用于运行固体氧化物燃料电池装置的方法、固体氧化物燃料电池装置和具有它的机动车与流程

1.本发明涉及一种用于运行固体氧化物燃料电池装置的方法，包括以下步骤：
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利用在固体氧化物燃料电池运行时产生的废热，以为了借助于集成在制冷回路中的制冷机来生成冷，以便冷却阳极侧废气；
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在制冷机的帮助下，通过第一水冷凝器将在阳极侧产生的废气中的水冷凝；
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通过水分离器来分离水；
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将阳极侧的co2废气流压缩，其中，使用由制冷机产生的冷却功率来冷却co2废气流；
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将压缩的co2储存在co2储存器中。
2.本发明还涉及固体氧化物燃料电池装置以及具有固体氧化物燃料电池装置的机动车。


背景技术：

3.燃料电池用于在含氢燃料和含氧氧化剂(通常是空气)之间的化学反应中提供电能。在固体氧化物燃料电池(英文：solid oxide fuel cell, sofc)中，电解质层在此由因此得名的固体材料例如陶瓷掺钇二氧化锆组成，它能够传导氧离子，而电子无法传导。电解质层容纳在两个电极层之间，即向其供应空气的阴极层和向其供应燃料的阳极层，燃料可以由h2、co、ch4、c3h8或类似的碳氢化合物形成。如果空气通过阴极层被引导到电解质层，氧气占据两个电子，并且所形成的氧离子o
2-透过电解质层移动到阳极层，其中，在阳极层，氧离子与燃料反应从而形成水和co2。在阴极侧发生以下反应：
½
o2 2e-→
2o
2-(还原/接受电子)。在阳极发生以下反应：h2 o
2-→
h2o 2e-以及co o
2-→
co2 2e-(氧化/电子释放)。
4.固体氧化物燃料电池需要高温，大多在700℃以上，它们在该温度下运行，因此通常也采用高温燃料电池的名称。
5.当使用ch4或其它碳氢化合物作为燃料时，产生co2排放物。这些排放物可以储存在co2储存器中，并在机动车中使用固体氧化物燃料电池装置时使用，例如在电转气方法中为再生甲烷补充燃料时使用。但由于阳极废气不仅含有co2，还部分地含有水，因此事先需要将水在冷凝器中冷凝并分离。通过分离水，可实现90%以上的co2质量分额。此外可行的是，阳极废气通过热交换器冷却。冷凝器可以通过冷却回路来冷却。该冷却回路吸收阳极废气所吸收的热量，并将其释放到环境中。但由此，在冷凝器下游阳极废气可达到的最低温度取决于环境温度。在较高温度下，阳极废气中所含的水因而未完全冷凝。在随后的压缩机级中，该残留水会因压力升高而冷凝，且从而损坏压缩机。


