[发明专利]使用液化石油气运行的燃料电池系统

说明书

技术领域

本发明涉及能够使用液化石油气运行的燃料电池系统。

背景技术

燃料电池需要氢气和(大气的)氧气作为反应物以产生电能 和热能。存在不同的已知的重整方法，例如蒸汽重整、自热重 整、部分氧化或裂解，其中包含氢气的气体通过气态和液态烃 的转化而产生。在多数情况下，这些方法非常复杂并且要求设 备和技术控制系统的高度复杂性。通常，它们包括多个单独组 件，例如重整反应器、变换工段(shift stages)、气体精洗工段、 热交换器和蒸发器。

此外，存在已知的高温固态氧化物燃料电池(SOFC)和熔融 碳酸盐燃料电池(MCFC)，其中将气态和液态烃在范围从600℃ 至1000℃的温度下和在(大气的)氧气下转变为电能，这可直接 实现或在预先连接的所谓预重整工段下实现。这些系统的缺点 是热循环性低、加热和冷却时间长以及对使用的材料要求非常 高。

一段时间以来，燃料电池系统也已用作APU系统(辅助动力 装置)用于供给旅游车以机载电源。还已知使用此类燃料电池系 统作为发电机或用于分散能源供给的联供系统(cogeneration systems)。

发明内容

本发明目的在于提供燃料电池系统，其直接将燃料转变为 电能而不面临重整燃料用设备的高度复杂性。

该课题通过借助根据权利要求1所述的燃料电池系统的本 发明来解决。此外，提出了根据本发明的燃料电池系统的有利 用途以及用于启动和停止燃料电池或燃料电池系统的方法。

根据本发明的燃料电池系统包括具有高温聚合物电解质膜 (HT-PEM)的燃料电池、液化石油气气源以及用于将来自石油气 气源的液化石油气进给至燃料电池的阳极反应室的液化石油气 供气管线。

因此，提出可以在不具有设备方面的高度复杂性和在中等 运行温度下将气态液化石油气直接转变为电能的燃料电池。聚 合物电解质膜燃料电池的使用可以实现高度的启动-停止 (start-stop)可循环性。同样，启动和停止时间短以及由于降低 运行温度导致的更低的材料要求是有利的。

燃料电池能够由单个燃料电池组成或由以堆叠体(stack)的 形式设置的多个单个燃料电池组成。燃料电池的基本结构是已 知的，因此在这点上不需要更详细的说明。燃料电池能够在加 压下或在近似大气条件下运行。在后一情况下，周围系统(空气 和气泵)的能量要求显著降低。该结构借助满足温度要求的材 料，例如借助由金属或碳塑复合材料制成的双极板来实现。

将液化石油气直接供给至能够将其转变为电能的阳极反应 室中，这在没有任何复杂的重整过程的情况下得以实现。也许， 仅需要在液化石油气气源和燃料电池之间提供脱硫设备以使供 给的液化石油气脱硫。那里还可以进行有气味的物质的分离。

能够将丙烷、丁烷或丙烷和丁烷的混合物用作液化石油气。

能够在进入阳极反应室之前将水蒸气混合至液化石油气流 中。水蒸气的混合可以是有利的，但它不是绝对必要的，这取 决于燃料电池系统的实施方案。其中，设置在阳极反应室中， 例如在气体扩散电极上或在气体扩散电极中的催化剂适合于转 化液化石油气和适合于产生氢离子。

将氢成分(content)转变为电能和热能以及作为反应产物的 水发生在已知的具有供给至阴极反应室中的(大气的)氧气的电 化学燃料电池反应中。已证实电流和/或电压产生量取决于运行 温度。温度值越高，在恒定运行电压下由燃料电池提供的电流 越大。

使高温聚合物电解质膜在从室温至高于300℃的温度范围 内、优选在从150℃至250℃的范围内运行。其将燃料电池的阳 极反应室与阴极反应室分隔开来，能够将环境空气或氧气供给 燃料电池的阴极反应室。

磷酸掺杂的PBI(聚苯并咪唑)聚合物膜主要用作用于 HT-PEM的材料。然而，在该温度范围内具有高度热稳定性且 是质子导电的或能够通过适当的添加/掺杂进行质子导电的其 它塑料材料也是适合的。