CN104716370A - 一种高温液体燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

一种高温液体燃料电池系统，包括燃料罐、燃料进料子系统、含燃料燃烧室和燃料重整室的燃料重整器、含气体泵和气体管路的气体进料子系统及燃料电池电堆。于燃料电池电堆端板两侧设置有燃料催化燃烧加热室，于其内部燃料与空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。燃料进料子系统包括位于所述燃料罐物料出口与所述燃料重整器物料入口之间的、由一液体管路依次相连的液体泵和流量控制部件,同时包括用于控制燃料进料启停及燃料进料流量的控制器。本发明所述高温液体燃料电池系统，可以在缩短系统启动时间的同时降低系统内耗，进一步有利于系统的内部集成。

Description

一种高温液体燃料电池系统

技术领域

本发明涉及高温液体燃料电池系统。

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200℃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。

同时，对于便携式高温液体燃料电池而言，常用的液态燃料源包括甲醇、乙醇、汽油和丙烷等。在系统工作过程中，液态燃料源通过液体泵直接输送至燃料重整器中，由于重整器需求的液体燃料流量很低，往往小于1ml/min，如果简单使用液体泵，则要求液体泵流量低，并具有较好的精度和扬程特性。这种低流量液泵往往需要专门定制，从而提高了液体泵的供货周期，提高成本。

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。

中国专利200480024524.9披露了一种高效微燃料电池系统，该系统利用两个液体燃料泵将液体燃料同时供应给燃料处理器中的燃料器和重整器。该方法一方面提高了系统的内耗（两个泵同时工作）；另一方面也占用了一定的系统空间；同时由于微流量泵的选择限制使得经过重整器的液态燃料过量，从而导致重整气并不能完全被燃料电池系统利用，继而要重新返回重整器中，增加了燃料电池系统的复杂程度，同时增加了系统的成本。

发明内容

本发明针对以上现有技术的不足，提供一种高温液体燃料电池系统。

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，包括燃料罐、燃料进料子系统、含燃料燃烧室和燃料重整室的燃料重整器、含气体泵和气体管路的气体进料子系统及燃料电池电堆；

所述燃料罐经燃料进料子系统与燃料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进料子系统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；

所述燃料进料子系统包括位于所述燃料罐物料出口与所述燃料重整器物料入口之间的、由一液体管路依次相连的液体泵和流量控制部件，以及为高温液体燃料电池系统的其它部件提供燃料的支路；

所述支路包括为所述燃料重整器中的燃料燃烧室提供燃料的第一支路，循环至所述燃料罐或所述燃料罐与所述燃料进料子系统间连接管路的第二支路，为燃料电池电堆外侧的燃料催化燃烧加热室提供燃料的第三支路；

于所述高温液体燃料电池系统中设置有一控制器；

于系统中燃料电池堆内部设置有第一温度传感器；所述控制器根据所述第一温度传感器传送的第一温度信号控制燃料电池堆外侧燃料催化燃烧加热室中燃料和空气的供给；

于系统中燃料重整器内部设置有第二温度传感器；所述控制器根据所述第二温度传感器传送的第二温度信号控制燃料重整器的燃料催化燃烧加热室中燃料和空气的供给。

于燃料电池堆外侧设置有热交换室，热交换室用于将所述燃料重整器中燃料燃烧室排出的气体的热量进一步传递给所述燃料电池堆；

所述燃料电池堆外侧的燃料催化燃烧加热室和热交换室靠近燃料电池电堆端板侧的壁面材料为阻燃良导热性材料；其他壁材料为阻燃且热绝缘材料。

所述流量控制部件包括三通电磁阀、电磁阀、节流阀。

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。

所述液体燃料为甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、甲酸、乙酸中的一种或一种以上的混合溶液或混合水溶液。

所述阻燃良导热性材料为铝、铜、钛、不锈钢中的一种；所述阻燃且热绝缘材料为PVC、阻燃硅橡胶中的一种。

所述液体燃料依次流经所述燃料进料子系统中的液体泵、流量控制部件后，或进入燃料重整器的燃料重整室；或进入所述为高温液体燃料电池系统的其它部件提供燃料的支路；

进入所述支路的液体燃料，或直接循环至所述燃料罐，或直接接入燃料电池电堆外侧的燃料催化燃烧加热室，或直接循环至所述燃料罐与所述燃料进料子系统间的连接管路，或经过另一流量控制部件部分进入所述燃料重整器中的燃料燃烧室，部分循环至所述燃料罐或所述燃料罐与所述燃料进料子系统间的连接管路。

所述控制器由单片机、电阻、三极管和MOSFET组成；

所述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，流量控制部件通过导线接于MOSFET的主回路上，MOSFET再控制流量控制部件的动作。