技术实现要素：

6.本发明的目的是，提供一种方法，采用该方法可以将阳极侧的废气流冷却至环境温度以下，从而改善水冷凝。此外目的是，提供一种改进的固体氧化物燃料电池装置和一种
具有固体氧化物燃料电池装置的更高效的机动车。
7.该目的通过一种具有权利要求1的特征的方法、一种具有权利要求4的特征的固体氧化物燃料电池装置和一种具有权利要求10的特征的带有固体氧化物燃料电池装置的机动车来实现。在从属权利要求中给出了具有本发明的有利改进的有利设计。
8.根据本发明的方法特征在于，在没有额外使用外部能源的情况下，仅通过利用在固体氧化物燃料电池装置运行时产生的废热，即可主动将阳极废气冷却至环境温度以下，从而改进水的冷凝，并且更好地保护至少一个压缩机。还优选的是，在阳极侧产生的废气中的水通过制冷回路的第一级的第一温度水平被完全冷凝，并且在制冷回路的第二级中，通过低于第一级的温度水平的第二温度水平，在阳极侧产生的废气中的co2在第一压缩机级和/或第二压缩机级后被液化，并因此被进一步压缩。通过液化co2，可以在压缩机功率降低的同时实现更大的压缩比。
9.此外有利的是，用于供应至少一个气体冷却器的至少一个阀布置在制冷回路中，并且经由至少一个阀来设定用于冷却co2的功率。
10.此外设置一种固体氧化物燃料电池装置，其带有：燃料电池堆，该燃料电池堆具有至少一个燃料电池；甲烷罐；co2储存器；水分离器；至少一个压缩机；和集成到制冷回路中的用于冷却阳极侧的废气的制冷机。通过冷却阳极侧的废气，实现了更有效地冷凝水分，由此减少了阳极废气中的残留水含量，且从而保护布置在水分离器下游的压缩机单元免受水损坏。降低的温度还提供了可以增打压缩比的优点。
11.也有利的是，制冷机由制冷回路中的吸收式制冷设备形成，该吸收式制冷设备用于从阴极侧的废热生成冷。吸收式制冷设备特征在于，有效的废热利用和低的故障敏感性。
12.此外可行的是，制冷机由制冷回路中的具有至少一个喷射泵的热压机形成，该热压机用于从废热生成冷。热压机特征也在于，低的故障敏感性和因此持久的运行。它还具有高的运行可靠性。
13.也可行的是，废气能量用于运行制冷回路。在此阳极废气首先在第一水冷凝器中用冷却剂冷却至环境温度，且然后通过第二水冷凝器使用来自制冷回路的制冷剂进一步冷却下来。通过这两个水冷凝器级，可以降低制冷回路的制冷功率，因此固体氧化物燃料电池装置可以更有效地运行。由于两个水冷凝器也可以合并在一个结构组件中，因此可以节省固体氧化物燃料电池装置内的安装空间。
14.此外有利的是，在水分离器的下游布置有至少一个压缩机，并且在至少一个压缩机的下游布置有气体冷却器，其中，至少一个气体冷却器连接到制冷回路。在此在每个压缩机级之后，co2废气流首先被冷却剂冷却，且然后被来自制冷回路的冷却剂再次冷却，冷却剂可以由水或乙二醇组成。通过这种结构，可以降低co2废气流的压缩机入口温度，并且因此可以增大相距最大压缩机出口温度的间距。因此可以实现更强的压缩。当使用多个压缩机级时，可以通过压缩后的再冷却，再次提高压缩比。由于各个压缩机级的更高效的工作方式，因此可以进一步减少压缩机功。也可行的是，通过这种更高效的工作方式，节省压缩机级，因而需要占用更小的安装空间。
15.上述优点和效果同样适用于具有这种根据本发明的固体氧化物燃料电池装置的根据本发明的机动车。
16.上文在说明书中提到的特征和特征组合以及下面在附图描述中提到的和/或在附
图中单独示出的特征和特征组合，在不脱离本发明的范围的情况下，不仅可在分别给出的组合中使用，而且可在其它组合中使用或单独使用。因此，如下实施方案也被视为由本发明所包括和公开，所述实施方案未在附图中明确示出或解释，但是可通过单独的特征组合从所解释的实施方案中得到和产生。
附图说明
17.本发明的其它优点、特征和细节由权利要求书、对优选实施方式的以下说明以及参考附图得到。在此：图1示出带有连接在制冷机上的气体冷却器的固体氧化物燃料电池装置的示意图；和图2示出具有两级制冷回路的固体氧化物燃料电池装置的示意图。
具体实施方式
