CN103887545B - 一种高温液体燃料电池系统启动方法 - Google Patents

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Abstract

一种高温液体燃料电池系统启动方法，所述电池系统包括燃料罐、含燃烧室和重整室的重整器、燃料电池电堆。于燃料电池电堆端板远离电堆一侧设置有燃料催化燃烧加热室，于燃料催化燃烧加热室内部装填有燃料催化燃烧催化剂；于液体泵与重整器重整室的物料入口间的连接管路上设有第一分支管路，第一分支管路与燃料催化燃烧加热室上的燃料入口相连，于气体泵与燃料电池电堆阴极物料入口间的连接管路上设有第二分支管路，第二分支管路与燃料催化燃烧加热室上的气体入口相连。在电堆升温不满足运行条件的情况下，燃料在空气的带动下进入燃料催化燃烧加热室并在催化燃烧催化剂的作用下，与空气发生燃烧反应并释放热量，从而加热电池电堆，使系统快速启动。

Description

一种高温液体燃料电池系统启动方法
技术领域
本发明涉及高温液体燃料电池系统，具体的说涉及高温液体燃料电池系统启动方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池以其高效、无污染的特性，成为新型的清洁发电方式。常规质子交换膜燃料电池采用纯氢为燃料，限制了其应用范围，开发以重整气为燃料气的质子交换膜燃料电池（通常称为高温重整燃料电池）对于燃料电池的商业化具有重要的意义。
在高温重整燃料电池系统中，重整气供应装置通过对燃料源进行处理以产生富含氢气的燃料气，燃料源用作氢气载体。液态燃料源因具有高能量密度和易于储存和输运的能力，目前被广泛应用，并通常称此类电池为高温液体燃料电池。该电池的稳定工作温度通常在160℃以上，为使系统启动运行，不仅需缩短燃料重整器的启动时间，同时需要缩短燃料电池电堆的启动时间。
中国专利200480024524.9披露了一种高效微燃料电池系统，该系统使用来自燃料处理器的加热介质加热燃料电池内部，但由于加热介质（燃料燃烧后产生的气体）在传输过程中的热量损失较大，传递给电堆的热量有限，且加热介质进入燃料电池堆和离开燃料电池堆时的温度高低不同，电堆加热不均等问题的存在，不利于燃料电池堆放电性能的提高，也不利于燃料电池堆放电性能的稳定。
中国专利200610162715.2披露了一种燃料电池系统的启动方法，该方法是一种将加热重整器的燃烧器中排出的气体供给转换反应器从而显著减少提高转换反应器催化剂温度的时间并能使燃料电池系统迅速达到稳态运行的启动方法，即该方法的主要目的是为了燃料电池系统中重整器的快速启动并达到稳定运行，对于燃料电池堆温度的快速升高并没有提出实质性的解决方案。
发明内容
本发明针对以上现有技术的不足，提供一种高温液体（甲醇、乙醇、乙二醇等）燃料电池系统的启动方法。
本发明采用的具体技术方案包括以下内容：
一种高温液体燃料电池系统启动方法，所述高温液体燃料电池系统包括燃料罐、含燃烧室和重整室的重整器、燃料电池电堆，所述燃料罐物料出口经液体泵与重整器重整室的物料入口管路相连，所述燃料重整器重整室的物料出口与所述燃料电池电堆阳极物料入口管路相连，所述燃料电池电堆阴极物料入口通过气体泵与空气或氧气气源管路相连；
于燃料电池电堆端板远离电堆一侧设置有燃料催化燃烧加热室，于燃料催化燃烧加热室内部装填有燃料催化燃烧催化剂；燃料于所述燃料催化燃烧加热室中与空气或氧气进行催化燃烧反应并释放热量，释放的热量用于加热燃料电池堆；
于液体泵与重整器重整室的物料入口间的连接管路上设有第一分支管路，第一分支管路与燃料催化燃烧加热室上的燃料入口相连，于气体泵与燃料电池电堆阴极物料入口间的连接管路上设有第二分支管路，第二分支管路与燃料催化燃烧加热室上的气体入口相连。
于第一分支管路和第二分支管路分别上设有阀门。
所述阀门为电磁阀，于燃料电池堆内部设置有一温度传感器，温度传感器与一控制器信号连接，控制器与电磁阀通过导线电连接；所述控制器根据温度传感器输出的温度信号控制电磁阀的动作，进一步控制燃料电池电堆外部的燃料催化燃烧加热室中燃料、和空气或氧气的供给。
