[发明专利]具有用于阴极空气预热的装置的燃料电池系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有第一传热器的燃料电池系统，通过所述第一传热器能够 将阴极空气输送给燃料电池或燃料电池堆，并且由补燃器的补燃器废气和在燃料 电池或者燃料电池堆中产生的阴极废气组成的混合物能够输送给第一传热器，从 而实现阴极空气与混合物之间的热传递。

背景技术

具有用于阴极空气预热的传热器或热交换器的燃料电池系统在现有 技术中普遍被公知。在图1中展示了此类的燃料电池系统的一个例子。燃 料电池系统10′包括燃料电池堆14′。燃料电池堆14′在其阳极入口端与重 组器24′连接，因此能够从重组器24′向燃料电池堆14′的阳极端输送富含 氢的重组物。为产生重组物，重组器24′与燃料供给装置26′以及空气供 给装置28′连接，通过燃料供给装置26′和空气供给装置28′可输送燃料和 空气。此外，燃料电池堆14′在其阴极入口端通过传热器12′与阴极空气 供给装置20′连接，从而能够向燃料电池堆14′的阴极端输送阴极空气。 为将燃料电池堆14′工作时产生的贫化的重组物输出，燃料电池堆14′在 其阳极出口端还与补燃器16′连接，该补燃器特别用于燃烧贫化的重组物 的有害物质。此外，在工作中燃料电池堆14′在其阴极出口端将阴极废气 例如输出到周围环境中。补燃器16′除了与燃料电池堆14′还与补燃器空 气供给装置22′连接，补燃器16′通过该补燃器空气供给装置22′能够供应 为燃烧所需的补燃器空气。为将在补燃器工作中产生的补燃器废气输出， 补燃器16′还通过传热器12′与周围环境相连。从而传热器12′实现了在补 燃器废气和阴极空气之间的热传递。在公知的燃料电池系统10′的工作中， 由阴极空气供给装置20′输送的阴极空气在到达燃料电池堆14′之前，通 过传热器12′基于在补燃器16′中燃烧时产生的较热的补燃器废气的热传 递被加热。通过这种燃料电池系统10′可以将阴极空气在到达燃料电池堆 14′之前加热到大约600至850℃的范围。然而通过这种燃料电池系统10′ 的结构给调节、特别是阴极空气的温度调节造成了极大的困难。一种可能 性在于，通过补燃器拉姆达值的变量来调节阴极空气温度。然而在较高的 燃料电池转化度以及较高的燃料电池系统效率时，通过贫化的重组物的很 小的热值限定了该拉姆达值。另外，由于将燃料电池堆14′的阴极废气输 出到周围环境中造成了许多潜在的可利用的能量的损失。

在图2中示出了另一种属于现有技术的具有两个用于预热阴极空气的 传热器12″、18″的燃料电池系统10″，其中，燃料电池系统10″的组 件与图1中一致，用相似的附图标记表示。这里不再对这些组件进行说明， 仅针对与图1中的燃料电池系统10′的不同进行探讨。与前述的根据图1 的燃料电池系统10′的决定性的不同在于，根据图2的燃料电池系统10″ 设置有第二传热器18″，其特别通过空气预热器或者管束传热器构成。第 二传热器18″直接接在阴极空气输入装置20″之后以及第一传热器12″ 之前。从而由阴极空气输入装置20″输送的阴极空气在到达第一传热器 12″之前首先流经第二传热器18″。此外，第二传热器18″在阴极输出 端与燃料电池堆14″连接，因此通过第二传热器18″可以将阴极废气输 出。从而第二传热器18″实现了在从燃料电池堆14″输出的阴极废气和 由阴极空气供给装置20″输送的阴极空气之间的额外的热传递。这种燃料 电池系统10″的结构有利的是，在补燃器废气中很小的能量以及燃料电池 堆14″很高的阴极空气需求下，还能够通过第二传热器18′提供足够的阴 极空气温度。然而这种结构的缺点是，补燃器废气不再能被冷却到较低的 温度，因为至少燃料电池系统10″的能量中的一部分不断地在阴极空气中 保存。这导致例如当阴极空气温度保持在500℃的水平时，补燃器废气温 度至少也同样地处于此温度水平的范围内。