燃料电池系统的蒸发器的利记博彩app

本发明总体上涉及通过燃料电池产生电能的领域。更具体地，其涉及一种燃料电池系统，该系统包括燃料电池堆、用于将要被送过催化重整装置以便形成游离氢部分的甲醇和水的混合物蒸发的蒸发器，所述燃料电池堆是由许多质子交换膜燃料电池构成的，每个质子交换膜燃料电池具有呈阳极和阴极形式的用于传送电流的电极，游离氢和阳极接触形成离子形式的反应与电极之间的电流流量成比例。

背景技术：

在电化学中，燃料电池将原始燃料转化成电能和热量，并且只要持续提供原始燃料将持续产生。

燃料电池的基本转化技术被熟知已经至少一个世纪，但是最新的改进和对燃料节省和环保技术的需求已经使其重获新生。此外，燃料电池技术对于在移动的或偏远的平台上供电和对于备份方案是有利的。

简要的解释来说，使用质子交换膜技术，燃料电池需要提供氢气以使其沿着形成阳极的第一电极通过，并且提供氧气(一般直接用外界空气)以使其沿着形成阴极的第二电极通过。离子导电层(一般是包括铂和磷酸的聚合物薄膜)设置在这些电极之间。提供氢气和氧气，在电极之间产生电压，并且电流将能够在这些电极之间流动并对相连的耗电体供电。与电流的牵拉(draw)对应地，许多氢气和氧气分子将反应，随后当在排气装置中结合时，氢离子和氧将形成作为最终产品的水。此外，该系统会产生热量。

因为必要的氧气供应是通过获取包含氧气的足够量的外界空气来实现的，所以利用燃料电池的总需求是要形成稳定且足够的氢气供应。供应氢气可以由小的或大的压力缸实现，但是氢气的分配和存放是关键的，因为氢气是高度易爆气体。增压氢气是相当耗能的，甚至增压形式的氢气也占据相对多的空间。一个更好的解决方案是通过将更稳定形式的燃料转化成包含大量氢气的合成气体(下文中称作合成气)来就地直接产生氢气。

注意到使用甲醇来产生包含氢气的合成气的工艺在其开始分配时是显然有利的。该技术描述了高低温燃料电池堆，其中120摄氏度的温度是通常理解的技术之间的分界温度。更具体地，低温系统通常工作在大约70摄氏度的温度区域内，高温系统通常工作在大约160摄氏度的温度区域内。然而，对于这两种技术，应用这种工艺需要用于处理燃料和供应包含游离氢的合成气的重整装置。被处理的燃料是甲醇水溶液，下文中称作液体燃料。在第一阶段中，加热器使液体燃料蒸发并将气体运送到所述重整装置。所述重整装置包括含有铜的催化剂，其除了加热之外，还将液体燃料转化成主要由氢气组成的合成气，该合成气具有相对大的二氧化碳含量和少量的水雾和一氧化碳。该合成气可以直接用作用于向燃料电池供应燃料的燃料源。

Dantherm Energy的WO2010/022732描述了一种燃料电池系统，其特征在于，一蒸发器，该蒸发器用于将燃料蒸发成要被运送到重整装置的气体。该蒸发器的特征在于一Z字形蒸发器通道，该通道由燃料电池系统的废气加热。如此，该特征解决了蒸发液体燃料的技术问题，但是却留下了如下所述的一些未解决的缺点。

调节燃料电池电能生产的其中一个挑战是要实现对输入该系统中的燃料的快速响应。如果该系统太慢而不能对额外的电场效应的突然需求进行响应，那它就不是令人满意的。

研究发现该系统的调节速度高度取决于该系统如何快速且有效地加热和蒸发供应到该系统的流体燃料。如果该系统不能快速产生合成气，调节就会减慢，大量流体燃料会形成于蒸发器中。蒸发器中存在流体燃料将会导致燃料电池系统的慢的调节，并且在希望下调电场效应的情况下导致燃料浪费。

