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CN1310488A - 液体燃料的燃料电池 - Google Patents

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Abstract

液体燃料的燃料电池的反应装置(3)与电池堆相连,装设的反应装置用于处理液体燃料,通过部分氧化将其转化为含有H2和CO的燃料气。热交换系统(4)与反应装置成一整体。通过该系统,在电池(1)的电流输出操作中可以使液体燃料气化和加热气态的氧气载体。通过是热交换系统一部分的送入点(6),可以使气化的燃料与加热的氧气载体接触,以便形成重整后的燃料气。这种燃料气可以从反应装置送入到电池堆的分配通道中。

Description

液体燃料的燃料电池
本发明涉及液体燃料的燃料电池,也涉及操作的方法和电池的使用。
在使用高温燃料电池,例如从欧洲专利EP-A-0654838(=P.6612)中已知的装置中,从含有甲烷的燃料气和空气中产生电能。在第一步,将燃料气与水蒸汽H2O一起进行催化处理(转化),在约800℃下加热以便形成含有一氧化碳CO和氢气H2的燃料气。第二步中,用这种转化的燃料气在850到900℃的操作温度下在燃料电池中可以实现电流输出的过程。在处理过程中,即转化过程中使用在电流输出过程中和在后燃烧中所释放的热量。也可能转化液体燃料,例如烃类CnHm,其中n>5和m=2n+2,或这样的烃类的混合物,以便形成含有CO和H2的燃料气,并用它来操作已知的燃料电池。在进行转化之前也可以有利地应用所释放的热量使燃料气化。可以在静止的装置中采用液体燃料操作燃料电池,在运动的装置中,例如在汽车中使用是特别有利的,在汽车中燃料可以用油箱携带。对车辆使用来说,由于经济上的原因,必须不需要用H2O,而转化需要水,在已知的装置必需用软化水。
本发明的目的是创造一种液体燃料的燃料电池,它可以应用在运动的装置中,它不需要水对燃料气进行处理。通过权利要求1定义的电池达到了这个目的。
液体燃料的燃料电池有下述的组件:在周边内沿着一根轴布置的电池堆;在堆轴上的分配通道,通过分配通道可以将转化后的燃料气送入到堆内的各个原电池中;在堆周边的后燃烧室;还有用于起动操作的辅助燃烧器。反应装置与电池堆相连或相通,装设的反应装置用于处理液体燃料,通过部分氧化将其转化为含有CO和H2的燃料气。热交换系统与反应装置成一整体,通过该系统,在电池的电流输出操作中一使用从后燃烧室排出的热气体—可以使液体燃料气化和可以加热气态的氧气载体。通过是热交换系统一部分的送入点,可以使气化的燃料与加热的氧气载体接触,以便形成转化后的燃料气。这种燃料气可以从反应装置送入到电池堆的分配通道中。
从属的权利要求2到9项与按照本发明的燃料电池的各有利的实施方案有关。使用按照本发明的电池的方法和可能性分别是权利要求10和11项的主题。
下面将参考附图解释本发明。附图有:
图1按照本发明燃料电池的第一个示范性实施方案,
图2图1电池的平面图,
图3第二个示范性实施方案,
图4与第三个示范性实施方案有关的细节,
图5示意说明有按照本发明的燃料电池的一个装置和
图6实现部分氧化的内装式各元件的另一种解决方案。
对按照本发明的燃料电池1,可以应用它用液体燃料产生电流,在图1中说明第一个示范性实施方案;在图2中表示这个电池的平面图。电池1包括燃料原电池20,原电池在周边2b内和沿着轴2a形成电池堆2。分配通道21在堆轴2a上,通过它可以将转化过的燃料气送入到原电池20中。套筒15包括没有图示说明的空气供给机构,通过该机构可以将气态的氧气载体送入到原电池20中。在电流输出过程中可能没有完全用尽的燃料,在堆周边2b处的一个或几个后燃烧室22中用已经通过原电池20的氧气载体进行完全燃烧。
电池堆2布置在板11和12之间,该板可以构成电池1的电极。连杆13和弹簧14提供一个堆在另一个上的原电池20各元件之间所需的压力。连杆13布置在电池1的边缘区,那里的温度相对较低。热绝缘16覆盖板11的大部分。
布置的反应装置3沿堆轴2a排列对齐,并与电池堆2接触。在这个反应装置3中,实现部分氧化的重整,以对液体燃料进行处理。在这里没有供给重整所需的水而产生含有CO和H2的燃料气。
