本發明總體上涉及通過燃料電池產生電能的領域。更具體地，其涉及一種燃料電池系統，該系統包括燃料電池堆、用于將要被送過催化重整裝置以便形成游離氫部分的甲醇和水的混合物蒸發的蒸發器，所述燃料電池堆是由許多質子交換膜燃料電池構成的，每個質子交換膜燃料電池具有呈陽極和陰極形式的用于傳送電流的電極，游離氫和陽極接觸形成離子形式的反應與電極之間的電流流量成比例。

背景技術：

在電化學中，燃料電池將原始燃料轉化成電能和熱量，并且只要持續提供原始燃料將持續產生。

燃料電池的基本轉化技術被熟知已經至少一個世紀，但是最新的改進和對燃料節省和環保技術的需求已經使其重獲新生。此外，燃料電池技術對于在移動的或偏遠的平臺上供電和對于備份方案是有利的。

簡要的解釋來說，使用質子交換膜技術，燃料電池需要提供氫氣以使其沿著形成陽極的第一電極通過，并且提供氧氣(一般直接用外界空氣)以使其沿著形成陰極的第二電極通過。離子導電層(一般是包括鉑和磷酸的聚合物薄膜)設置在這些電極之間。提供氫氣和氧氣，在電極之間產生電壓，并且電流將能夠在這些電極之間流動并對相連的耗電體供電。與電流的牽拉(draw)對應地，許多氫氣和氧氣分子將反應，隨后當在排氣裝置中結合時，氫離子和氧將形成作為最終產品的水。此外，該系統會產生熱量。

因為必要的氧氣供應是通過獲取包含氧氣的足夠量的外界空氣來實現的，所以利用燃料電池的總需求是要形成穩定且足夠的氫氣供應。供應氫氣可以由小的或大的壓力缸實現，但是氫氣的分配和存放是關鍵的，因為氫氣是高度易爆氣體。增壓氫氣是相當耗能的，甚至增壓形式的氫氣也占據相對多的空間。一個更好的解決方案是通過將更穩定形式的燃料轉化成包含大量氫氣的合成氣體(下文中稱作合成氣)來就地直接產生氫氣。

注意到使用甲醇來產生包含氫氣的合成氣的工藝在其開始分配時是顯然有利的。該技術描述了高低溫燃料電池堆，其中120攝氏度的溫度是通常理解的技術之間的分界溫度。更具體地，低溫系統通常工作在大約70攝氏度的溫度區域內，高溫系統通常工作在大約160攝氏度的溫度區域內。然而，對于這兩種技術，應用這種工藝需要用于處理燃料和供應包含游離氫的合成氣的重整裝置。被處理的燃料是甲醇水溶液，下文中稱作液體燃料。在第一階段中，加熱器使液體燃料蒸發并將氣體運送到所述重整裝置。所述重整裝置包括含有銅的催化劑，其除了加熱之外，還將液體燃料轉化成主要由氫氣組成的合成氣，該合成氣具有相對大的二氧化碳含量和少量的水霧和一氧化碳。該合成氣可以直接用作用于向燃料電池供應燃料的燃料源。

Dantherm Energy的WO2010/022732描述了一種燃料電池系統，其特征在于，一蒸發器，該蒸發器用于將燃料蒸發成要被運送到重整裝置的氣體。該蒸發器的特征在于一Z字形蒸發器通道，該通道由燃料電池系統的廢氣加熱。如此，該特征解決了蒸發液體燃料的技術問題，但是卻留下了如下所述的一些未解決的缺點。

調節燃料電池電能生產的其中一個挑戰是要實現對輸入該系統中的燃料的快速響應。如果該系統太慢而不能對額外的電場效應的突然需求進行響應，那它就不是令人滿意的。

研究發現該系統的調節速度高度取決于該系統如何快速且有效地加熱和蒸發供應到該系統的流體燃料。如果該系統不能快速產生合成氣，調節就會減慢，大量流體燃料會形成于蒸發器中。蒸發器中存在流體燃料將會導致燃料電池系統的慢的調節，并且在希望下調電場效應的情況下導致燃料浪費。