18.图1示出具有集成的制冷机的固体氧化物燃料电池装置1的示意图。作为燃料的甲烷借助于燃料管线3经由甲烷罐2被引导至燃料电池堆29。在化学的燃料电池反应中，在阴极侧产生氧气，其中，在阳极侧主要是水和作为废气的二氧化碳。未反应的燃料通过再循环管线再循环。剩余的阳极废气经由阳极废气管线5被引导至第一热交换器7，第一热交换器进一步加热由阴极侧的压缩机18提供的被压缩和加热的空气。阴极废气经由阴极废气管线6被引导至第二热交换器8，第二热交换器进一步加热燃料电池堆29上游的空气，即使用阴极侧的废热来对新鲜空气调温。在经过第二热交换器8后，阴极废气的温度仍始终为在300℃以上，并且用作为针对制冷机的热源22。制冷机既可以由吸收式制冷设备形成，也可以由热压机形成(图1)。在热压机中，制冷剂27在冷凝器10中冷凝，然后，部分制冷剂27通过借助于阀13节流而被冷却。制冷剂27在蒸发器30中蒸发，由此提供冷却功率。然后制冷剂在喷射泵11中再次被压缩。液体冷却剂27的另一部分在冷凝器10下游借助泵9被压缩，且随后被燃料电池堆29的废热加热。制冷剂27然后在喷射泵11的驱动喷嘴中减压，并且用作针对吸入质量流的驱动能量。
19.利用这样的固体氧化物燃料电池装置1，可以执行根据本发明的用于运行固体氧化物燃料电池装置1的方法，该方法包括以下步骤：
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利用在固体氧化物燃料电池运行时产生的废热，尤其是阴极侧的废热，为了借助集成在制冷回路中的制冷机生成冷，以便冷却阳极侧的废气，确切地说，直到低于环境温度；
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在制冷机的帮助下，通过第一水冷凝器14冷凝在阳极侧产生的废气中的水；
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通过水分离器16分离水；
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将阳极侧的co2废气流压缩，其中，由制冷机产生的冷却功率也用于冷却co2废气流；
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在co2储存器19中储存压缩的co2。
20.借助图1可看出，在冷凝器10的下游布置了用于向至少一个气体冷却器17供应制冷剂27的另一阀13。通过安装这些阀13中的至少一个，可以控制用于冷却co2流的冷却功率。通过第二水冷凝器15，阳极废气可以在第一步骤中由第一水冷凝器14和冷却剂28冷却
至环境温度，第二水冷凝器15也可与第一水冷凝器14组合成一个结构组件。在第二步骤中，阳极废气在第二水冷凝器15中被制冷剂27进一步冷却，使得残留水也还被冷凝。在水从阳极废气中分离出来之后，剩余的co2气流通过多个压缩机级25、26被压缩。在压缩机级25、26之间，co2气流被与制冷机的制冷回路连接的气体冷却器17冷却，由此增大压缩比，从而可以减少各个压缩机级25、26的压缩机功和/或压缩机级25、26的数量。
21.图2示出具有两级制冷回路的固体氧化物燃料电池装置1的示意图。通过这种两级制冷回路，在阳极侧产生的废气中的水可以通过第一级制冷回路的第一温度水平被完全冷凝，且在第二级制冷回路中，借助低于第一级的温度水平的第二温度水平，在阳极侧产生的废气中的co2在第一和/或第二压缩机级25、26之后被液化并因此被进一步压缩。由此，在压缩机功率较低的情况下获得较高的压缩比，由此必要时可以节省压缩机级25、26。对于两级制冷回路，需要两个喷射泵11、12。第一喷射泵11将制冷剂27从较低的蒸发温度水平压缩到第二水冷凝器15的压力水平。然后，制冷剂27在热交换器7中冷却，且随后在第二喷射泵12中进一步压缩。
22.附图标记清单1固体氧化物燃料电池装置2甲烷罐3燃料管线4再循环管线5阳极废气管线6阴极废气管线7第一热交换器8第二热交换器9泵10冷凝器11第一喷射泵12第二喷射泵13阀14第一水冷凝器15第二水冷凝器16水分离器17气体冷却器18压缩机19 co2储存器20改形器21控制阀22热源25第一压缩机级26第二压缩机级27制冷剂
28冷却剂29燃料电池堆30蒸发器