位于绝热套筒35内的热交换系统4是与反应装置3成一整体的。在电池的电流输出操作中可以应用以后燃烧室22来的热排出气体,一方面用于气化液体燃料,另一方面加热气态的氧气载体。通过是热交换系统4一部分的送入点6,可以使气化的燃料与已加热的氧气载体接触,从而可以产生部分氧化的重整。在形成重整后的燃料气之后,将该气从反应装置3送入到电池堆2的分配通道21中。
在热交换系统4中进行排出气体和氧气载体之间的间接的热交换,这是将这两种介质以逆流的方式通过两个环隙形的子室41和42发生的。子室41和42大体上布置在电池堆周边2b的延长部分。氧气载体通过输入短管进入热交换系统4,再从那里进入子室41,从室41进入公共通道410,然后再从那里通过连接管411进入到送入点6。以后燃烧室22排出的排出气体通过板12中的孔223进入到子室42,并从出口短管32离开热交换系统4。
在反应装置3的中心区,同轴的燃料和预热的氧气载体进料管形成送入点6,进料管是由燃料的中心管33和氧气载体的外管46组成。这些进料管33,46是这样设计的,使得在电流输出操作中从预热的氧气载体传递给燃料的热量足够使后者气化。
反应装置3装设内装元件5,它有足够大的体积使得实现部分氧化的停留时间,能使燃料中所含绝大部分碳反应形成CO或CO2。内装元件5的目的是使反应参与物良好的混合和很高的再循环,从而发生均匀的反应密度。通过这样使温度分布也变得均匀并使形成的烟灰最小。
电加热器7最好装设在液体燃料的供给管线33上,在电池操作的起动阶段可以用该加热器气化燃料。在起动阶段可以使用反应装置3作为辅助的燃烧器,过量供给氧气载体使得燃料完全燃烧。然后可以用热的燃烧气体加热原电池20。
图3表示第二个示范性的实施方案,它有与第一个示范性实施方案基本相同的内装元件5。这些内装元件5由两个由轴的圆筒51和52构成,圆筒围绕送入点6布置。外圆筒51有套筒表面51a和封闭的终端表面51b,它使从送入点6出来的气流发生偏转。另一个圆筒52布置在第一圆筒51的内部,由带有孔520的套筒表面组成。该气流有动量,通过它驱动在第一圆筒51内回路状的循环流动。
有点火电极70的点火装置8布置在送入点6。使用这个装置在电池起动时可以点火燃烧或者在部分氧化开始时可以使反应起动,这表示为火焰80。
热交换系统4与第一示范性实施方案的不同:后燃烧室22排出的热排出气流引入到外面的环隙形子室42。管32与该室同心布置,通过该管将排出气体引到反应装置3之外,氧气载气通过管31进入到热交换系统4,在那里它与排出气体成逆流的方式通过内部的环隙形子室41。加热的氧气载体通过第二环隙形子室412被引入到送入点6的管46。管46的出口端60形成喷嘴,从而传递足够的动量驱动反应室内的循环流动。
图4表示与第三示范性实施方案有关的细节,它涉及热交换器4,和它是第一示范性实施方案中热交换系统4的一种变型:在排出气体的送料孔223处,接着环隙室41(氧气载体)和42(排出气体)布置径向间隙室45,通过它进行从排出气体到氧气载体的热交换。
按照本发明的电池提供的电功率大于1kW但小于5kW。设计内装元件5在它们的数量级内,使内圆筒52有直径5cm,外圆筒51有直径10cm。围绕外圆筒51装设有间隙宽度2cm的环形间隙53,通过它转化后的燃料气可以流入到分配通道21的入口点210。
在用部分氧化的重整中,选择氧气载体和燃料比例的比是,使燃料中所含碳至少50%,最好是80-90%氧化成CO。其余氧化成CO2
图5表示具有按照本发明的燃料电池1的装置1’的示意说明,电池布置在箱10中。在由未图示说明的热交换系统4组成的反应装置3的外周,装设环隙形子室101,通过它可以引入反应所需的空气或另一种氧气载体。空气通过箱10的短管100引入。在流过子室101之后,经过绝热封闭15它到达电池堆2的原电池20中。通过这种新鲜空气的进入使电池1的表面保持在低的温度。
在图6中说明实现部分氧化的内装元件5的另一种解决方案。与按照图1到3的实施方案中的内装元件5相比较,这里没有内圆筒52。相反在圆筒51的下端表面处布置环形偏转壁51C,它使气流偏转,从而产生由箭头指出的回路流动。
按照本发明的燃料电池1可以应用于静止的或移动的装置中。

