CN1173744A - 用于操纵具有燃料电池的装置的方法 - Google Patents

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Abstract

一种操纵带燃料电池的装置的方法,该装置包括装有燃料电池的电池组、绝热夹套、夹套与电池组间的加力燃烧室、燃气预重整器及辅助热源。该装置还包括第一和第二热交换器。方法包括起动和电流输送阶段。起动阶段供入装置或辅助燃料器中产生的热燃气形成辅助热源,空气在第一交换器由热燃气与废空气的混合气预热,混合气与空气分开传送。热量经热空气供给电池。电池废空气混入热燃气。在第二交换器中热燃气把预重整器加热到工作温度。

Description

用于操纵具有燃料电池的装置的方法
本发明涉及一种操纵具有燃料电池的装置的方法，该装置包括一个电池组、一个绝热夹套、一个在该夹套与该电池组之间的加力燃烧室、一个燃气的预重整器以及一个辅助的热源，其中该方法包括一个起动阶段和一个电流输送工作阶段，以及其中供入该装置中或在辅助燃烧器中产生的热燃气在起动阶段形成该辅助热源，以及涉及一种能实现该方法的装置。
一种可从欧州专利EP-A0654838中获知的预重整器被结合在这类装置中。在起动阶段，一方面使用一个辅助燃烧器来加热该预重整器，另一方面在夹套的通道系统中预热该供入的空气。热量通过预热空气供给燃料电池组。但是该所供应的热量不足以把燃料电池加热到最低的工作温度850℃。因此，需要把燃气和空气供入该装置中并且使它们在位于电池组与夹套之间的加力燃烧室中燃烧。在必须被点火的燃烧开始后将立即产生很大的温度梯度，从而使电池损坏。
本发明的目的在于提供一种用于操纵具有燃料电池的装置的方法以及提供一种相应的装置，在该装置中，电池在起动阶段不会被损坏。该目的可以通过独立权利要求1和9所限定的方法和装置来达到。
该装置包括一个装有燃料电池的电池组，一个热绝缘夹套，一个在该夹套与该电池组之间的加力燃烧室，一个燃气的预重整器以及一个辅助热源。该方法包括一个起动阶段和一个电流输送工作阶段。供入该装置中或在辅助燃烧器中产生的热燃气在起动阶段形成该辅助热源。
本发明的装置包括分别用于预热空气和预热该预重整器的第一和第二热交换器。该预重整器配置在电池组的外侧。把预重整器配置在第二热交换器的中心和把第一热交换器同心地围绕第二热交换器配置是有利的。利用这种配置，在第二热交换器中的环形空隙就在加力燃烧室与第一热交换器之间产生一种联系。
根据本发明，在起动阶段，供入该装置中的空气在第一热交换器中通过热燃气与废空气形成的混合气进行预热，该混合气与空气是分开传送。热量通过该预热空气供给燃料电池。从电池排出的废空气被混合到热燃气中。在第二热交换器中，利用该热燃气把预重整器加热到工作温度。在工作阶段，从加力燃烧室排出的废气在第二热交换器中用来作为预重整器的热源。
从属权利要求2-8涉及本发明方法的几个有利的实施例。从属权利要求10-12涉及本发明的装置的几个典型的实施例。
下面将参照附图对本发明进行说明，附图中：
图1是通过本发明装置截取的竖直的纵向剖面图；
图2是该同一装置的放大的剖面图；
图3是用于说明本发明方法的简图；
图4是一个整套设备的示意图，其中加热系统与本发明装置形成了一个联合体；
图5是本发明装置的第二典型实施例的详图；
图6是第三典型实施例的如图2这样的剖面图。
图1所示装置1带有装在一个上面部分11内的多个燃料电池10的电池组1’，绝热夹套2的一部分，加力燃烧室12和空气20’的供应位置20。空气20’通过通道系统21、22和可透过空气的壁26进入环隙式腔23，并从该腔通过小管12’进入各单个电池中。燃气可从装置1的下侧部分15通过中央管13供给电池组1’。具有外壳24和绝热壁25，25’和26的绝热套2以这样方式形成，使得它起着用于预热输入空气20’的预热器的作用。
装置1的下侧部分15(也参见图2)除绝热夹套2的一部分以外还包括预重整器3，硫吸收器3’，辅助燃烧器5，第一热交换器6和第二热交换器7。预先重整器3和硫吸收器3’两者均为圆柱形。围绕吸收器3’的夹套腔4为环隙形状并且可用来作为水40’(给水管40)的汽化器。辅助燃烧器5设置在环形空腔67中，从而可作成一个由过滤板52将其向上闭合上的环形室51。燃气/空气混合气50’(给气管50)被带到具有均布的通道孔的板52上燃烧，并形成一个沿面积散布的火焰55(见图2)。
该电流输送反应所需的燃气30’-通常使用天然煤气-通过输送管30导入吸收器3’中，该吸收器是为去除含硫的燃气50’中的杂质而设置的。随后，燃气50’中含有的甲烷在预重整器3中和水一起反应转化成氢和一氧化碳。该反应所需要的能量在电流输送工作阶段期间由出自加力燃烧室12并且流过第二热交换器7的热废气120”(见图2)所提供。
在起动阶段用于加热预重整器3的能量由辅助燃烧器5提供。辅助燃烧器5的燃气50”使第二热交换器7的壁72变热。从壁72到与预重整器3处于导热接触状态的内壁71的热传递主要是通过辐射进行，因为在两壁71与72之间的温度差约为100℃。
