[发明专利]燃料电池系统

说明书

背景技术

燃料电池系统被用于将液态燃料和气态燃料的能量转化成电流和 热。能量的转化无声地发生在燃料电池中，并且在将化学能转化成电能 期间具有介于50％和60％之间的效率比，这取决于电池中所选择的电流密 度。与由发动机驱动的电流发生器相比，其优点在于，在为远程网络供 电以及分散的电-热耦合所需的小输出的情况下在kW范围内特别高效。因 此，开发燃料电池系统的工作已在世界范围内完成，但是，直到现在市 场上仍没有任何突破。

其原因主要是制造完整的、非常复杂的系统的高昂成本。这个系 统包括用重整器处理燃料(使用所谓的燃料处理器)、燃料电池堆以及 外围部件，例如热交换器、泵、阀和用于自动操作的电子设备。

装备有聚合物膜并被设计用于高达大约80℃工作温度的PEM燃料电 池，要求重整物的CO精细洗涤达到ppm范围，并为保持阴极空气的湿度 而需要昂贵的水管理。在这种情况下，用于蒸汽重整器的处理用水可能 不能用电池堆的废热来蒸发，因为对此来说温度太低了。

文件WO 2005/084771A2描述了紧凑型重整器，具有集成的蒸发器。 这能够被用于高达80％的效率比的重整。如果考虑到由辅助组件例如泵、 鼓风机以及电流传感器而带来的10％到15％的总发电的损失，作为结果而 得到的整个系统的电效率比为35％到40％。

考虑最近才面世的、在120℃到200℃的温度下工作的高温PEM电池 (由PEMEAS und Pat发表)，可省略CO精细洗涤和水管理，从而允许 对过程进行相当大的简化。另外，电池堆的废热可被用于处理用水的蒸 发。

发明内容

本发明的目的是基于高温电池进一步简化整个过程，以降低生产 成本并提供更安全的自动操作。这样一来，整个系统的电效率比应不 会降低到低于35％到40％的水平，如果可能的话，甚至更高。

使用根据权利要求1的特征的燃料电池系统实现了这个目的。

高温堆以及优选的转化站或转化反应器也直接接触蒸发管道而被 冷却并在蒸汽压力的帮助下被恒温控制。从而，至少堆的废热以及， 可选择地，转化反应器的废热被利用，从而提供了效率比。

减小了装置的尺寸和复杂性。除堆和重整器之外，仅仅还必需鼓 风机、水泵、冷凝器以及若干阀和配件。不需要独立加热的蒸汽发生 器。

过程控制和过程监控特别地简单。只有一个用于重整器的温度的 控制电路。至于燃料、空气和水的质量流量，粗略的比例控制已经足 够。

整个系统的电效率比高于现有技术中的系统。与蒸汽发生器结合， 可以达到高于40％的电效率比，在使用热自动补偿的重整器时，可以 达到35％。在这两种情况下，电流和热的总效率比大约为100％。

附图说明

附图中的各图示出了本发明的示例性实施例。附图旨在补充描述。 其中：

图1为根据本发明的系统的示例实施例的示意图，以及

图2为根据本发明的系统的修改后的实施例。

具体实施方式

根据图1的实例

为了产生电能，提供了燃料电池堆1，所述堆在高于100℃的温度 下工作，优选地在大约120℃下工作。采用堆1的废热来产生用于重整 器的蒸汽，采用蒸汽压力将所述堆恒温控制在所期望的温度下。这由 蒸发管道2和压力阀16来实现，蒸发管道2，例如，具有一个(或多个) 蒸发器管的形式，例如，配置成盘管，直接布置在堆1上，压力阀16， 位于如此产生的蒸发器的出口处。在最简单的情况下，例如，在恒定 输出的情况下，压力阀为可调节阀。在改变负载的情况下，所述阀为， 例如，弹簧偏置的保压阀。可替代地，如此构造的保压设备也可以由 具有电子控制器的受控阀表示。

因为堆的温度的自动控制仅经由湿蒸汽区域中的蒸汽压力而进 行，所以被提供用来供应蒸发管道2的泵8将更多的水填充到蒸发器中， 即，填充到为冷却蒸汽所必需的蒸发管道2中。形成了水/蒸汽混合物。 过量的水在位于保压阀16下游的分离器15中被分离。在分离器15中被 分离的水返回到缓冲容器9中。

由堆产生的蒸汽的量与在堆中转换的能量成比例(从而也与产生 的电功率成比例)并导致大约为5的S/C(蒸汽/碳)比。与通常为3的比 值相比，该高的蒸汽过剩量正面影响了过程的安全，但并未负面影响 效率比。