CN111149245A - 快速加热燃料电池***的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种加热机动车(1000)用燃料电池***(100a)的方法，燃料电池***具有：包括阳极部(2)和阴极部(3)的燃料电池堆(1)、用于使燃料‑水混合物蒸发的至少一个蒸发器(4)、用于重整蒸发的燃料‑水混合物以用在燃料电池堆(1)阳极部(2)中的重整器(5)、和用于燃烧含燃料流体的至少一个燃烧器(6)，其中，重整器(5)尤其是布置在至少一个蒸发器(4)的下游，至少一个燃烧器(6)尤其是布置在至少一个蒸发器(4)的上游，至少一个燃烧器(6)与至少一个蒸发器(4)流体连通以将在至少一个燃烧器(6)中燃烧的含燃料流体从至少一个燃烧器(6)供给至少一个蒸发器(4)，在至少一个蒸发器(4)的上游设有用于给至少一个蒸发器(4)提供燃料‑水混合物的燃料‑水混合物源(7)。本发明还涉及这种燃料电池***(100a)以及一种具有燃料电池***(100a)的机动车(1000)。

Description

快速加热燃料电池***的方法
技术领域
本发明涉及一种加热燃料电池***的方法、一种燃料电池***且尤其是SOFC***以及一种具有燃料电池***的机动车。
背景技术
一般，燃料电池***必须在其能被用来产生电流之前被置于工作温度。此时在燃料电池***起动时要注意使阳极部不接触氧气或仅尽量少地接触氧气，因为这会导致阳极部受损和燃料电池***的相应功能减弱。为了在燃料电池***起动时防止在阳极部处有氧气，就像例如从US 2010/0203405 A1中知道地，阳极部在燃料电池***起动期间被水冲扫。为了做到这一点，在燃料电池***内安装专门为此设置的水箱或者高成本的水回收***，其从来自燃料电池堆的废气中回收水。两种解决方案在实践中被证明是不令人满意的。
发明内容
本发明的任务是至少部分考虑前述的问题。本发明的任务尤其是提供一种燃料电池***、一种机动车以及一种方法，借此可通过可靠且尤其保护阳极部的方式实现燃料电池***的或燃料电池***所选功能部件的快速加热。
前述任务通过权利要求书完成。尤其是，前述任务通过根据权利要求1的方法、根据权利要求14的燃料电池***以及根据权利要求29的机动车来完成。本发明的其它优点来自从属权利要求、说明书和附图。在此，关于方法所描述的特征和细节显然也关于本发明的燃料电池***、本发明的机动车是适用的，反之亦然，从而与针对各自发明方面的公开相关地总是相互参照或可相互参照。
根据本发明的第一方面，提出一种用于加热燃料电池***的方法。该燃料电池***具有：包括阳极部和阴极部的燃料电池堆、用于使燃料-水混合物蒸发的至少一个蒸发器、用于重整蒸发的燃料-水混合物以用在该燃料电池堆阳极部中的重整器、和用于燃烧含燃料流体的至少一个燃烧器。该重整器优选布置在该至少一个蒸发器的下游，该至少一个燃烧器最好布置在该至少一个蒸发器的上游。该至少一个燃烧器与该至少一个蒸发器流体连通，以将在该至少一个燃烧器中燃烧的含燃料流体从该至少一个燃烧器供应至该至少一个蒸发器。在该至少一个蒸发器的上游设置用于给该至少一个蒸发器提供燃料-水混合物的燃料-水混合物源。
该方法具有以下步骤：
-将至少一个蒸发器和/或至少一个蒸发器内的流体加热至理想温度或更高温度，
-一旦该至少一个蒸发器达到了该理想温度或高于该温度，就将燃料-水混合物从燃料-水混合物源供应至该至少一个蒸发器，
-将通过该至少一个蒸发器被蒸发的燃料-水混合物从已达到理想温度或高于该温度的至少一个蒸发器供应至该重整器以重整蒸发的燃料-水混合物，和
-将重整后的燃料-水混合物供应至处于停用工作状态的阳极部，在停用工作状态下没有通过燃料电池堆产生电流。
通过本发明的方法，可以获得燃料电池***的加热、尤其是对至少一个蒸发器以及对重整器和阳极部的加热，而阳极部接收重整后的燃料-水混合物，由此能被可靠保护以避免氧气或至少避免接受过多的氧气。同时，燃料电池堆且尤其是阳极部被加热。另外，通过根据本发明地将被加热和蒸发的燃料-水混合物从燃料-水混合物源输送至阳极部，燃料电池***可以被快速加热。
理想温度尤其取决于被蒸发或可被蒸发的液态燃料量或液态燃料-水混合物的量。
作为燃料，在燃料-水混合物中最好采用含碳燃料例如甲烷。该燃料也可以由预混的乙醇-水混合物构成。或者，也可以设置两个容器用于水和乙醇，在这里，这两种燃料成分在晚些时刻相互混合。在重整器之中或之处，燃料-水混合物可以在此情况下被重整成甲烷、氢气、一氧化碳和二氧化碳。在重整过程后，尤其优选只存在氢气和甲烷。这些物质在阳极部之处或之内一般是无问题的，并且例如可以在废气燃烧器或二次燃烧器中或通过涂覆部件被燃烧。此外，尤其是氢气和甲烷可以在阳极部的下游被用来进一步加热该燃料电池***或燃料电池***的所选***部件，该阳极部如前所述地配置成暂时不产生电流。
该方法尤其是配置用于加热SOFC***。该燃料-水混合物源可以具有一个或多个燃料-水混合物存储器或被设计成所述燃料-水混合物存储器。
蒸发器可以通过加热装置被加热或升温。加热装置可以具有电加热部件和/或氧化加热部件。
