專利名稱：燃料電池系統(tǒng)的重整器和操作重整器的方法
燃料電池系統(tǒng)的重整器和操作重整器的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)的重整器，其包含用于利用主燃料送料器接 收供應的燃料的氧化區(qū)，所述燃料用于與氧化劑反應；和設置在氧化區(qū)的 下游的混合區(qū)，接收利用輔助燃料送料器供應的燃料，所述燃料與從氧化 區(qū)形成的物質混合。
此外，本發(fā)明涉及包含一個所述重整器的燃料電池系統(tǒng)，并涉及包含 一個所述燃料電池系統(tǒng)的機動車輛。
另外，本發(fā)明還涉及操作燃料電池系統(tǒng)的重整器的方法，其包括下述 步驟從燃料箱向氧化區(qū)供應燃料，在氧化區(qū)中所述燃料與氧化劑反應； 并從燃料箱向設置在氧化區(qū)的下游的混合區(qū)供應燃料，所述燃料可以在混 合區(qū)與從氧化區(qū)形成的物質混合。
燃料電池系統(tǒng)用于將化學能轉化為電能。這種系統(tǒng)的核心元件是燃料 電池，其中通過氫和氧的受控反應釋放電能。燃料電池系統(tǒng)必須能夠處理 通常實際使用的燃料。因為氫和氧在燃料電池中反應，必須要調整使用的 燃料，從而使供應給燃料電池的陽極的氣體的氫比例高，這是重整器的任 務。為此，重整器接收供應的燃料和氧化劑(優(yōu)選空氣)，然后燃料在重整器 中與氧化劑反應。將由重整器產(chǎn)生的重整產(chǎn)物送至燃料電池堆的各個燃料 電池，得到由氫和氧化劑的受控反應釋放的電能，所述氫為重整產(chǎn)物的組
分。 一種一般的重整器可從德國專利DE 103 59 205 Al得知。
本發(fā)明的目的是改進一般的重整器、 一般的燃料電池系統(tǒng)、 一般的機
動車輛和操作重整器的一般方法，從而可以優(yōu)化重整器的操作。 該目的可從獨立權利要求實現(xiàn)。
本發(fā)明的有利方面和其他實施方案可從從屬權利要求得知。 根據(jù)本發(fā)明的重整器基于一般現(xiàn)有技術，其中設計主燃料送料器和輔 助燃料送料器以供應燃料，使由主燃料送料器供應的燃料與由輔助燃料送 料器供應的燃料在品級和/或聚集體的狀態(tài)和/或送料壓力和/或送料溫度方 面不同。本發(fā)明基于以下發(fā)現(xiàn)，即在氧化區(qū)和混合區(qū)中對蒸發(fā)的質量的要
4求不同。在氧化區(qū)中，當燃料的蒸發(fā)使得得到的燃燒均勻并因此均勻的氣 體混合物進入混合區(qū)就足夠了，而在混合區(qū)，對蒸發(fā)的要求較高。在這里 必須確保實現(xiàn)均勻蒸發(fā)，同時，燃料蒸汽必須與來自氧化區(qū)的氣體混合物 均勻混合。這可以由本發(fā)明有利地實現(xiàn)，由主燃料送料器供應的燃料與由 輔助燃料送料器供應的燃料在品級和/或聚集體的狀態(tài)和/或送料壓力和/或 送料溫度方面不同，相對于現(xiàn)有技術其優(yōu)點在于，可以選擇并調整這些參 數(shù)，從而在相應的區(qū)中得到蒸發(fā)的最佳起始條件，進一步的優(yōu)點在于性能
模塊化(Ldstungsmodularitat)，即重整器的工作區(qū)較寬，因為現(xiàn)在可以改進 重整器的操作。這意味著在實際中，可以在重整器的氧化區(qū)中燃燒一種品 級的燃料(比如柴油)，而在混合區(qū)中將另一燃料品級的燃料(例如汽油)作為 重整反應物(EduktffirdieReformierung)，混入氧化區(qū)燃燒的產(chǎn)物氣體中。