JP 62-46902(A)解決了該主題，并且建議設計為螺旋管的蒸發通道沿著管的行進具有增大的橫截面。這樣，其使受熱的液體燃料能夠膨脹成氣體，因此在傳送到燃料電池堆之前防止壓力太高以使氣體凝結回液體。然而，這種構造(buildup)沒有完全解決實現所存在的快速調節的問題。

優化蒸發器的一種方式可以是通過使用噴霧器單元或噴射泵用于將液體燃料注射到用于蒸發的蒸發器中，正如在DE 2157722C2中建議的。然而，噴霧器單元依靠恒定壓力，這樣將需要存在壓縮機。這樣甚至會使該系統更復雜和昂貴，壓縮機將會需要恒定的能量供應，這將影響該系統的總效率。

因此，考慮到提供將液體燃料完全蒸發成氣體的蒸發器的挑戰，在開始設計該蒸發器時，需要一種改進使其具有對液體燃料的供應進行快速響應的調節能力，而沒有現有技術中的所解釋的缺點。

技術實現要素：

本發明的總體目的是提供一種燃料電池系統，其具有避免燃料集聚在該系統中的調節能力并且具有快速加載轉換的特征。

根據本發明，這是通過添加正如權利要求1中解釋的燃料電池系統中的蒸發器的技術特征實現的。

更具體地，該燃料電池系統包括：

燃料電池堆、催化重整裝置、用于將待被供應通過所述催化重整裝置以產生游離氫部分的甲醇和水的混合物進行蒸發的蒸發器，該燃料電池堆由許多質子交換膜燃料電池構成，每個質子交換膜燃料電池具有呈用于傳送電流的陽極和陰極形式的電極，游離氫和陽極接觸形成離子形式的反應與電極之間的電流流量成比例，其中所述蒸發器包括用作預蒸發器的第一部分，該預蒸發器特別適于接收液體燃料并且便于部分地蒸發液體燃料和將液體燃料分離成液滴、微滴和薄霧。

更具體地，這是通過將所述預蒸發器形成為井狀腔體來實現的，流體燃料由于重力可以濺落到所述腔體中并且被分成碎狀部分。

因此該方法和設計與建議形成蝸形或Z字形路徑通道且其中的路徑主要布置在水平方向上的現有蒸發器設計非常不同。因此，現有設計蒸發成氣體主要是通過加熱一致量的流體燃料實現的，不是通過正如由所述預蒸發器實現的將流體燃料機械分離成更小的碎狀部分(比如微滴、薄霧和氣體)來實現的。

更明確地，所述腔體布置有形狀基本豎向的壁或者各種形狀的壁以便于提供更大表面積的壁。這些壁可以成形有用于在所述液體燃料沿著這些壁飄落或者濺落通過所述腔體時將液體燃料分離成液滴、微滴和薄霧的邊緣或下垂突出部。

調查顯示蒸發器的第一階段，即入口部段的效率對蒸發器的總體性能和調節燃料電池系統的能力具有大的影響。因此，提供形成蒸發器的改進的入口部段的預蒸發器替代用于使流體燃料霧化的噴射泵將有助于解決所概述的技術問題。

在一個實施方式中，所述預蒸發器形成為一腔體，該腔體具有成形為使得豎向延伸的壁為遠離直的豎向線傾斜的壁。因此，它們形成了一通道，由于重力而進入該通道的液體燃料的液滴從壁到壁跳飛，將液體燃料的液體霧化并蒸發成小滴、微滴和薄霧。換言之，所述預蒸發器中路徑的取向在正常的操作中成形為基本豎向的，但是具有從頂部到底部稍微傾斜的壁。

應該理解的是，上面提到的取向是在燃料電池系統在正常的旨在操作的方位上取向的情況下相對于水平取向描述的。

因為蒸發過程需要熱量，所以這些壁進一步地適于用作加熱元件以便于增強該蒸發過程。選擇導熱材料便于加熱。此外，這些壁的加熱是依靠經受來自于附連的熱交換相鄰模塊的熱傳遞的表面的延伸部分實現的。