也可能有利的是，重整器和/或蒸发器机械连接至燃烧器，从而重整器和/或蒸发器通过热传导被燃烧器加热或可被加热。由此，燃料电池***部件的加热过程的效率被进一步提高。即，燃烧器也可以设计成具有重整器和/或蒸发器作为(多级)一体部件。此时可以放弃用于重整器或蒸发器的放热反应的催化涂覆。
“将流体从燃料电池***的一***部件供应至燃料电池***的另一个***部件”是指从一***部件输送各自流体至另一***部件之处或之中。当燃料-水混合物例如从燃料-水混合物源被送至该至少一个蒸发器时，燃料-水混合物可以例如与至少一个蒸发器热相互作用地且环绕至少一个蒸发器地被送入至少一个蒸发器或者送至至少一个蒸发器。为了引导或输送各自流体，在燃料电池***中形成合适的输送装置。另外，燃料电池***的各自部件如此相互接触，即，热能可相互传递。尤其是，流体此时被蒸发并且进行放热反应，从而所述部件被加热和/或可保持于理想温度。
“将燃料-水混合物从燃料-水混合物源供应给至少一个蒸发器”是指该燃料-水混合物至少部分从燃料-水混合物源被供应至该至少一个蒸发器。“将通过至少一个蒸发器被蒸发的燃料-水混合物从至少一个蒸发器供应至重整器”是指，通过至少一个蒸发器被蒸发的燃料-水混合物至少部分从至少一个蒸发器被送至重整器。“蒸发的燃料-水混合物的重整”是指蒸发的燃料-水混合物至少部分被重整。
一旦燃料电池***或燃料电池***的所选***部件达到了期望工作温度，燃料电池***和进而还有阳极部被切换到激活工作状态，在此状态中在采用重整后的氢气情况下产生电流。
“本发明的一部件布置在本发明的另一个部件的下游或上游”是指，一部件直接或间接(即或许通过其它功能部件相互分开地)布置在另一个部件的上游或下游。此外在这样的布置中，最好在各自部件之间形成流体连通。附加地或替代地有利的是，这些部件相互机械连接以实现在它们之间的热传递。
根据本发明的一个改进方案而可行的是，在一种方法中，该至少一个燃烧器设计用于燃烧来自阳极部的阳极废气、来自阴极部的阴极废气和/或来自设置在至少一个燃烧器上游的主燃料源的燃料，其中，自主燃料源给至少一个燃烧器供应燃料，燃料在至少一个燃烧器中被燃烧，并且其中，燃后的燃料从至少一个燃烧器被送至至少一个蒸发器以便将至少一个蒸发器和/或该至少一个蒸发器内的流体加热至理想温度或更高温度。主燃料源是燃料电池***的激活工作状态或产生电流的工作状态所需要的，并且给蒸发器或重整器供应待重整的燃料。由此，为了按照本发明的利用主燃料源的燃料电池***加热过程而采用如下***部件，其原则上本来就是在燃料电池***中所需要的。因此可以放弃附加***部件，但在燃料源和燃烧器之间的、用于输送燃料至燃烧器的流体连通机构除外。由此，可以很紧凑地提供该燃料电池***。另外，由此可以提供一种廉价的用于加热燃料电池***的解决方案。在作为废气燃烧器构成或包含废气燃烧器的燃烧器中，尤其在输入基本上为空气的来自阴极部的阴极废气的情况下使来自阳极部的阳极废气燃烧。阴极废气尤其只包含空气，而阳极废气包含未完全燃烧的燃料。废气燃烧器尤其是二次燃烧器。燃烧器还可以如此设计，即，它采用起动燃烧器的工作方式。
在下一步骤中，燃料-水混合物在燃料电池堆的、尤其是阳极部的加载和/或加热之后被有利地供给燃烧器。进而，燃料-水混合物在燃烧器中被燃烧。这可以不仅按照其作为废气燃烧器的工作方式、也按照其作为起动燃烧器的工作方式实现。进而，现在至少部分燃烧的混合物被供给至少一个蒸发器或重整器。或者，燃料-水混合物可以在阳极部加热后也被直接(没有经由燃烧器的中间步骤)送至蒸发器或重整器，在这里，蒸发器和/或重整器为此具有催化涂层。由此进行吸热反应，蒸发器的和/或重整器的加热被进一步加速。
还可行的是，在本发明的方法中，燃料借助燃烧器的电活化式催化器、尤其是电热式金属催化器被燃烧，并且一旦达到了或高出了理想温度，该催化器就被停用。通过使用可启停式催化器和自动关断机构，燃烧器可以很高效地运行。还可以很节省空间地提供催化器。
还可行的是，在根据本发明的方法中，重整后的燃料-水混合物从阳极部被输送至该至少一个燃烧器，在该至少一个燃烧器中被至少部分燃烧，并且至少部分燃烧的燃料-水混合物从至少一个燃烧器经由至少一个蒸发器以及重整器被供应至阳极部。由此，在阳极部处所用的冲扫流体、即蒸发和重整后的燃料-水混合物、尤其是其重整后的可燃组成部分可在燃烧器中被用来进一步加热该蒸发器。由此，蒸发器的以及重整器的加热不仅可靠地、也很高效地执行。
可能进一步有利的是，在本发明的方法中该燃料-水混合物从燃料-水混合物源通过喷射器被喷入该至少一个蒸发器。通过喷射器，燃料-水混合物通过简单方式被计量喷入至少一个蒸发器。由此，可以简单调节应在燃料电池***起动时用来冲扫阳极部的流体量。另外，可以由此相应自发且简单地针对至少一个蒸发器或重整器完成可能的温度调整，做法是通过燃烧器被燃烧的重整后燃料-水混合物的喷入量通过喷射器的期望喷入过程来调整。
在根据本发明的方法中还可行的是，在蒸发的燃料-水混合物被重整之前或重整期间内，给重整器供以空气或其它的含氧流体。通过供应空气或含氧流体，可以促进在重整器中的放热反应，此时在重整器中以及在阳极部中能产生甚至更多的热。由此，很快速地加热该燃料电池***。空气可以由空气源(如压缩空气罐)或者最好由鼓风机来供应。鼓风机最好是将空气送至阴极部的鼓风机。在此情况下，空气可以从设置在鼓风机与阴极部之间的流体管路被分流到重整器中。