所述控制器由单片机、电阻、三极管和MOSFET组成；燃料电池堆内部设置的一温度传感器与单片机信号连接，单片机接收所述温度传感器的输出信号，并与单片机内部设定的温度值进行逻辑比较判断，单片机的输出信号通过电阻连接到三极管的基极，三极管的发射极接地，三极管的集电极与MOSFET的G极线路连接，三极管控制MOSFET主回路的通断，电磁阀接于MOSFET的主回路上，MOSFET再控制电磁阀的开启或关闭。
于燃料电池堆垂直于端板的侧壁面上设置有热交换室，热交换室上设有气体进口和出口，热交换室的气体进口与重整器中燃烧室尾气排出口相连，热交换室用于将所述重整器中燃烧室排出的气体的热量进一步传递给所述燃料电池堆。
所述燃料催化燃烧催化剂为Pt/Al2O3、V2O5/TiO2、MoO3/TiO2、Mn(Ⅲ)/TiP、Pt/BN、Pt/Si中的一种或两种以上。
本发明具有以下优点：本发明所述的高温液体燃料电池系统启动方法，通过燃料催化燃烧加热室中的燃料催化燃烧反应释放的热量为燃料电池电堆加热，增加了系统启动途径，缩短系统启动时间。
附图说明
图1、一种本发明所述高温燃料电池系统启动方法示意图。
其中，1为燃料罐；2为液体泵；3为燃料重整供气气体泵；4为电堆和燃料催化燃烧加热室供气气体泵；5为第一电磁阀；6为第二电磁阀；7为燃料重整器，其中701为重整室；702为燃烧室；8为高温液体燃料电池电堆，其中801为阴极室，802为阳极室，803和804为第一和第二燃料催化燃烧加热室；9为控制器；10为温度传感器；11为第三电磁阀、12为第四电磁阀；13为节流阀。
图2、一种本发明所述高温燃料电池系统启动方法中控制器的控制电路原理图。
其中，10为温度传感器；91为单片机；92和93为第一和第二电阻；94和95为第一和第二三极管；96和97为第一和第二MOSFET；11、12为第三和第四电磁阀。
图3、一种本发明所述高温液体燃料电池系统启动方法的控制逻辑图。
图4、实施例1所述高温液体燃料电池系统燃料电池电堆温度随时间的变化。
具体实施方式
实施例
图1为一种本发明所述高温燃料电池系统启动方法示意图。所示高温液体燃料电池系统包括燃料罐1，液体泵2，燃料重整供气气体泵3，电堆和燃料催化燃烧加热室供气气体泵4，第一电磁阀5，第二电磁阀6，燃料重整器7，高温液体燃料电池电堆8，控制器9，温度传感器10，第三电磁阀11、第四电磁阀12；节流阀13。
上述高温燃料电池系统工作过程中，其环境温度为室温（25℃），其对外输出功率为50W。
燃料罐1中的装有甲醇溶液，甲醇溶液通过液体泵2输送。在电堆升温不满足运行条件的情况下，燃料经第三电磁阀11进及节流阀13进入第一燃料催化燃烧加热室803；同时，第一燃料催化燃烧加热室803中燃料燃烧所需的空气由电堆和燃料催化燃烧加热室供气气体泵4并经第四电磁阀12及节流阀13进入第一燃料催化燃烧加热室803；空气中的氧气与燃料发生燃烧反应并释放热量，所释放的热量为电池电堆加热，使系统快速达到启动温度并开始启动。本发明所述方法，增加了系统启动途径，缩短系统启动时间。
图2为一种本发明所述高温燃料电池系统启动方法中控制器的控制电路原理图。燃料电池堆内部设置的温度传感器10的输出信号输入到单片机91，并由单片机91的内部逻辑进行判断，其输出信号通过电阻92和93分别连接到三极管94和95的基极，三极管94和95控制MOSFET96和97的通断，MOSFET96和97再分别控制电磁阀11和12的开启或关闭。
图3为一种本发明所述高温液体燃料电池系统启动方法的控制逻辑图。单片机91不断通过查询电堆内部温度传感器10的温度信号，判断电堆温度是否小于165℃。若小于165℃，则单片机92通过控制电磁阀11以1:10的占空比动作，并保持电磁阀12为打开状态。直至单片机91查询到电堆内部温度传感器10的温度信号大于等于165℃后，关闭电磁阀11和电磁阀12。
图4为实施例1所述高温液体燃料电池系统燃料电池电堆温度随时间的变化。