可以有利地改進根據(jù)本發(fā)明的重整器，所述主燃料送料器是送料壓力 最大10bar的低壓送料器，所述輔助燃料送料器是送料壓力為50bar或更大 的高壓送料器。由于在混合區(qū)中對蒸發(fā)的要求較高，使用高成本的高壓送 料器具有優(yōu)勢。相反，在氧化區(qū)中，使用低成本的低壓送料器就足夠了。 除了節(jié)省能源，這還具有通過省去用于氧化區(qū)的成本高的多的高壓送料器， 從而節(jié)省成本的優(yōu)勢。
在這種情況中，特別地，所述輔助燃料送料器是送料壓力為50到100bar
的高壓送料器。
可選地，所述輔助燃料送料器是送料壓力為900到1100bar的高壓送料器。
此外，可以改進根據(jù)本發(fā)明的重整器，設計所述主燃料送料器，使其 與第一燃料箱相連，并設計所述輔助燃料送料器，使其與另外的第二燃料 箱相連。由于各種品級的燃料的不同的溫度、焓和蒸發(fā)速度，通過用不同 品級的燃料供應氧化區(qū)和混合區(qū)，可以選擇各品級，從而優(yōu)化在相應區(qū)中 的蒸發(fā)和相應的反應。
此外，本發(fā)明提供燃料電池系統(tǒng)和包含所述燃料電池系統(tǒng)的機動車輛， 該燃料電池系統(tǒng)具有前述優(yōu)點。
可以有利地改進一般方法，以允許供應到氧化區(qū)的燃料與供應到混合 區(qū)的燃料在品級和/或聚集體的狀態(tài)和/或送料壓力和/或送料溫度方面存在
5不同。根據(jù)本發(fā)明也在本發(fā)明方法的范圍內(nèi)，本發(fā)明基于發(fā)現(xiàn)在氧化區(qū)和 在混合區(qū)中對蒸發(fā)質量的要求不同。在氧化區(qū)中，當燃料的蒸發(fā)使得燃燒 均勻并且進入混合區(qū)的氣體混合物相應地均勻就足夠了，而在混合區(qū)，對 蒸發(fā)的要求較高。在這里要求蒸發(fā)均勻，同時，燃料蒸汽需要與來自氧化 區(qū)的氣體混合物均勻混合。這可以由本發(fā)明有利地實現(xiàn)，由主燃料送料器 供應的燃料與由輔助燃料送料器供應的燃料在品級和/或聚集體的狀態(tài)和/ 或送料壓力和/或送料溫度方面不同，相對于現(xiàn)有技術其優(yōu)點在于，可以選 擇并調整這些參數(shù)，從而在相應的區(qū)中得到蒸發(fā)的最佳起始條件，進一步 的優(yōu)點在于性能模塊化，即重整器的工作區(qū)較寬，因為現(xiàn)在可以改進重整 器的操作。這意味著在實際中，可以在重整器的氧化區(qū)中燃燒一種品級的 燃料(比如柴油)，而在混合區(qū)中將另一燃料品級的燃料(例如汽油)作為重整 反應物，混入氧化區(qū)燃燒的產(chǎn)物氣體中。
此外，可以有利地改進根據(jù)本發(fā)明的方法，供應至氧化區(qū)的燃料的送
料壓力最大為10bar，并且供應至混合區(qū)的燃料的送料壓力為50bar或更大。 特別地，供應至混合區(qū)的燃料的送料壓力為50到100bar。 可選地，供應至混合區(qū)的燃料的送料壓力為900到1100bar。 此外，可以有利地改進根據(jù)本發(fā)明的方法，供應至氧化區(qū)的燃料從第 一燃料箱供應，供應至混合區(qū)的燃料由另外的第二燃料箱供應。由于各種 品級的燃料的不同的溫度、焓和蒸發(fā)速度，通過用不同品級的燃料供應氧 化區(qū)和混合區(qū)，可以選擇各品級，從而優(yōu)化在相應的區(qū)中蒸發(fā)和相關的反 應。
下面通過參考示例性附圖詳細說明本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，其中:


圖1是根據(jù)第一示例實施方案的燃料電池系統(tǒng)的圖示； 圖2是根據(jù)第一示例實施方案的重整器的圖示； 圖3是根據(jù)第二示例實施方案的燃料電池系統(tǒng)的圖示； 圖4是根據(jù)第二示例實施方案的重整器的圖示。