另外，在本发明的方法中可能有利的是，重整器在蒸发的燃料-水混合物被供应给重整器之前被预热。在被预热的重整器中，可以很可靠地发生期望的重整反应。可能出现在未被预热的重整器中的、不希望有的重整产物可被避免。由此该方法可以很稳定可靠地运行。例如该重整器可以为此机械连接至燃烧器，并且通过从燃烧器到重整器的热传导被燃烧器的热量加热。
在本发明范围内的尝试中已被证明有利的是，该理想温度为至少250℃、尤其是至少300℃。即，在燃料-水混合物从燃料-水混合物源被送至该至少一个蒸发器之前或被喷入其中之前，所述至少一个蒸发器和/或该至少一个蒸发器内的流体被加热到至少250℃、尤其是至少300℃。该温度范围已经被证明高到足以如期望的那样使燃料-水混合物蒸发。
根据本发明的另一个实施方式变型而可行的是，通过至少一个蒸发器被蒸发的燃料-水混合物至少部分从达到理想温度或高出该温度的至少一个蒸发器作为含燃料流体被送至该至少一个燃烧器。通过使用蒸发的燃料-水混合物，来自燃料源的燃料可被节约，或者可以根据应用情况以简单快速的方式在燃烧器处提供很多燃料。由此，燃烧器和进而还有蒸发器以及重整器能快速简单地被置于期望温度。“燃料-水混合物被视为含燃料流体”尤其是指，燃料-水混合物至少作为被供给燃烧器的含燃料流体的一部分来使用。
还可行的是，在本发明的方法中，通过至少一个蒸发器被蒸发的燃料-水混合物被送至该至少一个燃烧器，用以在至少一个燃烧器的换热部之处或之中加热燃料-水混合物。在此情况下，蒸发的燃料-水混合物尤其是在流体管道内被输送，流体管道至少在局部沿着燃烧器、最好直接贴靠燃烧器布置直到用于使燃料-水混合物流入燃烧器的入口部。由此，可以通过简单、有用且高效的方式将在燃烧器内产生的热量传送至燃料-水混合物，由此其可以被事先预热和/或进一步蒸发地被送入燃烧器。由此，燃烧器还可以被更快速地加热，由此也又可以更剧烈地加热经由换热部被送入至少一个燃烧器的燃料-水混合物。因此，可以通过所谈到的原理来提供一种特别高效且有用的加热循环。
另外，在根据本发明的方法中可行的是，在至少一个蒸发器的上游设置用于给至少一个蒸发器提供燃料的燃料源，其中，通过至少一个蒸发器被蒸发的燃料作为含燃料流体被送至该至少一个燃烧器，用以在至少一个燃烧器的换热部之处或之中加热燃料。就是说，作为燃料-水混合物源的补充或替代，设置单独的燃料源，在这里，也在此情况下能通过简单、有用和高效的方式将在燃烧器内产生的热量传递至燃料。由此，该燃料被事先预热地和/或进一步蒸发地被送入燃烧器。由此，又可以很快速地加热该燃烧器，由此，经由换热部被送入至少一个燃烧器的燃料也可以被更剧烈加热。在一个优选实施方式中，除了上述的燃料源外，还设置有所述燃料-水混合物源，借此经由单独的与燃料源用蒸发器串联的、用于使燃料-水混合物蒸发的蒸发器将被蒸发的燃料-水混合物供应至该重整器。这两个蒸发器在此情况下分别被设计成双路***，它们可以相对廉价地提供。
另外，在本发明的方法中可行的是，该燃料-水混合物和/或燃料分别通过布置在燃料-水混合物源或燃料源的下游且在该至少一个燃烧器上游的中间加热装置、尤其是电热式中间加热装置被加热，直到所述燃料-水混合物或燃料达到了预定温度或高于该温度。在使用中间加热装置情况下可以放弃通过来自主燃料源的前言所述的燃料加热或预热该燃烧器。由此也可以放弃为此所需的管路***，管路***一般将会导致比中间加热装置更多的结构空间和燃料电池***中的更高复杂程度。因此，可以在采用本发明的中间加热装置情况下相应简单且紧凑地提供该燃料电池***。该中间加热装置可以布置在蒸发器的上游和/或蒸发器的下游。
可能进一步有利的是，在本发明的方法中，一旦该至少一个燃烧器、该至少一个燃烧器内的流体、该至少一个蒸发器和/或该至少一个蒸发器内的流体达到了预定温度或高出该温度，该中间加热装置就被停用。一旦达到了各自预定温度，则不再需要该中间加热装置。通过自动关断，该燃料电池***可以节能运行。尤其是此时有利的是，前述的部件尤其如此直接相互机械连接，即，热量从燃烧器被传导和传送至蒸发器。
根据本发明的另一方面，提供一种机动车用燃料电池***。燃料电池***具有：包括阳极部和阴极部的燃料电池堆、用于使燃料-水混合物蒸发的至少一个蒸发器、用于重整蒸发的燃料-水混合物以用在燃料电池堆阳极部中的重整器、和用于燃烧含燃料流体的至少一个燃烧器。重整器布置在该至少一个蒸发器的下游，该至少一个燃烧器布置在该至少一个蒸发器的上游。该至少一个燃烧器与该至少一个蒸发器流体连通，以将在该至少一个燃烧器中燃烧的含燃料流体从至少一个燃烧器供应至该至少一个蒸发器。在至少一个蒸发器的上游设置用于给该至少一个蒸发器提供燃料-水混合物的燃料-水混合物源。
因此，本发明的燃料电池***带来了与关于本发明方法所明确描述的一样的优点。燃料电池***最好被设计成SOFC***。在本发明的另一个实施方式变型中，该燃料电池***具有控制装置，其被配置和设计用于执行如前所详述的方法。“控制装置”是指用于执行或控制各自方法步骤的控制和/或调整单元。
所述燃料和水在燃料-水混合物源中至少暂时以液态形式提供。优选地，燃料-水混合物源具有燃料-水混合物存储器，在燃料-水混合物存储器中存储有呈液态聚集的预混的燃料-水混合物。由此，燃料-水混合物以特别简单紧凑的方式被存储在燃料电池***中。