JP 62-46902(A)解决了该主题，并且建议设计为螺旋管的蒸发通道沿着管的行进具有增大的横截面。这样，其使受热的液体燃料能够膨胀成气体，因此在传送到燃料电池堆之前防止压力太高以使气体凝结回液体。然而，这种构造(buildup)没有完全解决实现所存在的快速调节的问题。

优化蒸发器的一种方式可以是通过使用喷雾器单元或喷射泵用于将液体燃料注射到用于蒸发的蒸发器中，正如在DE 2157722C2中建议的。然而，喷雾器单元依靠恒定压力，这样将需要存在压缩机。这样甚至会使该系统更复杂和昂贵，压缩机将会需要恒定的能量供应，这将影响该系统的总效率。

因此，考虑到提供将液体燃料完全蒸发成气体的蒸发器的挑战，在开始设计该蒸发器时，需要一种改进使其具有对液体燃料的供应进行快速响应的调节能力，而没有现有技术中的所解释的缺点。

技术实现要素：

本发明的总体目的是提供一种燃料电池系统，其具有避免燃料集聚在该系统中的调节能力并且具有快速加载转换的特征。

根据本发明，这是通过添加正如权利要求1中解释的燃料电池系统中的蒸发器的技术特征实现的。

更具体地，该燃料电池系统包括：

燃料电池堆、催化重整装置、用于将待被供应通过所述催化重整装置以产生游离氢部分的甲醇和水的混合物进行蒸发的蒸发器，该燃料电池堆由许多质子交换膜燃料电池构成，每个质子交换膜燃料电池具有呈用于传送电流的阳极和阴极形式的电极，游离氢和阳极接触形成离子形式的反应与电极之间的电流流量成比例，其中所述蒸发器包括用作预蒸发器的第一部分，该预蒸发器特别适于接收液体燃料并且便于部分地蒸发液体燃料和将液体燃料分离成液滴、微滴和薄雾。

更具体地，这是通过将所述预蒸发器形成为井状腔体来实现的，流体燃料由于重力可以溅落到所述腔体中并且被分成碎状部分。

因此该方法和设计与建议形成蜗形或Z字形路径通道且其中的路径主要布置在水平方向上的现有蒸发器设计非常不同。因此，现有设计蒸发成气体主要是通过加热一致量的流体燃料实现的，不是通过正如由所述预蒸发器实现的将流体燃料机械分离成更小的碎状部分(比如微滴、薄雾和气体)来实现的。

更明确地，所述腔体布置有形状基本竖向的壁或者各种形状的壁以便于提供更大表面积的壁。这些壁可以成形有用于在所述液体燃料沿着这些壁飘落或者溅落通过所述腔体时将液体燃料分离成液滴、微滴和薄雾的边缘或下垂突出部。

调查显示蒸发器的第一阶段，即入口部段的效率对蒸发器的总体性能和调节燃料电池系统的能力具有大的影响。因此，提供形成蒸发器的改进的入口部段的预蒸发器替代用于使流体燃料雾化的喷射泵将有助于解决所概述的技术问题。

在一个实施方式中，所述预蒸发器形成为一腔体，该腔体具有成形为使得竖向延伸的壁为远离直的竖向线倾斜的壁。因此，它们形成了一通道，由于重力而进入该通道的液体燃料的液滴从壁到壁跳飞，将液体燃料的液体雾化并蒸发成小滴、微滴和薄雾。换言之，所述预蒸发器中路径的取向在正常的操作中成形为基本竖向的，但是具有从顶部到底部稍微倾斜的壁。

应该理解的是，上面提到的取向是在燃料电池系统在正常的旨在操作的方位上取向的情况下相对于水平取向描述的。

因为蒸发过程需要热量，所以这些壁进一步地适于用作加热元件以便于增强该蒸发过程。选择导热材料便于加热。此外，这些壁的加热是依靠经受来自于附连的热交换相邻模块的热传递的表面的延伸部分实现的。