辅助燃烧器5的燃气50”沿径向向外流动并且与来自位置F与G(见图2)之间的电池组1’的废空气120’相混合。在第一热交换器6的圆柱形壁61与62之间流动的混合气体60流向出口位置60处，在该位置上部分冷却的混合气体60’离开装置1。供入装置1的空气以与混合气体60’的逆流方向沿着壁61流动，并且因此从比环境温度高不了几度(即约20-30℃)加热到在700-800℃之间的某个温度。热量通过预热空气20’供给燃料电池10。离开电池10的废空气120’流过第二热交换器7并且随后(如已经提及的那样)与辅助燃烧器5的燃气50”相混合。
在预重整器和电池被加热到电流输送工作能够开始的温度以后，使输入空气20’和燃气30’的流量达到与稳定工作状态相对应的值；并且中断对辅助燃烧器5的燃气/空气混合气50’的供应。这种情况发生在当电池已经达到800℃左右的温度即在加热燃烧室12中的温度已超过某个温度值时，在该温度值下离开电池的燃气(与同时离开的空气)将开始自发燃烧。
图2示出了在绝热夹套2的通道系统中的各个位置A、B、…H。从热燃气混合气60’到输入空气20’的间接的热传递分别发生在位置A与B及G与H之间。在C与D之间，废空气120’或热废气120”分别向预重整器3辐射热量；在D与E之间，它向水汽化器4及硫吸收器3’辐射热量。在起动阶段，废空气120’在F与G之间与热燃气50”相混合。
图3的曲线图以简化方式示出了夹套2的通道系统中的温度的演变过程，用图中的点A1、B1……示出在指定点A、B、……处的稳定工作状态的温度，用图中的点A2、B2……相应地示出了在起动阶段经过的温度。点A、B……在X轴上标出，但是这些点之间的距离并不与装置1中的实际距离相一致。图中笔直向上的箭头表示在起动阶段期间向上移动的点C2…F2，最后它们移动到点C1，……F1处。点G2’与引起热燃气50”与废空气120’混合的混合气温度相对应。可从T轴上读取的图上的点A1，B1，……A2， B2的值(0-1000℃)基本上与实际的温度相一致。为简便起见，在该图中的点C2和D2设定在点B2与E2之间的线性连接线上，同样也把点D1设定在C1与E1之间的线性连接线上。
在起动阶段期间，提供少量燃气进入电池组1’中是有利的，以便冲洗燃料电池10中的气体空间并且不让空气进入其中。该冲洗燃气同加力煅烧室12中的废空气相混合在到达点火温度以前在那里是不会发生燃烧的。通过位于电池组1’下面的点火电极81和82可以点火燃烧，使得该冲洗燃气在环隙式腔70中燃烧，所产生的热量由预重整器3以及吸收器3’吸收。
燃料电池材料的进一步发展将可能导致工作温度范围从目前已经可实现的600-700℃之间温度在未来由850-900℃之间的温度来代替。当然，本文所公开的方案也可以在具有较低工作温度的相应装置中使用。
起动阶段所需要的辅助热源不一定由辅助燃烧器5产生。也可以用来自外部燃烧器9(见图4)的热燃气来形成辅助热源。
在图4中示意地示出的装置除去本发明的装置1和燃烧器9外，还有一个热交换器95以及一个例如室内暖气系统这样的热消耗装置99。燃气33”同在燃烧器9中的空气20”燃烧以形成燃气90”。
使用零件90，燃气90”可以有选择地供给热交换器95(煤气流90’)或者通过连接短轴供给装置1(燃气流50”)。热燃气50”可以以类似燃气/空气混合气50’的方式通过一个环形分配器壳体(与图1中辅助燃烧器5相当)供给装置1的下侧部分15。
此外，热交换器95也可以用来作为在具有热废气60’的装置1外面的利用该废气热的装置。在热交换器95中得到的热量通过输送管98供给消耗装置99。具有冷却的燃气的燃气流95’被导入一个图中未示出的烟囱中。
此外，图4示出了在装置1的上部11燃气30’、水40’和空气20’所产生的直流电在转换器8中转变成交流电的情况。
图5示出了一个典型实施例的详图，图中对热燃气50”的输送并且相应地对第二热交换器7都作了改变。燃气50”不沿径向向外，而是首先流向中心并且进入与废空气120’相混合的热交换器7中。在该实施例中，热燃气50”通过唯一一个壁，即壁71，进入预重整器3时发生热交换。
在图6的第三示范实施例中，包括三个同心的环隙式腔70，76和67的通道系统与加力燃烧室12相邻接并跟随其后。辅助燃烧器5设置在从内环隙式腔70到中环隙式腔76的过渡段，并且它位于毗连装置1的外表面处，即它被设置在邻近该装置的外表面处，外环隙式腔67属于第一热交换器6，而另外二个环隙式腔则形成第二热交换器7的一部分。与前两个示范实施例相比较，该第三示范实施例具有更简单的结构，因为第一热交换器6只包括一个位于排气侧的环隙式腔67，并且由此省去了壁61。由于通过输送管50供给的混合气体受热废气120’、120”的加热大大减少，从而使在环形室51中发生自发燃烧的危险也显著减小，因此辅助燃烧器5位于装置1的外表面附近的这种配置具有特别的优越性。