该至少一个蒸发器在本发明的另一个实施方式变型中优选紧接在燃料-水混合物源下游布置。由此可以执行就用于至少一个蒸发器的燃料-水混合物而言的快速简单的计量调整。
另外，在本发明的燃料电池***中可行的是，该至少一个蒸发器紧接在该至少一个燃烧器的下游布置。由此可以保证热量特别有效地从燃烧器被输送至至少一个蒸发器，由此该燃料和/或燃料-水混合物可以在至少一个蒸发器之中或之处被相应有效地蒸发。
特别有利的是，在根据本发明的燃料电池***中，该至少一个蒸发器和/或该重整器直接连接至该至少一个燃烧器。即，因此该蒸发器和/或重整器机械连接至燃烧器，由此热量通过热传导可从燃烧器被传热至蒸发器或重整器。因而在此实施方式中，不需要催化涂覆蒸发器和/或重整器。可以放弃用于供热的放热反应。例如蒸发器可以紧接在燃烧器之后地布置或者包围它。总是有利的是，所述部件如此相互布置，即，尽量多的热量从燃烧器被导热至重整器和/或蒸发器。“该至少一个蒸发器和/或该重整器直接连接至该至少一个燃烧器”在本发明范围内是指所述部件直接邻接而不是相互间隔布置，它们相互实体连接。
该至少一个燃烧器在此尤其具有废气燃烧器和/或起动燃烧器。起动燃烧器尤其布置在废气燃烧器的上游，最好紧接在废气燃烧器的上游布置，尤其最好设计成与废气燃烧器一体连接。至少该废气燃烧器、但一般还有起动燃烧器在本发明的SOFC***中本来就是所需要的，因此燃烧器不需要新的或单独的功能单元。该燃料电池***因此可相应紧凑且简单构成地可供使用。
在本发明的燃料电池***中可以设置空气供应装置且尤其是鼓风机，用于在蒸发的燃料-水混合物被重整之前或重整期间内供应空气至重整器。空气供应装置最好早已是将空气或含氧流体供应至阴极部所需要的。即，可以采用燃料电池***的如下功能部件，其本来就是在燃料电池***中所需要的。由此该燃料电池***能紧凑且廉价地可供使用。
替代地或附加地有利的是设有另一个空气供应装置，其在重整器的下游供应空气。由此在阳极中引起吸热的部分氧化反应，在这里，也加速了加热过程。用于氧化反应的阳极温度应该高于250℃、尤其高于300℃。此时总是重要的是，所有氧气在阳极中被燃烧以避免在阳极处再氧化。当发生所谓的富油燃烧时、即当λ值小于1(燃料多于空气，空气贫瘠)时，就做到了这一点。
另外，在根据本发明的燃料电池***中可行的是，该至少一个燃烧器设计用于燃烧来自阳极部的阳极废气、来自阴极部的阴极废气和/或来自设于至少一个燃烧器上游的燃料源的燃料，其中，该燃料源设计用于将燃料供应给该至少一个燃烧器，并且该至少一个燃烧器设计用于将燃后燃料从至少一个燃烧器供应给该至少一个蒸发器、并用于将至少一个蒸发器和/或至少一个蒸发器内的流体加热至理想温度或更高温度。
另外，该至少一个燃烧器可以具有用于燃烧该燃料的电活化式催化器、尤其是电热式金属催化器，其中，该催化器配置成：一旦达到或高出理想温度，就停用该催化器。在燃料-水混合物源的下游且在至少一个蒸发器的上游，可以设置至少一个用于将燃料-水混合物从燃料-水混合物源喷入至少一个蒸发器的喷射器。在至少一个燃烧器的外壁部处可以设置换热部，在该换热部之处或之中，通过至少一个蒸发器被蒸发的燃料-水混合物可被输送到该至少一个燃烧器。在至少一个蒸发器的上游，可以设置用于给至少一个蒸发器提供燃料的燃料源，在这里，通过至少一个蒸发器被蒸发的燃料作为含燃料流体可被送至该至少一个燃烧器，用以在至少一个燃烧器的换热部之处或之中加热燃料。在燃料-水混合物源和/或燃料源的下游并且在至少一个燃烧器的上游，可以设置用于加热燃料-水混合物或燃料的中间加热装置尤其是电热式中间加热装置，其中，该中间加热装置配置用于加热该燃料-水混合物或燃料，直至燃料-水混合物或燃料达到了预定温度或高于该温度。中间加热装置可以被配置成：一旦至少一个燃烧器、该至少一个燃烧器内的流体、该至少一个蒸发器和/或该至少一个蒸发器内的流体达到了预定温度或高于该温度，就停用该中间加热装置。为此，燃料电池***带来了与先前关于对应的本发明方法所详述的相同的优点。
根据本发明的另一方面，提供一种具有如前所述的燃料电池***的机动车。为此，本发明的机动车也带来前述的优点。该机动车最好是轿车(PKW)或载货汽车(LWK)。
其它的改进本发明的措施来自以下对如图示意所示的本发明各实施例的说明。包含结构细节和空间布置在内的所有来自权利要求书、说明书或附图的特征和/或优点不仅可以单独地、也可以在各种不同的组合中对本发明是重要的。
附图说明
附图分别示意性示出：
图1示出用于说明根据本发明第一实施方式的燃料电池***的框图，
图2示出图1所示的燃料电池***的局部的局剖侧视图，
图3示出用于说明根据本发明第二实施方式的燃料电池***的框图，
图4示出用于说明根据本发明第三实施方式的燃料电池***的框图，
图5示出用于说明根据本发明第四实施方式的燃料电池***的框图，
图6示出用于说明根据本发明第五实施方式的燃料电池***的框图，
图7示出用于说明根据本发明第六实施方式的燃料电池***的框图，
图8示出用于说明根据本发明第七实施方式的燃料电池***的框图，
图9示出用于说明根据本发明第八实施方式的燃料电池***的框图，
图10示出用于说明根据本发明第九实施方式的燃料电池***的框图，