在另一个实施方式中，伸入到所述通道中的形成加热元件的杆布置在所述预蒸发器的腔体中。该形成加热元件的杆可以在与所述预蒸发器的腔体交叉的所有方向上突伸。

包括所述预蒸发器和所述蒸发器的蒸发器模块在可以意识到的实施方式中布置为夹心模块，使得可以从两侧提供热能。更具体地，该夹心模块布置成在至少一侧上施加加热元件，被加热的该加热元件经受来自于已经通过燃料电池堆的冷却装置的制冷剂流的热量和/或经受从排气系统传递的热量。

在一个实施方式中，用于在燃料电池堆的冷却系统与蒸发器模块之间进行热交换的热交换器使用基于乙二醇的冷冻机。

用于在废气与蒸发器模块之间进行热交换的热交换器布置有吸热翼片，当废气沿着所述翼片通过时该翼片吸收来自于废气的热量。

蒸发器模块和热交换器布置为夹心结构的效果是从系统开始以及进入到正常发电操作中的快速转换。

在一个实施方式中，这些热交换器一起布置在蒸发器模块的一侧上。在另一个实施方式中，这些热交换器布置在蒸发器模块的每侧上。

可以意识到的是如果形成加热元件的所述杆的形状可以具有许多边，从三角形到多边形，直到达到基本圆形。

此外，形成加热元件的所述杆的边的形状可以从平的到弯曲的或凹入的形式变化。弯曲的或凹入的形式将会延长飘落到所述表面的液体燃料的行程。结果是更多的液体燃料将会被蒸发。

尤其可以意识到的一个实施方式是由形成加热元件的所述杆的形状或者所述壁的形状形成的边缘形成了突出部，该突出部适于让余下的液体燃料滴落以及因此由于重力与所述预蒸发器腔体中的突伸部分(这是杆状加热元件或壁)碰撞。所述突出部可以施加在杆状加热元件和/或所述壁上。

当液体燃料的液滴落下通过所述预蒸发器时，它们分成更小的液滴并且在所述通道的壁与形成加热元件的所述杆之间跳飞。与这些壁和形成加热元件的所述杆的接触使燃料蒸发和雾化成薄雾。

在一个特殊实施方式中，这些杆状加热元件以矩阵布置在所述预蒸发器腔体内。

在另一个实施方式中，形成加热元件的所述杆布置为格栅，该格栅包括至少一个形成加热元件的所述杆。

在一个实施方式中所述格栅包括并排布置的多个形成加热元件的所述杆。

在另一个实施方式中，所述格栅形成为网状，其具有并排布置的多个形成加热元件的所述杆，并且至少一个、但是可能是多个形成加热元件的所述杆并排布置以与第一组形成加热元件的所述杆形成交叉构件。在一个实施方式中，形成加热元件的所述杆组在它们彼此交叉的位置形成接合点。

所述预蒸发器可以分成许多腔室，每个腔室包括用于使液体燃料液滴通过的间隙，腔室的壁的负向倾斜的基本竖向部分后面接着壁的正向倾斜的基本竖向部分，上述壁的正向倾斜的基本竖向部分后面接着通向下一腔室的间隙。

在一个实施方式中，所述腔室具有两组镜像壁，其中杆状加热元件的格栅或矩阵布置在这些壁之间。

正如可以从所呈现的实施方式中看出的，通过所述预蒸发器的行程距离以及液体接触壁表面和加热杆的范围支持液体燃料形成液滴、微滴和雾化薄雾，当燃料进一步行进通过所述通道时形成完全蒸发的气体。

在一个实施方式中，所述腔室之间的间隙适于形成压力喷嘴，用于两相雾化的液体燃料进入后面的较低压力腔室中。允许雾化的液体燃料进入具有较低压力的腔室或腔体能够有效地支持液体蒸发成气体形式。