圖1是根據(jù)第一示例實施方案的燃料電池系統(tǒng)的圖示。機動車輛中安 裝的燃料電池系統(tǒng)10包含重整器12，其用于接收使用來自燃料箱16并經(jīng)過第一燃料線14供應的燃料。此外，重整器12接收通過來自第二燃料箱 20的第二燃料線18供應的燃料。合適的燃料品級是柴油、汽油、生物氣、 天然氣和其他現(xiàn)有技術己知的品級。在第一示例實施方案的范圍內(nèi)，第--燃料箱16中的燃料的品級與第二燃料箱20中的燃料的品級不同，因此可 以有利地在第一燃料箱16中盛裝柴油，在第二燃料箱20中盛裝汽油。此 外，通過第一氧化劑線22向重整器12供應氧化劑，比如空氣。由重整器 12產(chǎn)生的重整產(chǎn)物通過重整產(chǎn)物線24供應至燃料電池堆26。所述重整產(chǎn) 物是富氫氣體，其在燃料電池堆26中在陰極進料空氣的輔助下產(chǎn)生電和熱， 所述陰極進料空氣通過陰極進料空氣線28供應。電能可以通過電接頭30 來獲得。在所示的情況中，陽極廢氣通過陽極廢氣線32供應至后燃器36 的混合器34。后燃器36通過第三燃料線38接收由第一燃料箱16供應的燃 料。此外，后燃器36通過第二氧化劑線40接收供應的氧化劑。在后燃器 36中，廢棄的陽極極廢氣與供應的燃料和氧化劑反應，形成燃燒廢氣，其 與混合器42中的陰極廢氣混合，所述陰極廢氣通過陰極廢氣線44從燃料 電池堆送至混合器42。幾乎不含有毒排放物的燃燒廢氣流過熱交換器46， 從而在最終離開燃料電池系統(tǒng)10之前預熱陰極進料空氣。
圖2是根據(jù)第一示例實施方案的重整器的圖示。重整器12包含氧化區(qū) 48，其接收來自主燃料送料器50的燃料。主燃料送料器50與第一燃料線 14相連，從而主燃料送料器50供應第一燃料箱16中盛裝的燃料品級。此 外，氧化劑送料器52與第一氧化劑線22相連，利用氧化劑送料器52可以 將氧化劑送至氧化區(qū)48。在氧化區(qū)48中，燃料和氧化劑的反應在燃燒或完 全放熱氧化反應中進行。然后得到的熱產(chǎn)物氣流進入下游混合區(qū)54，即到 圖2的右側。重整器的各個區(qū)在圖2中由虛線互相分開的區(qū)表示。這些區(qū) 可以通過結構特征分開或流動地相互交界(flieBend ineinander iibergehen)。 在混合區(qū)54中，得到的產(chǎn)物氣體通過輔助燃料送料器56與另外的氣體混 合。在本實施例中，主燃料送料器50和輔助燃料送料器56各包含噴射器， 并優(yōu)選文丘里噴嘴(Venturidiise)。然而，通過包含多孔蒸發(fā)器的蒸發(fā)型燃料 送料器供應的燃料可以分別供應至氧化區(qū)48和混合區(qū)54。輔助燃料送料器 56與第二燃料線18相連，從而在第二燃料箱20而不是第一燃料箱16中盛 裝的燃料可以通過燃料供應裝置供應至輔助燃料送料器56。此外，混合區(qū)
754可以接收供應的氧化劑。與另外的燃料混合的氣體混合物進入重整區(qū)58， 在重整區(qū)58中，在吸熱反應中形成富氫氣體混合物，優(yōu)選利用其中設置的 催化劑。該重整產(chǎn)物，即富氫氣體混合物通過重整產(chǎn)物線24離開重整器12， 從而可以在燃料電池堆26中進一步使用。
在第一示例實施方案的一種實施方式中，在第一燃料箱16和第二燃料 箱20中盛裝同樣品級的燃料，但其聚集體狀態(tài)(即氣體、液體)不同。在該 設置中，例如，某些燃料以液體形式盛裝在一個箱中，同樣品級的燃料可 以以氣體形式盛裝在另一個箱中，通過使一個箱中和相應的燃料線中存在 的壓力高于另一個燃料線來實現(xiàn)，從而保持燃料在氣體狀態(tài)。
應當注意，下面使用的標記數(shù)字表示與第一示例實施方案中具有相同 功能的元件，為避免重復而省略了其說明。