图11示出具有本发明的燃料电池***的机动车，
图12示出用于说明根据本发明第一实施方式的方法的流程图，和
图13示出用于说明根据本发明第二实施方式的方法的流程图。
具体实施方式
具有相同功能和工作方式的零部件在图1-13中分别带有相同的附图标记。
图1示意性示出根据第一实施方式的呈SOFC***形式的机动车1000用燃料电池***100a。燃料电池***100a示出了阳极部2、用于使燃料-水混合物蒸发的蒸发器4、用于重整蒸发的燃料-水混合物以用在阳极部2中的重整器5和用于燃烧来自主燃料源14的燃料的燃烧器6。主燃料源14是可选的预热件，例如起动燃烧器。
重整器5布置在蒸发器4的下游，而燃烧器6布置在蒸发器4的上游。燃烧器6与蒸发器4流体连通以便将在燃烧器6内燃烧的燃料从燃烧器6供应至蒸发器4，或者燃烧器与蒸发器机械连接。紧接在蒸发器4的上游设置有呈燃料-水混合物存储器形式的燃料-水混合物源7，以便给蒸发器4提供混合好的燃料-水混合物。
燃料和水在燃料-水混合物源7中以液态形式来提供。蒸发器4紧接在燃料-水混合物源7的下游布置。蒸发器4还紧接在燃烧器6的下游布置。
在燃料-水混合物源7的下游且因此在蒸发器4的上游设有用于将燃料-水混合物从燃料-水混合物源7喷入蒸发器4的喷射器12。
紧接在重整器4的下游还设有换热器8，燃后废气可以经此从燃烧器6被排出到燃料电池***的周边环境9。
燃烧器6设计用于将燃后燃料从燃烧器6供应至蒸发器4、并且将蒸发器4和蒸发器4内流体加热至理想温度或更高温度。在此有利地规定，燃烧器6也实体连接至蒸发器4，例如蒸发器4可紧接在燃烧器6下游布置或者环绕燃烧器6地包围它布置。
参见图2，随后详细描述根据第一实施方式的燃料电池***100a的局部。图2所示的燃烧器6具有用于燃烧燃料的电热式金属催化器，其中，该催化器被配置成：一旦达到或高出理想温度，就停用该催化器。如图2所示，燃料-水混合物可以通过蒸发器4被送至重整器5并从那里进一步被送至阳极部2。重整器5在此呈环状围绕呈废气燃烧器形式的燃烧器6布置。在燃烧器6的上游，直接在燃烧器6处设置呈电热装置形式的、用于预热在燃烧器6中待燃烧燃料的预热装置10。
参见图1-10，接着描述燃料电池***的其它实施方式，在这里，总是只说明实施方式之间的各自区别特征。由此应尽量避免冗余说明。
图3示出根据第二实施方式的燃料电池***100b。在所示燃料电池***100b中，在燃烧器6的外壁部处形成有换热部18，在换热部处，通过蒸发器4被蒸发的燃料-水混合物可被供给燃烧器6。另外，在图3中，燃料-水混合物从燃料-水混合物源7不仅被送至燃烧器6、也被送至重整器5。
图4示出根据第三实施方式的燃料电池***100c。在所示燃料电池***100c中，在第一蒸发器4a的上游设有用于给第一蒸发器4a提供燃料的燃料源7a，其中，通过第一蒸发器4a所蒸发的燃料作为含燃料流体可被送至燃烧器6，用以在燃烧器6的换热部18之处或之内加热燃料。此外，在第二蒸发器4b的上游设有给第二蒸发器4b提供燃料-水混合物的燃料-水混合物源7b，其中，通过第二蒸发器4b所蒸发的燃料-水混合物可被送至重整器5。第二蒸发器4b相应布置在重整器5的上游。第一蒸发器4a和第二蒸发器4b相互串联且布置在换热器8的上游。
图5示出根据第四实施方式的燃料电池***100d，其类似于根据第三实施方式的燃料电池***100c。在根据第四实施方式的燃料电池***100d中，第一蒸发器4a和第二蒸发器4b并列布置。这可以针对燃料电池***100d的很紧凑的结构来实现。
图6示出根据第五实施方式的燃料电池***100e。在所示燃料电池***100e中，在燃料-水混合物源7的下游，确切说紧接在蒸发器4的下游，设有用于加热燃料-水混合物或燃料的电热式中间加热装置11，在这里，中间加热装置11配置用于加热燃料-水混合物，直到燃料-水混合物达到了预定温度或者高出该温度。中间加热装置11被配置成：一旦燃烧器6和/或燃烧器内的流体达到了预定温度或高出该温度，就停用该中间加热装置。该预定温度可以例如约为650℃。在蒸发器4的下游且在重整器5的上游设有阀门20。阀门20在关闭位置阻止燃料或燃料-水混合物可能流入重整器5，但未被蒸发或不会被蒸发。因此，避免燃料-水混合物可能在重整器5中冷凝并防止液态燃料灌满重整器5。阀门20也可以设置在本发明的所有其它实施方式中。
图7示出了根据第六实施方式的燃料电池***100f。在所示燃料电池***100f中，中间加热装置11布置在燃料-水混合物源的下游且在蒸发器4的上游。
如图3-7所示，喷射器12总是相对远离燃烧器6布置并由此被良好地保护起来以免受到燃烧器的热影响。作为喷射器12，因此尤其也可以采用标准喷射器，即就其形状和耐热性而言不必满足特殊要求的喷射器。
图8示出根据第七实施方式的燃料电池***100g。在所示燃料电池***100g中，示出了带有阳极部2和阴极部3的燃料电池堆。另外，除了主燃料源14外，还示出了水源15以及呈鼓风机形式的空气供应装置16。鼓风机配置用于在蒸发的燃料-水混合物被重整之前或重整期间将空气供给重整器5。
图9示出了根据第八实施方式的燃料电池***100h。在所示燃料电池***100h中，燃烧器具有废气燃烧器6和起动燃烧器17，其中，起动燃烧器17在废气燃烧器6的上游直接布置在废气燃烧器处。