在一个特殊实施方式中，用于两相雾化的压力降低喷嘴形成了所述预蒸发器腔体的最后出口。适于形成用于将部分雾化和蒸发的液体燃料输送到出口的竖向通道的通道在所述喷嘴之后，所述出口用作迷宫式路径通道的入口。雾化燃料薄雾和蒸发的燃料气体的混合物一起在所述竖向通道内流动，试图溢流到布置在蒸发器通道行程更远处的低压腔体。这具有将部分的雾化的燃料薄雾蒸发成气体和/或将薄雾吹到迷宫式路径通道中的效果。迷宫式路径通道将蒸发的燃料进一步加热并且确保将雾化流体的残余物完全蒸发成气体。包括所述迷宫式路径的所述通道的壁形成了用于加热蒸发燃料的加热元件。

更具体地解释，液体燃料的蒸发需要热形式的能量。从一个阶段(液态)转化成第二阶段(气态)意味着气态形式的水的体积膨胀大约1000倍。雾化所需的能量等于增量的压力乘以气体膨胀速度因子。此外，由于表面张力而导致的雾化所需的能量等于微滴的面积乘以液体燃料的表面张力(Sigma)。在一个实施方式中，通过电加热的加热面板提供了该两相雾化和蒸发所需的能量，但是，在一个可以意识到的实施方式中，来自于燃料电池块和废气燃烧器的余热用于加热蒸发器的目的。

尤其可以意识到的是该系统的一个实施方式，其中这些元件形成了模块，这些模块以模块化方式一起安装成系统。蒸发器模块可以有利地由一块材料形成，优选铝，其一侧上具有用于蒸发器的通道，另一侧上装备有吸热/输热翼片用于获取来自于另一侧的热能。要被吸收用于提供液体燃料蒸发的热能可以由废气燃烧器的排出气提供。尤其可以意识到的是，如果将来自于废气燃烧器的排出气沿着蒸发器模块的翼片完全或部分地运送就能获得该系统的更好的效能。应该理解的是这些模块在物理上使用各种生产方法制造，例如模铸或者通过在机械加工过程中刻出这些模块的通道。叠加(overlaying)的任务是要在蒸发器模块的形成用于蒸发液体燃料的蒸发器通道的第一侧上和在形成用于获取用来蒸发液体燃料的热能的吸热翼片的第二侧上形成其特有的路径。

正如所解释的蒸发器模块优选地可以由铝制成，但是可以预知可以使用其他导热材料，比如铁合金、不锈钢、镁以及陶瓷材料。

附图说明

将参照附图描述本发明的实施方式，其中：

图1示出了燃料电池系统的示意图；

图2示出了用于将液体燃料蒸发成气体的蒸发器模块的示意图；

图3示出了蒸发器模块的细节部分；

图4示出了蒸发器模块中液体燃料入口的细节部分；以及

图5示出了用于两相转化的液体燃料的出口喷嘴。

具体实施方式

图1示出了一种燃料电池系统1，其包括燃料电池堆2、许多支撑模块，这些支撑模块用于向所述燃料电池堆2提供能够使该燃料电池堆2产生稳定电流流量的改良燃料。供应到燃料电池堆2但没有转化成电流的过剩气体被送到废气燃烧器3。废气在正常操作条件下在500摄氏度的温度范围内，并且能量被回收用于制备合成气，该合成气用于给燃料电池堆2加燃料。更详细地，废气被运送通过热交换器模块4，所述热交换器模块4获取来自于废气的热量并且将该热量传递到燃料电池堆中相邻的模块，这里是蒸发器模块5。

液体燃料，即甲醇和水的混合物，被处理成由在燃料电池堆2中使用的游离氢构成的合成气。在蒸发器模块5中，燃料被雾化和蒸发成液体燃料的两相阶段。此外，将蒸发的气体运送到催化重整装置模块6，该催化重整装置模块6将蒸发的气体重整成主要由游离氢构成的合成气。该催化重整装置模块6包括含有铜的催化剂，其除了加热之外将蒸发的液体燃料转化成燃料电池堆2可直接使用的合成气。燃料电池堆2和废气燃烧器3的废热被引导通过蒸发器模块5和催化重整装置模块6中的通道。所述催化重整装置6中需要的温度最高，因此所述催化重整装置6直接布置在废气燃烧器3之后。在废气通道的稍后阶段，蒸发器模块5获取来自于废气的热量以便于将液体燃料蒸发成气体。