与现有技术相比，本发明所述的高温液体燃料电池系统，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；将该燃料进料子系统用于便携式高温液体燃料电池系统中时，降低了系统对液体泵具有低流量的同时具有一定扬程的较高要求，选用常规的液体泵替代精密的微流量液体泵即可实现液体燃料低流量进料的要求，扩大了泵的选择范围、降低了液体泵的成本，更易于系统的集成；同时当燃料进料子系统同时为其他部件提高燃料时，减小了泵的使用数量，降低了系统的内耗，节省了系统的空间。

附图说明

图1、一种本发明所述高温燃料电池系统内部结构示意图。图中：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，第一三通电磁阀5，第二三通电磁阀6，燃料重整器7，高温液体燃料电池电堆8，控制器9，第一温度传感器10；、第一电磁阀11、第二电磁阀12；节流阀13；热交换室14；第二温度传感器15。

图2、一种本发明所述高温燃料电池系统中控制器的控制电路原理图。

图3、上述控制器控制第一三通电磁阀5和第二三通电磁阀6动作的控制逻辑图。

图4、一种本发明所述高温液体燃料电池系统电堆启动方法的控制逻辑图。

图5、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。

图6、实施例1所述高温液体燃料电池系统重整器温度随时间的变化。

具体实施方式

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。当第一三通电磁阀5的a、c连通，同时第二三通电磁阀6的a’、b’连通时，甲醇燃料被输送至甲醇重整器7的燃烧室702，与气泵3输送的空气混合进行催化燃烧反应，释放的热能用来加热重整器7。燃烧室702的尾气送入热交换室14，利用燃烧室702尾气中的热量为电堆极板加热。当第一三通电磁阀5的a、c连通和三通电磁阀6的a’、c’连通时，甲醇燃料则被输送至液体泵2的进料管路进行循环输送；当第一三通电磁阀5的a、b连通时，甲醇燃料被输送至甲醇重整器7的重整室701发生重整反应产生氢气混合气。氢气混合气被输送至燃料电池电堆8的阳极802，空气经电堆供气气体泵被输送至燃料电池电堆阴极801，二者在电池电堆中发生电化学反应，对外输出电能。

燃料罐1中的装有甲醇溶液，甲醇溶液通过液体泵2输送。若此时第一电磁阀11开启，甲醇燃料则部分通过进入节流阀13。若第二电磁阀12开启，则进入节流阀13的甲醇燃料将在在空气的带动下进入燃料催化燃烧加热室803发生催化燃烧反应释放热量，释放的热能用于加热燃料电池电堆。

阳极802出口的尾气可直接排放至大气中，也可循环输送中甲醇重整器的燃烧室702进行催化燃烧。第一三通电磁阀5、第二三通电磁阀6、第一电磁阀11和第二电磁阀12的动作通过中央控制器9进行控制。

图2、一种本发明所述高温燃料电池系统中控制器的控制电路原理图。

重整器内部的温度传感器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5和6的开启或关闭。

燃料电池堆内部设置的第二温度传感器15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98和99分别连接到三极管910和911的基极，三极管910和911控制MOSFET912和913的通断，MOSFET912和913再分别控制电磁阀11和12的开启或关闭。

图3、上述控制器控制第一三通电磁阀5和第二三通电磁阀6动作的控制逻辑图。

三通电磁阀5上电时为a、b连通，断电时a、c连通；三通电磁阀6上电时为a’、b’连通，断电时a’、c’连通。

启动时，重整器首先开始甲醇燃料向甲醇重整器7的燃烧室701进行输送，开启燃烧反应直至重整器温度升至235℃后结束重整器升温过程控制。在重整器升温过程控制阶段，电磁阀6一直保持在断电状态，而单片机91通过查询重整器内部传感器10的温度信号，判断重整器温升速度是否在4-6℃/min之内。若超出该范围，则单片机91通过调节电磁阀5的PWM控制的脉冲宽度，使重整器温升速度控制在4-6℃/min之内，从而保证重整器升温过程迅速且稳定。当重整器温度升至235℃后结束重整器升温过程控制，进入重整反应启动过程控制阶段。

在重整反应启动过程控制阶段，甲醇燃料开始向甲醇重整器7的重整室702进行输送，重整反应启动。在此阶段，电磁阀5以固定占空比进行通断控制，电磁阀6在电磁阀5为断电状态时在固定的一段时间为上电状态，在此期间甲醇燃料开始向甲醇重整器7的重整室701进行输送；而在电磁阀5为上电状态时，电磁阀6保持为断电状态。由于重整反应为吸热反应，并且此时放热反应速率小于吸热反应的速率，所以重整器温度缓慢下降，当重整器温度下降至230℃时，重整反应启动过程控制阶段结束进入重整器温度稳定过程控制阶段。