图10示出了根据第九实施方式的燃料电池***100i。在所示燃料电池***100i中，放弃了用于将燃料从主燃料源14送至燃烧器6的流体管路，这是因为中间加热装置11布置在蒸发器4的上游。
在根据图8-10的所有实施例中，可以代替主燃料源14和水源15地也设置有仅唯一一个装有已预混的燃料-水混合物的燃料-水混合物罐。燃料-水混合物罐可以原则上像燃料-水混合物源7那样构成并且布置在蒸发器4的上游。
在图11中示出了具有根据第一实施方式的燃料电池***100a的机动车1000。机动车1000还具有电动机200，其可以通过来自燃料电池***100a的电能被驱动。如图11所示的机动车1000或燃料电池***100a具有控制装置19，其被配置和设计用于执行如下所详述的方法。
接着，参见图12以及图1来描述根据第一实施方式的方法。在第一步骤S1中，蒸发器4通过燃烧器6被加热到约300℃的理想温度。在燃烧器6内的燃料此时通过电热式金属催化器被燃烧，在这里，一旦达到或将超过或已超过理想温度，则催化器被停用。
一旦蒸发器4已达到理想温度或者超过该温度，则在随后第二步骤S2中通过喷射器12将燃料-水混合物从燃料-水混合物源7喷入蒸发器4中。
接着，在第三步骤S3中从达到了理想温度或高于该温度的蒸发器4给重整器5供应通过蒸发器4被蒸发的燃料-水混合物，从而重整器可以重整蒸发的燃料-水混合物。在蒸发的燃料-水混合物被重整之前或重整期间，给重整器5供应空气。另外，在蒸发的燃料-水混合物被供应给重整器5之前，预热重整器5。
现在，在第四步骤S4中给处于停用工作状态(此时未通过燃料电池堆产生电流)的阳极部2供应重整后的燃料-水混合物，由此该阳极部在燃料电池***的起动和加热期间被扫气和相应保护。
接着，重整后的燃料-水混合物可以从阳极部2被送至或再循环至燃烧器6，在燃烧器6中被至少部分燃烧，并且至少部分燃烧的燃料-水混合物从燃烧器6经由蒸发器4以及重整器5又被供应至阳极部2。相应的加热循环现在可以一直运行下去，直到燃料电池***被加热到期望温度。
参见图13以及图6，接着描述根据第二实施方式的方法。在第一步骤S1中，燃烧器6借助电热式金属催化器被加热到约300℃的理想温度。一旦已达到理想温度，金属催化器就被关断。
在第二步骤S2中，通过喷射器12经由蒸发器4给燃烧器6供应燃料-水混合物，在这里，电热式中间加热装置11被启用并且燃料-水混合物沿着燃烧器6被输送。
一旦蒸发器4已达到预定温度、即燃料-水混合物此时通过在燃烧器6中产生的热可通过期望方式被蒸发，则在第三步骤S3中停用中间加热装置11。在现在存在的加热循环中，不仅可以放弃金属催化器的通电，也可以放弃中间加热装置的通电。
本发明除了所示实施方式外还允许其它设计原理。
因此如图4和图5所示可行的是，在第一蒸发器4a的上游设有用于给第一蒸发器4a供应燃料的燃料源7a，在这里，通过第一蒸发器4a所蒸发的燃料作为含燃料流体被送至燃烧器6，用以在燃烧器6的换热部18处加热燃料。即，代替燃料-水混合物，在根据图13的方法中也可以给燃烧器6供应其它的燃料混合物或者其它的燃料。
另外，如图3、图6和图7所示可行的是，通过蒸发器4被蒸发的燃料-水混合物至少部分从已达到理想温度或者高出该温度的蒸发器4作为含燃料流体被送至燃烧器6。即，燃料-水混合物从蒸发器4被部分送至燃烧器6且部分送至重整器5。
附图标记列表
1 燃料电池堆
2 阳极部
3 阴极部
4 蒸发器
4a 蒸发器
4b 蒸发器
5 重整器
6 废气燃烧器(燃烧器)
7 燃料-水混合物源
7a 燃料源
7b 燃料-水混合物源
8 换热器
9 周边环境
10 预热装置
11 中间加热装置
12 喷射器
14 燃料源
15 水源
16 鼓风机
17 起动燃烧器(燃烧器)
18 换热部
19 控制装置
20 阀门
100a-100i 燃料电池***
200 电动机
1000 机动车

Claims (29)

1.一种加热燃料电池***(100a；100b；100c；100d；100e；100f；100g；100h；100i)的方法，该燃料电池***具有：包括阳极部(2)和阴极部(3)的燃料电池堆(1)、用于使燃料-水混合物蒸发的至少一个蒸发器(4；4a，4b)、用于重整蒸发的燃料-水混合物以用在该燃料电池堆(1)阳极部(2)中的重整器(5)和用于燃烧含燃料流体的至少一个燃烧器(6，17)，其中，该重整器(5)优选布置在该至少一个蒸发器(4；4a，4b)的下游，该至少一个燃烧器(6，17)最好布置在该至少一个蒸发器(4；4a，4b)的上游，且该至少一个燃烧器(6，17)与该至少一个蒸发器(4；4a，4b)流体连通以将在该至少一个燃烧器(6，17)中燃烧的含燃料流体从该至少一个燃烧器(6，17)供应至该至少一个蒸发器(4；4a，4b)，并且在该至少一个蒸发器(4；4a，4b)的上游设置用于给该至少一个蒸发器(4；4a，4b)提供燃料
-水混合物的燃料-水混合物源(7；7a，7b)，其中，该方法具有以下步骤：
-将该至少一个蒸发器(4；4a，4b)和/或该至少一个蒸发器(4；4a，4b)内的流体加热至理想温度或更高温度，