在另一個實施方式中，伸入到所述通道中的形成加熱元件的桿布置在所述預蒸發器的腔體中。該形成加熱元件的桿可以在與所述預蒸發器的腔體交叉的所有方向上突伸。

包括所述預蒸發器和所述蒸發器的蒸發器模塊在可以意識到的實施方式中布置為夾心模塊，使得可以從兩側提供熱能。更具體地，該夾心模塊布置成在至少一側上施加加熱元件，被加熱的該加熱元件經受來自于已經通過燃料電池堆的冷卻裝置的制冷劑流的熱量和/或經受從排氣系統傳遞的熱量。

在一個實施方式中，用于在燃料電池堆的冷卻系統與蒸發器模塊之間進行熱交換的熱交換器使用基于乙二醇的冷凍機。

用于在廢氣與蒸發器模塊之間進行熱交換的熱交換器布置有吸熱翼片，當廢氣沿著所述翼片通過時該翼片吸收來自于廢氣的熱量。

蒸發器模塊和熱交換器布置為夾心結構的效果是從系統開始以及進入到正常發電操作中的快速轉換。

在一個實施方式中，這些熱交換器一起布置在蒸發器模塊的一側上。在另一個實施方式中，這些熱交換器布置在蒸發器模塊的每側上。

可以意識到的是如果形成加熱元件的所述桿的形狀可以具有許多邊，從三角形到多邊形，直到達到基本圓形。

此外，形成加熱元件的所述桿的邊的形狀可以從平的到彎曲的或凹入的形式變化。彎曲的或凹入的形式將會延長飄落到所述表面的液體燃料的行程。結果是更多的液體燃料將會被蒸發。

尤其可以意識到的一個實施方式是由形成加熱元件的所述桿的形狀或者所述壁的形狀形成的邊緣形成了突出部，該突出部適于讓余下的液體燃料滴落以及因此由于重力與所述預蒸發器腔體中的突伸部分(這是桿狀加熱元件或壁)碰撞。所述突出部可以施加在桿狀加熱元件和/或所述壁上。

當液體燃料的液滴落下通過所述預蒸發器時，它們分成更小的液滴并且在所述通道的壁與形成加熱元件的所述桿之間跳飛。與這些壁和形成加熱元件的所述桿的接觸使燃料蒸發和霧化成薄霧。

在一個特殊實施方式中，這些桿狀加熱元件以矩陣布置在所述預蒸發器腔體內。

在另一個實施方式中，形成加熱元件的所述桿布置為格柵，該格柵包括至少一個形成加熱元件的所述桿。

在一個實施方式中所述格柵包括并排布置的多個形成加熱元件的所述桿。

在另一個實施方式中，所述格柵形成為網狀，其具有并排布置的多個形成加熱元件的所述桿，并且至少一個、但是可能是多個形成加熱元件的所述桿并排布置以與第一組形成加熱元件的所述桿形成交叉構件。在一個實施方式中，形成加熱元件的所述桿組在它們彼此交叉的位置形成接合點。

所述預蒸發器可以分成許多腔室，每個腔室包括用于使液體燃料液滴通過的間隙，腔室的壁的負向傾斜的基本豎向部分后面接著壁的正向傾斜的基本豎向部分，上述壁的正向傾斜的基本豎向部分后面接著通向下一腔室的間隙。

在一個實施方式中，所述腔室具有兩組鏡像壁，其中桿狀加熱元件的格柵或矩陣布置在這些壁之間。

正如可以從所呈現的實施方式中看出的，通過所述預蒸發器的行程距離以及液體接觸壁表面和加熱桿的范圍支持液體燃料形成液滴、微滴和霧化薄霧，當燃料進一步行進通過所述通道時形成完全蒸發的氣體。

在一個實施方式中，所述腔室之間的間隙適于形成壓力噴嘴，用于兩相霧化的液體燃料進入后面的較低壓力腔室中。允許霧化的液體燃料進入具有較低壓力的腔室或腔體能夠有效地支持液體蒸發成氣體形式。