圖3是根據(jù)第二示例實施方案的燃料電池系統(tǒng)的圖示。第二示例實施 方案的燃料電池系統(tǒng)10與圖1所示的燃料電池系統(tǒng)不同，不是使用第一燃 料箱16和第二燃料箱20，而僅在機動車輛中安裝單個燃料箱60。該燃料 箱60為第一、第二和第三燃料線14、 18、 38提供具有相同品級的燃料。
圖4是根據(jù)第二示例實施方案的重整器的圖示。第二示例實施方案的 重整器12不是包含圖2所示的主燃料送料器，而是包含設計為低壓送料器 系統(tǒng)的主燃料送料器62。優(yōu)選地，主燃料送料器62是具有單料噴嘴的低壓 噴射器，但也可以是包含多孔蒸發(fā)器的蒸發(fā)型燃料送料器，例如纖維網(wǎng)蒸 發(fā)單元(Vliesverdampfungseinheit)(金屬泡沫型)。低壓送料器系統(tǒng)在10bar 以下的送料壓力下工作。此外，第二示例實施方案的重整器12包含設計為 高壓系統(tǒng)的輔助燃料送料器64。高壓系統(tǒng)是在900到1100bar下操作的噴 射器系統(tǒng)，并且可以在優(yōu)選約1000bar下操作，例如使用共軌系統(tǒng)實現(xiàn)所 述壓力。可選地，高壓送料器系統(tǒng)可以在50-100bar的送料壓力下操作，所 述壓力可通過例如沖擊壓力噴射器系統(tǒng)實現(xiàn)。
在第二示例實施方案的一種實施方式中，所述主燃料送料器62設計為 噴射器(Einspritzdiise)，并且所述輔助燃料送料器64設計為包含多孔蒸發(fā)器 (例如金屬泡沫蒸發(fā)器)的蒸發(fā)型燃料送料器。
在第二示例實施方案的第二種實施方式中，設計或操作所述主燃料送 料器62和輔助燃料送料器64，使由主燃料送料器62送至重整器12的相應
8區(qū)的燃料的溫度與由輔助燃料送料器64供應的燃料不同。可選地，燃料的
這種不同進料溫度可以通過第一燃料線14和/或第二燃料線18中的加熱器 或冷卻器實現(xiàn)。溫度的這種差別可能導致主燃料送料器62中的燃料與輔助 燃料送料器64中的燃料的聚集狀態(tài)不同。
應當注意，盡管根據(jù)相應的附圖分別描述了各示例實施方案和它們的 變化，多種示例實施方案和它們的變化的任何組合都在本發(fā)明的范圍內(nèi)。 例如，可以組合其中將不同品級的燃料供應至包含高和低壓燃料送料器的 重整器的第一和第二示例實施方案。
盡管在附圖中沒有明確顯示，但可以設置相應的傳送裝置，比如可以 在燃料線14、 18和38，氧化劑線22和40，以及陰極送料空氣線28中設 置泵或鼓風機和/或控制閥。
應當理解，在上述說明、附圖和權利要求中披露的本發(fā)明的特征本身 或任何組合對于實現(xiàn)本發(fā)明可能是關鍵的。
附圖標記
10燃料電池系統(tǒng)
12重整器
14第一燃料線
16第一燃料箱
18第二燃料線
20第二燃料箱
22第一氧化劑線
24重整產(chǎn)物線
26燃料電池堆
28陰極送料空氣線
30電接頭
32陽極廢氣線
34混合器
36后燃器
38第三燃料線
942混合器
44陰極廢氣線
46熱交換器
48氧化區(qū)
50主燃料送料器
52氧化劑送料器
54混合區(qū)
56輔助燃料送料器
58重整區(qū)
60燃料箱
62主燃料送料器
64輔助燃料送料器
權利要求
1、用于燃料電池系統(tǒng)(10)的重整器(12)，其包含-氧化區(qū)(48)，其接收由主燃料送料器(50；62)供應的貯存燃料，所述燃料用于與氧化劑反應；和-設置在氧化區(qū)(48)的下游的混合區(qū)(54)，其接收由輔助燃料送料器(56；64)供應的貯存燃料，所述燃料與從氧化區(qū)(48)形成的物質混合，所述重整器的特征在于，設計所述主燃料送料器(50；62)和輔助燃料送料器(56；64)以供應燃料，以使由主燃料送料器(50；62)供應的燃料與由輔助燃料送料器(56；64)供應的燃料在品級和/或聚集體的狀態(tài)和/或送料壓力和/或送料溫度方面不同。