-一旦该至少一个蒸发器(4；4a，4b)达到了该理想温度或高于该温度，就将该燃料-水混合物从该燃料-水混合物源(7；7a，7b)供应至该至少一个蒸发器(4；4a，4b)，
-将通过该至少一个蒸发器(4；4a，4b)被蒸发的燃料-水混合物从已达到理想温度或高于该温度的该至少一个蒸发器(4；4a，4b)供应至该重整器(5)以重整蒸发的燃料-水混合物，和
-将重整后的燃料-水混合物供应至处于停用工作状态的该阳极部(2)，在停用工作状态下没有通过该燃料电池堆产生电流。
2.根据权利要求1的方法，其特征是，所述至少一个燃烧器(6，17)设计用于燃烧来自该阳极部(2)的阳极废气、来自该阴极部(3)的阴极废气和/或来自设于该至少一个燃烧器(6，17)上游的燃料源(14)的燃料，其中，该燃料源(14)给该至少一个燃烧器(6，17)供应燃料，且该燃料在该至少一个燃烧器(6，17)中被燃烧，并且其中，燃烧后的燃料从该至少一个燃烧器(6，17)被供给该至少一个蒸发器(4；4a，4b)以将该至少一个蒸发器(4；4a，4b)和/或该至少一个蒸发器(4；4a，4b)内的流体加热至理想温度或更高温度。
3.根据权利要求2的方法，其特征是，该燃料借助电活化式催化器、尤其借助电热式金属催化器被燃烧，并且一旦达到了或超过了该理想温度，就停用该催化器。
4.根据前述权利要求之一的方法，其特征是，重整后的燃料-水混合物从该阳极部(2)被送至该至少一个燃烧器(6，17)，在该至少一个燃烧器(6，17)中被至少部分燃烧，且至少部分燃烧的燃料-水混合物从该至少一个燃烧器(6，17)经由该至少一个蒸发器(4)以及该重整器(5)被供给该阳极部(2)。
5.根据前述权利要求之一的方法，其特征是，该燃料-水混合物从该燃料-水混合物源(7；7a，7b)通过喷射器(12)被喷入该至少一个蒸发器(4；4a，4b)。
6.根据前述权利要求之一的方法，其特征是，在蒸发的燃料-水混合物被重整之前或重整期间，给该重整器(5)供应空气。
7.根据前述权利要求之一的方法，其特征是，该重整器(5)在将蒸发的燃料-水混合物供应至该重整器(5)之前被预热。
8.根据前述权利要求之一的方法，其特征是，该理想温度为至少250℃尤其是至少300℃。
9.根据前述权利要求之一的方法，其特征是，通过该至少一个蒸发器(4；4a，4b)被蒸发的燃料-水混合物至少部分从达到了该理想温度或高出该温度的该至少一个蒸发器(4；4a，4b)作为该含燃料流体被送至该至少一个燃烧器(6，17)。
10.根据权利要求9的方法，其特征是，通过该至少一个蒸发器(4；4a，4b)所蒸发的燃料-水混合物被送至该至少一个燃烧器(6，17)，用以在该至少一个燃烧器(6，17)的换热部(18)之处或之中加热该燃料-水混合物。
11.根据前述权利要求之一的方法，其特征是，在所述至少一个蒸发器(4a)的上游设有用于给该至少一个蒸发器(4a)提供燃料的燃料源(7a)，其中，通过该至少一个蒸发器(4a)所蒸发的燃料作为该含燃料流体被送至该至少一个燃烧器(6，17)，用以在该至少一个燃烧器(6，17)的换热部(18)之处或之中加热该燃料。
12.根据权利要求9至11之一的方法，其特征是，该燃料-水混合物和/或该燃料分别通过设置在该燃料-水混合物源(7；7a，7b)或该燃料源(7a)的下游且在该至少一个燃烧器(6，17)上游的中间加热装置(11)尤其是电热式中间加热装置(11)被加热，直至所述燃料-水混合物或者燃料达到了预定温度或超过该温度。
13.根据权利要求12的方法，其特征是，一旦该至少一个燃烧器(6，17)、在该至少一个燃烧器内的流体、该至少一个蒸发器(4；4a，4b)和/或在该至少一个蒸发器(4；4a，4b)内的流体达到了预定温度或高出该温度，该中间加热装置(11)就被停用。
14.一种用于机动车(1000)的燃料电池***(100a；100b；100c；100d；100e；100f；100g；100h；100i)，具有：包括阳极部(2)和阴极部(3)的燃料电池堆(1)、用于使燃料-水混合物蒸发的至少一个蒸发器(4；4a，4b)、用于重整蒸发的燃料-水混合物以用在该燃料电池堆(1)阳极部(2)中的重整器(5)和用于燃烧含燃料流体的至少一个燃烧器(6，17)，其特征是，该重整器(5)尤其布置在该至少一个蒸发器(4；4a，4b)的下游，该至少一个燃烧器(6，17)尤其布置在该至少一个蒸发器(4；4a，4b)的上游，该至少一个燃烧器(6，17)与该至少一个蒸发器(4；4a，4b)流体连通以便将在该至少一个燃烧器(6，17)中燃烧的含燃料流体从该至少一个燃烧器(6，17)供给该至少一个蒸发器(4；4a，4b)，并且在该至少一个蒸发器(4；4a，4b)的上游设置用于给该至少一个蒸发器(4；4a，4b)提供燃料-水混合物的燃料-水混合物源(7；7a，7b)。
15.根据权利要求14的燃料电池***(100a；100b；100c；100d；100e；100f；100g；100h；100i)，其特征是，提供被配置且设计用于执行根据权利要求1至13之一的方法的控制装置(19)。
16.根据权利要求14至15之一的燃料电池***(100a；100b；100c；100d；100e；100f；100g；100h；100i)，其特征是，所述燃料和水在该燃料-水混合物源(7；7a；7b)中至少暂时以液态形式来提供。