在重整器温度稳定过程控制阶段，电磁阀5以固定占空比进行通断控制以保证放热反应速率不变，而通过控制重整反应的速率（即吸热反应）来使放热和吸热反应达到平衡。单片机91通过查询重整器内部传感器10的温度信号，判断重整器温度是否在220-230℃之内。若重整器温度超出该范围，则单片机91通过调节电磁阀6在电磁阀5断电时的上电时间，使重整器温度控制在220-230℃之内，从而使重整器吸热和放热反应平衡，进而保证甲醇重整器7产生的混合气气量稳定且氢气含量较高。当重整器进入停车阶段时，单片机91控制电磁阀5和6均为断电状态，停止向甲醇重整器7的重整室702和燃烧室701进料。

图4、一种本发明所述高温液体燃料电池系统电堆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15的温度信号，判断电堆温度是否小于165℃。若小于165℃，则单片机91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15的温度信号大于等于165℃后，关闭电磁阀11和电磁阀12。

图5、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。从图中可以看出，电堆温度在系统开启后35min左右即达到165℃的稳定温度。

图6、实施例1所述高温液体燃料电池系统重整器温度随时间的变化。从图中可以看出，重整器温度在系统开启后50min左右即达到230℃的稳定温度。

Claims (7)

1.一种高温液体燃料电池系统，包括燃料罐、燃料进料子系统、含燃料燃烧室和燃料重整室的燃料重整器、含气体泵和气体管路的气体进料子系统及燃料电池电堆，其特征在于：

所述燃料罐经燃料进料子系统与燃料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进料子系统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；

所述燃料进料子系统包括位于所述燃料罐物料出口与所述燃料重整器物料入口之间的、由一液体管路依次相连的液体泵和流量控制部件，以及为高温液体燃料电池系统的其它部件提供燃料的支路；

所述支路包括为所述燃料重整器中的燃料燃烧室提供燃料的第一支路，循环至所述燃料罐或所述燃料罐与所述燃料进料子系统间连接管路的第二支路，为燃料电池电堆外侧的燃料催化燃烧加热室提供燃料的第三支路；

于所述高温液体燃料电池系统中设置有一控制器；

于系统中燃料电池堆内部设置有第一温度传感器；所述控制器根据所述第一温度传感器传送的第一温度信号控制燃料电池堆外侧燃料催化燃烧加热室中燃料和空气的供给；

于系统中燃料重整器内部设置有第二温度传感器；所述控制器根据所述第二温度传感器传送的第二温度信号控制燃料重整器的燃料催化燃烧加热室中燃料和空气的供给。

2.如权利要求1所述高温液体燃料电池系统，其特征在于：

于燃料电池堆外侧设置有热交换室，热交换室用于将所述燃料重整器中燃料燃烧室排出的气体的热量进一步传递给所述燃料电池堆；

所述燃料电池堆外侧的燃料催化燃烧加热室和热交换室靠近燃料电池电堆端板侧的壁面材料为阻燃良导热性材料；其他壁材料为阻燃且热绝缘材料。

3.如权利要求1所述高温液体燃料电池系统，其特征在于：

所述流量控制部件包括三通电磁阀、二通电磁阀、节流阀中的一种或二种以上。

4.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；

所述液体燃料为甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、甲酸、乙酸中的一种或二种以上的混合溶液或混合水溶液。

5.如权利要求2所述高温液体燃料电池系统，其特征在于：所述阻燃良导热性材料为铝、铜、钛、不锈钢中的一种；所述阻燃且热绝缘材料为PVC、阻燃硅橡胶中的一种。

6.如权利要求1所述高温液体燃料电池系统，其特征在于：

所述液体燃料依次流经所述燃料进料子系统中的液体泵、流量控制部件后，或进入燃料重整器的燃料重整室；或进入所述为高温液体燃料电池系统的其它部件提供燃料的支路；

进入所述支路的液体燃料，或直接循环至所述燃料罐，或直接接入燃料电池电堆外侧的燃料催化燃烧加热室，或直接循环至所述燃料罐与所述燃料进料子系统间的连接管路，或经过另一流量控制部件部分进入所述燃料重整器中的燃料燃烧室，部分循环至所述燃料罐或所述燃料罐与所述燃料进料子系统间的连接管路。

7.如权利要求1所述高温液体燃料电池系统，其特征在于：

所述控制器由单片机、电阻、三极管和MOSFET组成；

所述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，流量控制部件通过导线接于MOSFET的主回路上，MOSFET再控制流量控制部件的动作。