单元的阳极的废气流中分离出水，并将水输送给重整过程。
21．按权利要求15至20中的任一项所述的方法，其特征在于将来自燃料电池单元的阳极的废气加以燃烧，并将相应的余热输送给重整过程。
22．按权利要求15至21中的任一项所述的方法，其特征在于将原料加以燃烧，并将相应的热能输送给重整过程。
23．按权利要求15至22中的任一项所述的方法，其特征在于使用一种含氢物质特别是甲醇或汽油作原料。
全文摘要
本发明涉及一种燃料电池系统,特别是作为汽车的驱动系统,配有一个自热重整炉单元(18),用于从原料(28)中生产氢气以用于后接的燃料电池单元(10)的运转,于此,在重整炉单元(18)和燃料电池单元(10)之间安置一个氧化装置(34),用来将一氧化碳转变成二氧化碳。在此情况下,为燃料电池系统配置了一个二级式压缩机(49),该压缩机经过第一级(54)以第一压力供给燃料电池单元(10)的阴极(14),并经过第二级(56)以第二压力首先加荷于重整炉单元(18)。
文档编号H01M8/06GK1301407SQ99806402
公开日2001年6月27日 申请日期1999年5月17日 优先权日1998年5月20日
发明者O·迪贝尔, A·科尼克, P·伊克顿格, P·阿林, J·G·雷恩金赫, R·马兰特 申请人:大众汽车有限公司, 富豪有限公司