2、 權利要求1的重整器(12)，其特征在于所述主燃料送料器(62)是送 料壓力最大為10bar的低壓送料器，所述輔助燃料送料器(64)是送料壓力為 50bar或更大的高壓送料器。
3、 權利要求2的重整器(12)，其特征在于所述輔助燃料送料器(64)是 送料壓力為50到100bar的高壓送料器。
4、 權利要求2的重整器(12)，其特征在于所述輔助燃料送料器(64)是 送料壓力為900到1100bar的高壓送料器。
5、 前述權利要求任一項的重整器(12)，其特征在于設計所述主燃料送 料器(50)，使其與第一燃料箱(16)相連，并設計所述輔助燃料送料器(56)， 使其與另外的第二燃料箱(20)相連。
6、 燃料電池系統(tǒng)(IO)，其包含前述權利要求任一項的重整器(12)。
7、 機動車輛，其包含權利要求6的燃料電池系統(tǒng)(10)。
8、 權利要求7的機動車輛，其特征在于提供兩個燃料箱(16， 20)，其 中一個燃料箱(16)與重整器(12)的主燃料送料器(50)相連，第二燃料箱(20) 與輔助燃料送料器(56)相連。
9、 操作燃料電池系統(tǒng)(10)的重整器(12)的方法，其包括下述步驟-從燃料箱(16; 60)向氧化區(qū)(48)供應燃料，在氧化區(qū)(48)中所述燃料 與氧化劑反應；并-從燃料箱(20; 60)向設置在氧化區(qū)(48)的下游的混合區(qū)(54)供應燃料， 所述燃料可以在混合區(qū)(54)與從氧化區(qū)(48)形成的物質混合，其特征在于供應到氧化區(qū)(48)的燃料與供應到混合區(qū)(54)的燃料在品 級和/或聚集體的狀態(tài)和/或送料壓力和/或送料溫度方面不同。
10、 權利要求9的方法，其特征在于用最大10bar的送料壓力將燃料 送至氧化區(qū)(48)，并且送至混合區(qū)(54)的燃料的送料壓力為50bar或更大。
11、 權利要求10的方法，其特征在于供應到混合區(qū)(54)的燃料在送料 壓力為50到100bar的送料壓力下供應。
12、 權利要求10的方法，其特征在于供應到混合區(qū)(54)的燃料在送料 壓力為900到1100bar的送料壓力下供應。
13、 權利要求9到12任一項的方法，其特征在于供應到氧化區(qū)(48)的 燃料從第一燃料箱(16)供應，供應到混合區(qū)(54)的燃料從獨立的第二燃料箱 (20)供應。
全文摘要
本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)(10)的重整器(12)。所述重整器包含氧化區(qū)(48)，儲存的燃料可以利用主燃料送料器(50；62)供應到氧化區(qū)(48)，用于與氧化劑反應；和混合區(qū)(54)，其設置在氧化區(qū)(48)的下游，儲存的燃料可以利用輔助燃料送料器(56；64)供應到混合區(qū)(54)，以與從氧化區(qū)(48)形成的物質混合。本發(fā)明的特征在于，調整所述主燃料送料器(50；62)和輔助燃料送料器(56；64)供應燃料的方式，使由主燃料送料器(50；62)供應的燃料與由輔助燃料送料器(56；64)供應的燃料在供應的燃料類型和/或其聚集狀態(tài)和/或壓力和/或溫度方面不同。本發(fā)明還涉及包含所述重整器的燃料電池系統(tǒng)，包含所述燃料電池系統(tǒng)的機動車輛，以及操作所述重整器(12)的方法。
文檔編號B01J8/02GK101489664SQ200780026576
公開日2009年7月22日 申請日期2007年6月19日 優(yōu)先權日2006年7月13日
發(fā)明者A·安格爾, B·布勒克爾, M·博爾策, M·普法爾茨格拉夫, M·羅祖梅克, M·聚斯爾, M·貝登貝克爾, S·克丁 申請人:艾納爾達公司