Claims (5)

1.一种高温液体燃料电池系统，所述高温液体燃料电池系统包括燃料罐、含燃烧室和重整室的重整器、燃料电池电堆，所述燃料罐物料出口经液体泵与重整器重整室的物料入口管路相连，所述重整器重整室的物料出口与所述燃料电池电堆阳极物料入口管路相连，所述燃料电池电堆阴极物料入口通过气体泵与空气或氧气气源管路相连，其特征在于：
于燃料电池电堆端板远离电堆一侧设置有燃料催化燃烧加热室，于燃料催化燃烧加热室内部装填有燃料催化燃烧催化剂；燃料于所述燃料催化燃烧加热室中与空气或氧气进行催化燃烧反应并释放热量，释放的热量用于加热燃料电池堆；
于液体泵与重整器重整室的物料入口间的连接管路上设有第一分支管路，第一分支管路与燃料催化燃烧加热室上的燃料入口相连，于气体泵与燃料电池电堆阴极物料入口间的连接管路上设有第二分支管路，第二分支管路与燃料催化燃烧加热室上的气体入口相连；
于第一分支管路和第二分支管路分别上设有阀门。
2.如权利要求1所述高温液体燃料电池系统，其特征在于：所述阀门为电磁阀，于燃料电池堆内部设置有一温度传感器，温度传感器与一控制器信号连接，控制器与电磁阀通过导线电连接；所述控制器根据温度传感器输出的温度信号控制电磁阀的动作，进一步控制燃料电池电堆外部的燃料催化燃烧加热室中燃料、和空气或氧气的供给。
3.如权利要求2所述高温液体燃料电池系统，其特征在于：
所述控制器由单片机、电阻、三极管和MOSFET组成；燃料电池堆内部设置的一温度传感器与单片机信号连接，单片机接收所述温度传感器的输出信号，并与单片机内部设定的温度值进行逻辑比较判断，单片机的输出信号通过电阻连接到三极管的基极，三极管的发射极接地，三极管的集电极与MOSFET的G极线路连接，三极管控制MOSFET主回路的通断，电磁阀接于MOSFET的主回路上，MOSFET再控制电磁阀的开启或关闭。
4.如权利要求1所述高温液体燃料电池系统，其特征在于：
于燃料电池堆垂直于端板的侧壁面上设置有热交换室，热交换室上设有气体进口和出口，热交换室的气体进口与重整器中燃烧室尾气排出口相连，热交换室用于将所述重整器中燃烧室排出的气体的热量进一步传递给所述燃料电池堆。
5.如权利要求1所述高温液体燃料电池系统，其特征在于：
所述燃料催化燃烧催化剂为Pt/Al2O3、V2O5/TiO2、MoO3/TiO2、Mn(Ⅲ)/TiP、Pt/BN、Pt/Si中的一种或两种以上。
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