在一個特殊實施方式中，用于兩相霧化的壓力降低噴嘴形成了所述預蒸發器腔體的最后出口。適于形成用于將部分霧化和蒸發的液體燃料輸送到出口的豎向通道的通道在所述噴嘴之后，所述出口用作迷宮式路徑通道的入口。霧化燃料薄霧和蒸發的燃料氣體的混合物一起在所述豎向通道內流動，試圖溢流到布置在蒸發器通道行程更遠處的低壓腔體。這具有將部分的霧化的燃料薄霧蒸發成氣體和/或將薄霧吹到迷宮式路徑通道中的效果。迷宮式路徑通道將蒸發的燃料進一步加熱并且確保將霧化流體的殘余物完全蒸發成氣體。包括所述迷宮式路徑的所述通道的壁形成了用于加熱蒸發燃料的加熱元件。

更具體地解釋，液體燃料的蒸發需要熱形式的能量。從一個階段(液態)轉化成第二階段(氣態)意味著氣態形式的水的體積膨脹大約1000倍。霧化所需的能量等于增量的壓力乘以氣體膨脹速度因子。此外，由于表面張力而導致的霧化所需的能量等于微滴的面積乘以液體燃料的表面張力(Sigma)。在一個實施方式中，通過電加熱的加熱面板提供了該兩相霧化和蒸發所需的能量，但是，在一個可以意識到的實施方式中，來自于燃料電池塊和廢氣燃燒器的余熱用于加熱蒸發器的目的。

尤其可以意識到的是該系統的一個實施方式，其中這些元件形成了模塊，這些模塊以模塊化方式一起安裝成系統。蒸發器模塊可以有利地由一塊材料形成，優選鋁，其一側上具有用于蒸發器的通道，另一側上裝備有吸熱/輸熱翼片用于獲取來自于另一側的熱能。要被吸收用于提供液體燃料蒸發的熱能可以由廢氣燃燒器的排出氣提供。尤其可以意識到的是，如果將來自于廢氣燃燒器的排出氣沿著蒸發器模塊的翼片完全或部分地運送就能獲得該系統的更好的效能。應該理解的是這些模塊在物理上使用各種生產方法制造，例如模鑄或者通過在機械加工過程中刻出這些模塊的通道。疊加(overlaying)的任務是要在蒸發器模塊的形成用于蒸發液體燃料的蒸發器通道的第一側上和在形成用于獲取用來蒸發液體燃料的熱能的吸熱翼片的第二側上形成其特有的路徑。

正如所解釋的蒸發器模塊優選地可以由鋁制成，但是可以預知可以使用其他導熱材料，比如鐵合金、不銹鋼、鎂以及陶瓷材料。

附圖說明

將參照附圖描述本發明的實施方式，其中：

圖1示出了燃料電池系統的示意圖；

圖2示出了用于將液體燃料蒸發成氣體的蒸發器模塊的示意圖；

圖3示出了蒸發器模塊的細節部分；

圖4示出了蒸發器模塊中液體燃料入口的細節部分；以及

圖5示出了用于兩相轉化的液體燃料的出口噴嘴。

具體實施方式

圖1示出了一種燃料電池系統1，其包括燃料電池堆2、許多支撐模塊，這些支撐模塊用于向所述燃料電池堆2提供能夠使該燃料電池堆2產生穩定電流流量的改良燃料。供應到燃料電池堆2但沒有轉化成電流的過剩氣體被送到廢氣燃燒器3。廢氣在正常操作條件下在500攝氏度的溫度范圍內，并且能量被回收用于制備合成氣，該合成氣用于給燃料電池堆2加燃料。更詳細地，廢氣被運送通過熱交換器模塊4，所述熱交換器模塊4獲取來自于廢氣的熱量并且將該熱量傳遞到燃料電池堆中相鄰的模塊，這里是蒸發器模塊5。

液體燃料，即甲醇和水的混合物，被處理成由在燃料電池堆2中使用的游離氫構成的合成氣。在蒸發器模塊5中，燃料被霧化和蒸發成液體燃料的兩相階段。此外，將蒸發的氣體運送到催化重整裝置模塊6，該催化重整裝置模塊6將蒸發的氣體重整成主要由游離氫構成的合成氣。該催化重整裝置模塊6包括含有銅的催化劑，其除了加熱之外將蒸發的液體燃料轉化成燃料電池堆2可直接使用的合成氣。燃料電池堆2和廢氣燃燒器3的廢熱被引導通過蒸發器模塊5和催化重整裝置模塊6中的通道。所述催化重整裝置6中需要的溫度最高，因此所述催化重整裝置6直接布置在廢氣燃燒器3之后。在廢氣通道的稍后階段，蒸發器模塊5獲取來自于廢氣的熱量以便于將液體燃料蒸發成氣體。