17.根据权利要求14至16之一的燃料电池***(100a；100b；100c；100d；100e；100f；100g；100h；100i)，其特征是，所述至少一个蒸发器(4；4a，4b)紧接在该燃料-水混合物源(7；7a；7b)的下游布置。
18.根据权利要求14至17之一的燃料电池***(100a；100b；100c；100d；100e；100f；100g；100h；100i)，其特征是，所述至少一个蒸发器(4；4a，4b)紧接在该至少一个燃烧器(6，17)的下游布置。
19.根据权利要求14至18之一的燃料电池***(100a；100b；100c；100d；100e；100f；100g；100h；100i)，其特征是，所述至少一个蒸发器(4；4a，4b)和/或该重整器(5)直接连接至所述至少一个燃烧器(6，17)。
20.根据权利要求14至19之一的燃料电池***(100a；100b；100c；100d；100e；100f；100g；100h；100i)，其特征是，所述至少一个燃烧器具有废气燃烧器(6)和/或起动燃烧器(17)。
21.根据权利要求14至20之一的燃料电池***(100a；100b；100c；100d；100e；100f；100g；100h；100i)，其特征是，设有用于在蒸发的燃料-水混合物被重整之前或重整期间将空气供应给该重整器(5)的空气供应装置(16)尤其是鼓风机。
22.根据权利要求14至21之一的燃料电池***(100a；100b；100c；100d；100e；100f；100g；100h；100i)，其特征是，所述至少一个燃烧器(6，17)设计用于燃烧来自该阳极部(2)的阳极废气、来自该阴极部(3)的阴极废气和/或来自设于该至少一个燃烧器(6，17)上游的燃料源(14)的燃料，其中，该燃料源(14)设计用于将该燃料供应至该至少一个燃烧器(6，17)，该至少一个燃烧器(6，17)设计用于将燃烧后的燃料从该至少一个燃烧器(6，17)输送至该至少一个蒸发器(4；4a，4b)、并且将该至少一个蒸发器(4；4a，4b)和/或在该至少一个蒸发器(4；4a，4b)内的流体加热到理想温度或更高温度。
23.根据权利要求14至22之一的燃料电池***(100a；100b；100c；100d；100e；100f；100g；100h；100i)，其特征是，所述至少一个燃烧器(6，17)具有用于燃烧该燃料的电活化式催化器、尤其是电热式金属催化器，其中，该催化器配置成：一旦达到或超过了该理想温度，就停用该催化器。
24.根据权利要求14至23之一的燃料电池***(100a；100b；100c；100d；100e；100f；100g；100h；100i)，其特征是，在该燃料-水混合物源(7；7a，7b)的下游且在该至少一个蒸发器(4；4a，4b)的上游设有至少一个喷射器(12)，该喷射器用于将该燃料-水混合物从该燃料-水混合物源(7；7a，7b)喷入该至少一个蒸发器(4；4a，4b)。
25.根据权利要求14至24之一的燃料电池***(100a；100b；100c；100d；100e；100f；100g；100h；100i)，其特征是，在该至少一个燃烧器(6，17)的外壁部处设置有换热部(18)，在该换热部之处或之中，通过该至少一个蒸发器(4；4a，4b)被蒸发的燃料-水混合物能被供应给该至少一个燃烧器(6，17)。
26.根据权利要求14至25之一的燃料电池***(100a；100b；100c；100d；100e；100f；100g；100h；100i)，其特征是，在该至少一个蒸发器(4a)的上游设有用于给该至少一个蒸发器(4a)提供燃料的燃料源(7a)，其中，通过该至少一个蒸发器(4a)被蒸发的燃料作为该含燃料流体能被供应至该至少一个燃烧器(6，17)，用以在该至少一个燃烧器(6，17)的换热部(18)之中或之处加热该燃料。
27.根据权利要求14至26之一的燃料电池***(100a；100b；100c；100d；100e；100f；100g；100h；100i)，其特征是，在该燃料-水混合物源(7；7a，7b)和/或该燃料源(7a)的下游并且在该至少一个燃烧器(6，17)的上游设有用于加热所述燃料-水混合物或燃料的中间加热装置(11)、尤其是电热式中间加热装置(11)，其中，该中间加热装置(11)被配置成加热所述燃料-水混合物或燃料，直至所述燃料-水混合物或燃料达到了预定温度或高出该温度。
28.根据权利要求27的燃料电池***(100a；100b；100c；100d；100e；100f；100g；100h；100i)，其特征是，该中间加热装置(11)被配置成：一旦该至少一个燃烧器(6，17)、该至少一个燃烧器中的流体、该至少一个蒸发器(4；4a，4b)和/或该至少一个蒸发器(4；4a，4b)中的流体达到了预定温度或高出该温度，就停用该中间加热装置。
29.一种机动车(1000)，具有根据权利要求14至28之一的燃料电池***(100a；100b；100c；100d；100e；100f；100g；100h；100i)。
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