图3中示出了图2中示出的蒸发器模块5的入口部段的细节视图，图4示出了其关闭视图。经由蒸发器模块5的入口孔7供应液体燃料。蒸发器模块5的第一部分形成为预蒸发器8，液体燃料由于重力而通过所述预蒸发器。应该注意到在燃料电池系统1操作期间蒸发器模块5的取向必须处于竖立位置中。在该实施方式中所述预蒸发器8分成六个腔室9，根据特殊实施方式，腔室可以更多或更少。当经由入口孔7供应液体燃料时，其落入第一腔室中，并经由间隙10被进一步运送到下一腔室。液滴飞溅到下一腔室9中，在该下一腔室中其与突伸的杆碰撞。该突伸的杆部分地用作加热元件11，并且部分地将液体燃料雾化并蒸发成微滴和薄雾。因为微滴由于重力而进一步沿蒸发器8落下，与更多的突伸的杆碰撞，增大了蒸发效果。正如可以从图4看出的，预蒸发器8的壁12竖方地倾斜以便于包围突伸的杆11，使得将沿着壁12飘落的液体燃料的行程延长并将尽可能最多的液体燃料雾化或蒸发。因为液体燃料(尤其是直接在入口孔7后面的)从预蒸发器8溅落，该液体燃料和微滴将从壁12到壁12跳飞并最终与突伸的杆11碰撞，这种布置将有助于将液体燃料完全雾化和蒸发并且因此是对喷雾注射器的良好替代。应该注意的是所述壁12也被加热并且形成了用于加热和蒸发液体燃料的加热元件。用作加热元件的所述突伸的杆11与所述壁12尤其适于在液体燃料沿着预蒸发器8飘落时将液体燃料雾化并延长液体燃料的行程。实验已经显示所述突伸的杆11的方形形状对液体燃料的雾化和蒸发具有良好效果。三角形形状也具有良好效果。然而，更多的边缘支持液滴的捕获，从而支持液滴被加热的时间。参见所述壁的形状以及杆状加热元件的形状，边缘15、16(图5)形成了能够使流体燃料形成液滴的突出部，所述液滴由于重力进一步沿着蒸发器滴落并且与突伸的部件碰撞，被分成更容易被雾化成细小薄雾的更小碎状部分。

所述间隙10还用作喷嘴，由于增大的压力其有助于液体燃料蒸发并在通过蒸发器模块5的通道行程中保持气态。

参见图5，设有特殊的压力喷嘴13，由于小的通道，该压力喷嘴13提供了用于将剩余的雾化液体燃料进一步吹入竖向通道中的压力降，所述竖向通道是通到蒸发器迷宫通道15的路径14，雾化和蒸发的燃料在所述蒸发器迷宫通道15中被进一步加热成均匀的气体薄雾。因为通过所述压力喷嘴13的压力相当高，效果是其用作所述蒸发器的喷雾注射单元，但是没有之前提到的缺点，因为其是所述蒸发器模块5的完全集成特征。

为了理解该系统，该系统元件构造为可以通过传统的螺钉和螺栓固定在一起的模块。例如废气的路径从模块推进到模块以便于获取尽可能多的热能并达到高效能的系统。因此，这些模块可以使用它们之间的垫圈连接在蒸发器模块5与重整装置模块6之间，正如可以在图1中看出的。

这些模块可以通过对材料条块进行机械加工来制造。在该实施方式中，使用铝质条块并在铝质条块的第一侧上刻出蒸发器通道来提供蒸发器模块。

本发明提供了一种使用预蒸发器用于蒸发液体燃料的增强的系统，所述预蒸发器部分地蒸发燃料，所述预蒸发器后面接有喷嘴，所述喷嘴在燃料通向最终的蒸发区域之前将燃料雾化成细小的薄雾。