Claims (11)

1.用液体燃料的燃料电池(1),包括在周边(2b)内沿轴(2a)布置的电池堆(2),在堆轴(2a)上的分配通道(21),通过分配通道可以将重整过的燃料气送入到堆(2)内的各个原电池(20)中,在堆周边(2b)的后燃烧室(22),和用于起动操作的辅助燃烧器(3),其特征在于,装设的反应装置(3)与电池堆相连,通过部分氧化的重整,将液体燃料处理成为含有CO和H2的燃料气,其中有一个与反应装置成一整体的热交换系统(4),通过该系统,在电池的电流输出操作中—使用从后燃烧室排出的热气体—可以使液体燃料气化和可以加热气态的氧气载体;送入点(6)是热交换系统的一部分;可以通过这个送入点将气化的燃料与加热的氧气载体汇集在一起,以便形成重整后的燃料气;和该燃料气可从反应装置送入到电池堆的分配通道中。
2.按照权利要求1所述的燃料电池,其特征在于布置的反应装置(3)沿堆轴(2a)排列对齐,并与电池堆(2)接触;以及可以用反应装置作为辅助燃烧器。
3.按照权利要求1或2所述的燃料电池,其特征在于在电流输出操作时在热交换系统(4)内发生排出气体和氧气载体之间的间接热交换;和可以将排出气体和氧气载体通过至少两个环形子室(41,42)进行这种热交换,该子室大体上布置在电池堆周边(2b)的延长部分。
4.按照权利要求1至3中任意一个所述的燃料电池,其特征在于反应装置(3)的中心区中同轴的供应管(33,46)组成燃料和预热过的氧气载体的送入点(6),有可能特别通过中心供应管(33)送入燃料;以及以这样的方式设计各供料管,使在电流输出操作中可以从预热过的氧气载体获得使燃料气化所需的足够热量。
5.按照权利要求1至4中任意一个所述的燃料电池,其特征在于反应装置(3)装设内装的元件(5),用于形成回路流动,并有足够大的体积使得实现部分氧化的停留时间,能使燃料中所含绝大部分碳反应成CO或CO2
6.按照权利要求5所述的燃料电池,其特征在于内装元件(5)是围绕送入点(6)布置的同轴圆筒(51,52);所述一个圆筒(51)有套筒表面和封闭的终端表面(51a,51b),它使从送入点出来的气流发生偏转;以及所述另一个圆筒(52)布置在第一圆筒的内部,由带有孔(520)的套筒表面组成,其结果该气流引起在第一圆筒(51)内象回路样的循环流动,有可能用布置在第一圆筒套筒表面(51a)下边缘和在这个边缘的内区中的环形壁(51c)代替内圆筒(52)。
7.按照权利要求6所述的燃料电池,其特征在于它提供的电功率大于1kW和小于5kW;以及设计内装元件在它们的数量级内,使内圆筒(52)有直径5cm,外圆筒(51)有直径10cm;围绕外圆筒装设有间隙宽度2cm的环形间隙(53),通过它重整后的燃料气可以流入到分配通道(21)的入口点(210)。
8.按照权利要求1至7中任意一个所述的燃料电池,其特征在于电加热器(7)最好装设在液体燃料的供给管线(33)上,在电流输出操作的起动阶段可以用该加热器气化燃料;以及点火电极(8,80)布置在送入点(6),通过这个装置可以在辅助燃烧器中点火燃烧,或者在部分氧化的起动阶段点火。
9.按照权利要求1至8中任意一个所述的燃料电池,其特征在于在热交换系统(4)的周边装设环形的子室(101),反应所需的空气或另一种氧气载体可以通过它引入。
10.按照权利要求1至9中任意一个所述的燃料电池(1)的操作方法,其特征在于为在氧气载体和燃料之间反应,所提供的它们比例是,使燃料中所含碳至少50%,最好80-90%氧化成CO,其余氧化成CO2
11.在静止或移动的装置中应用,按照权利要求1至9中任意一个所述的燃料电池(1),可以使用烃类CnHm,式中n>5,和例如m=2n+2,或者是这样的烃类的混合物作为燃料。
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