圖3中示出了圖2中示出的蒸發器模塊5的入口部段的細節視圖，圖4示出了其關閉視圖。經由蒸發器模塊5的入口孔7供應液體燃料。蒸發器模塊5的第一部分形成為預蒸發器8，液體燃料由于重力而通過所述預蒸發器。應該注意到在燃料電池系統1操作期間蒸發器模塊5的取向必須處于豎立位置中。在該實施方式中所述預蒸發器8分成六個腔室9，根據特殊實施方式，腔室可以更多或更少。當經由入口孔7供應液體燃料時，其落入第一腔室中，并經由間隙10被進一步運送到下一腔室。液滴飛濺到下一腔室9中，在該下一腔室中其與突伸的桿碰撞。該突伸的桿部分地用作加熱元件11，并且部分地將液體燃料霧化并蒸發成微滴和薄霧。因為微滴由于重力而進一步沿蒸發器8落下，與更多的突伸的桿碰撞，增大了蒸發效果。正如可以從圖4看出的，預蒸發器8的壁12豎方地傾斜以便于包圍突伸的桿11，使得將沿著壁12飄落的液體燃料的行程延長并將盡可能最多的液體燃料霧化或蒸發。因為液體燃料(尤其是直接在入口孔7后面的)從預蒸發器8濺落，該液體燃料和微滴將從壁12到壁12跳飛并最終與突伸的桿11碰撞，這種布置將有助于將液體燃料完全霧化和蒸發并且因此是對噴霧注射器的良好替代。應該注意的是所述壁12也被加熱并且形成了用于加熱和蒸發液體燃料的加熱元件。用作加熱元件的所述突伸的桿11與所述壁12尤其適于在液體燃料沿著預蒸發器8飄落時將液體燃料霧化并延長液體燃料的行程。實驗已經顯示所述突伸的桿11的方形形狀對液體燃料的霧化和蒸發具有良好效果。三角形形狀也具有良好效果。然而，更多的邊緣支持液滴的捕獲，從而支持液滴被加熱的時間。參見所述壁的形狀以及桿狀加熱元件的形狀，邊緣15、16(圖5)形成了能夠使流體燃料形成液滴的突出部，所述液滴由于重力進一步沿著蒸發器滴落并且與突伸的部件碰撞，被分成更容易被霧化成細小薄霧的更小碎狀部分。

所述間隙10還用作噴嘴，由于增大的壓力其有助于液體燃料蒸發并在通過蒸發器模塊5的通道行程中保持氣態。

參見圖5，設有特殊的壓力噴嘴13，由于小的通道，該壓力噴嘴13提供了用于將剩余的霧化液體燃料進一步吹入豎向通道中的壓力降，所述豎向通道是通到蒸發器迷宮通道15的路徑14，霧化和蒸發的燃料在所述蒸發器迷宮通道15中被進一步加熱成均勻的氣體薄霧。因為通過所述壓力噴嘴13的壓力相當高，效果是其用作所述蒸發器的噴霧注射單元，但是沒有之前提到的缺點，因為其是所述蒸發器模塊5的完全集成特征。

為了理解該系統，該系統元件構造為可以通過傳統的螺釘和螺栓固定在一起的模塊。例如廢氣的路徑從模塊推進到模塊以便于獲取盡可能多的熱能并達到高效能的系統。因此，這些模塊可以使用它們之間的墊圈連接在蒸發器模塊5與重整裝置模塊6之間，正如可以在圖1中看出的。

這些模塊可以通過對材料條塊進行機械加工來制造。在該實施方式中，使用鋁質條塊并在鋁質條塊的第一側上刻出蒸發器通道來提供蒸發器模塊。

本發明提供了一種使用預蒸發器用于蒸發液體燃料的增強的系統，所述預蒸發器部分地蒸發燃料，所述預蒸發器后面接有噴嘴，所述噴嘴在燃料通向最終的蒸發區域之前將燃料霧化成細小的薄霧。