Claims (13)

1.一种用于操纵具有燃料电池(10)的装置(1)的方法，该装置包括一个电池组(1’)、一个绝热夹套(2)、一个在该夹套与该电池组之间的加力燃烧室(12)、一个燃气(30’)的预重整器(3)以及一个辅助的热源，其中该方法包括一个起动阶段和一个电流输送工作阶段，以及其中供入该装置中或在辅助燃烧器(5)中产生的热燃气(50”)在起动阶段形成该辅助热源，其特征在于：在起动阶段，供入该装置中的空气(20’)在第一热交换器(6)中通过该热燃气(50”)与废空气(120’)形成的混合气(60’)进行预热，其中该混合气是与该空气分开传送的；热量通过该预热空气供给燃料电池；从该燃料电池排出的废空气被混合到该热燃气中；利用在第二热交换器(7)中的该热燃气(50”)把该预重整器加热到工作温度；以及在工作阶段离开该加力燃烧室的该废燃气(120”)用来在该第二热交换器中作为该预重整器的一个热源。
2.如权利要求1中所述的方法，其特征在于：在起动阶段发生在第二热交换器(7)中的从该热燃气(50”)到该预重整器(3)的热传递通过环隙(70)进行，废空气(120’)通过该环隙从电池组(1’)中流出，并且通过该加力燃烧室(12)被导入该第一热交换器(6)中。
3.如权利要求1或2中所述的方法，其特征在于：在该预重器(3)和电池(10)已经被加热到电流输送工作可以开始的温度以后，供入的空气(20’)和煤气(30’)的量就达到与稳定的工作状态相对应的量；并且辅助热源(50”)的热量供应被中断。
4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于：当该电池(10)的温度已经达到800℃左右时，中断该辅助热源(50”)的热量供应。
5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于：供入空气(20’)和燃气(30’)的量达到与稳定工作状态相对应的值的情况发生在当加力燃烧室中的温度超过一个该空气/燃气混合气开始自发燃烧的值时。
6.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于：在起动工作开始时，该供入空气(20’)通过在第一热交换器(6)中与热燃气(50”)和废空气(120’)的该混合气之间以逆流方式进行的间接热交换被从约20-30℃的温度预热到约700-800℃的温度。
7.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于：该预重整器(3)配置在该电池组(1’)的外侧并且处在该第二热交换器(7)的中心；以及在电流输送工作阶段，从加热燃烧室(12)出来流入该第二热交换器的废气(120”)通过沿径向直接向内的流动把热量供给该预重整器(3)。
8.如权利要求7中所述的方法，其特征在于：该第一热交换器(6)同心地围绕该第二热交换器(7)配置；并且该热燃气(50”)在该两个热交换器之间的环形腔(67)中形成或被供入环形腔(67)中。
9.一种用于实现如权利要求1-8中任一项的方法的装有燃料电池(10)的装置(1)，该装置包括一个电池组(1’)、一个绝热夹套(2)、一个在该夹套与该电池组之间的加力燃烧室(12)、一个燃气(30’)的预重整器(3)、一个用来在起动阶段作为产生辅助热源的内或外辅助燃烧器(5，9)以及分别用于预热空气(20’)和用于预热该预重整器的第一和第二热交换器(6，7)，其特征在于：该预重整器被设置在该电池组的外侧并且处在该第二热交换器(7)的中心；该第一热交换器(6)围绕该第二热交换器同心地设置；设置在该第二热交换器中的环形空隙(70)在该加热燃烧室与该第一热交换器之间产生联系。
10.如权利要求9中所述的装置，其特征在于：该内辅助燃烧器(5)包括一个环形的燃烧表面(52)并且被设置在该第一和第二热交换器(6，7)之间。
11.如权利要求9中所述的装置，其特征在于：环形室(51，67)设置在该第一与第二热交换器(6，7)之间，由外辅助燃烧器(9)所产生的热燃气(50”)可以供入该环形室中。
12.如权利要求9-11任一项中所述的装置，其特征在于：该电池组(1’)组成一个燃料电池(10)的圆柱形叠层；以及该加力燃烧室(12)以环形空隙的形式围绕在该叠层的周围。
13.如权利要求10和11中所述的装置，其特征在于：包括三个同心的环隙式空腔(70，76，67)的通道系统邻接并跟随在该加力燃烧室(12)的后面；该辅助燃烧器(5)设置在从该内环隙式空腔(70)到该中环隙式空隙(76)的过渡段；以及该辅助燃烧器位于接近该装置(1)的外表面处。
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