CN105024088B - 一种车载高温燃料电池冷启动系统及其工作方法 - Google Patents
一种车载高温燃料电池冷启动系统及其工作方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种车载高温燃料电池冷启动系统，包括：柴油箱(1)，空气过滤器(2)，柴油机(3)，水箱(4)，自热重整器(5)，气体混合分离器(6)，高温燃料电池(7)，催化燃烧器(8)。本发明同时公开了上述车载高温燃料电池冷启动系统的工作方法：采用柴油机(3)加热常温水成水蒸气，与柴油、空气在自热重整器(5)中发生裂解反应，生成高温的H2和CO，高温H2和CO同时加热空气中的O2给高温燃料电池(7)的提供高温燃料，保证车载高温燃料电池的冷启动。本发明解决了高温燃料电池的启动问题，同时又能实现柴油车辆的零排放。
Description
技术领域
本发明涉及一种车载高温燃料电池冷启动系统及其工作方法。
背景技术
高温燃料电池作为一种车用新能源，越来越成为研究的热点，其中高温氢气供应技术也成为研究的重点。高温燃料电池具有一定的CO容忍度、无需水管理系统、噪音低和无污染等优点，可作为某些特殊用途柴油车(如冷藏车)的辅助能源系统。高温燃料电池的工作温度约160℃，需要高温的氢气和空气，启动成为一大难题。
文章(Remzi Can Samsun等，Design and test of a 5kW high-temperaturepolymer electrolyte fuel cell system operated with diesel and kerosene，Applied Energy，114(2014)，238–249)给出了高温燃料电池启动方案，利用单独的加热器对高温燃料电池进行启动，但是没有与柴油车形成整体方案，对供应高温氢气的设计还不充分，实际应用性还需进一步研究。
利用交流电加热氢气是应用在实验室生成高温氢气的方法，这种方法不能应用于移动装置上。
发明内容
本发明的目的是对柴油车用高温燃料电池的启动进行系统研究，提出更具有可行性的新型柴油车高温燃料电池冷启动整体方案。
本发明提供了一种车载高温燃料电池冷启动系统，包括：柴油箱，空气过滤器，柴油机，水箱，自热重整器，气体混合分离器，高温燃料电池，催化燃烧器。
其中，柴油箱经管道分别与柴油机、自热重整器连接；空气过滤器经管道分别与柴油机、自热重整器、气体混合分离器连接；柴油机另与水箱连接；自热重整器与气体混合分离器连接；气体混合分离器分别与高温燃料电池、催化燃烧器连接；高温燃料电池分别与气体混合分离器、催化燃烧器连接。
上述具体连接关系是：空气过滤器的空气入口与大气相通，该空气过滤器的三个气体出口经管道分别连接至柴油机的空气入口、自热重整器的空气入口、气体混合分离器的空气入口；柴油箱的出油管一连接柴油机，水箱中的水由出水管流经柴油机外部夹层；该外部夹层具有蒸汽出口连接至自热重整器的蒸汽入口；柴油箱的出油管二连接至自热重整器的柴油入口；自热重整器的混合气体出口连接气体混合分离器的混合气体入口；气体混合分离器的高温H2和O2出口连接高温燃料电池的燃料入口；高温燃料电池的废气出口连接至催化燃烧器。
作为优选，自热重整器具有外壳，该外壳顶部设置有水蒸汽入口，外壳侧下部设置有高温H2和O2出口。
作为优选，还包括蓄电池。
作为优选，催化燃烧器设置在能够对气体混合分离器中混合气体进行加热的位置。
本发明还提供了所述车载高温燃料电池冷启动系统的工作方法：柴油机启动，柴油从柴油箱中进入柴油机燃烧；空气经空气过滤器分别提供给柴油机、自热重整器、气体混合分离器；柴油机在本身预热过程中，将水箱的水加热变成水蒸汽进入自热重整器；水蒸汽在自热重整器中与进入自热重整器的柴油、及空气中的氧气进行重整反应，产生约180℃的高温CO和H2；当高温CO和H2进入气体混合分离器时，对经空气过滤器过滤的空气进行加热，这样就同时产生了符合高温燃料电池的电极所需的高温H2和O2(120℃～180℃)；高温H2和O2进入高温燃料电池进行电化学反应生成电能，供柴油车所用；未反应完的H2和CO进入催化燃烧器中进行燃烧，最后生成CO2和水排入空气中；同时催化燃烧器产生的热量对气体混合分离器中的混合气体加热。这样柴油车实现不需加装另外燃烧器就能实现高温燃料电池的启动。
本发明是通过柴油机加热水，产生重整反应所需的高温水蒸气，在自热重整器中与柴油和空气经过重整反应生成高温CO和H2，高温H2和CO同时加热空气中的O2，提供高温燃料电池所需的燃料，实现高温燃料电池的启动。
采用本发明可以使柴油机在无需另外装配加热装置，就能把高温燃料电池冷启动，高温燃料电池反应后只生成水，不含有任何污染物，彻底解决了耗电柴油车的供电及零排放问题。
附图说明
图1是本发明的原理图。
图中：1-柴油箱，2-空气过滤器，3-柴油机，4-水箱，5-自热重整器，6-气体混合分离器，7-高温燃料电池，8-催化燃烧器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
如图1所示，一种车载高温燃料电池冷启动系统，包括：柴油箱1，空气过滤器2，柴油机3，水箱4，自热重整器5，气体混合分离器6，高温燃料电池7，催化燃烧器8。
其中，柴油箱1经管道分别与柴油机3、自热重整器5连接；空气过滤器2经管道分别与柴油机3、自热重整器5、气体混合分离器6连接；柴油机3另与水箱4连接；自热重整器5与气体混合分离器6连接；气体混合分离器6分别与高温燃料电池7、催化燃烧器8连接；高温燃料电池7分别与气体混合分离器6、催化燃烧器8连接；
上述连接具体分别是：空气过滤器2的空气入口与大气相通，该空气过滤器2的三个气体出口经管道分别连接至柴油机3的空气入口、自热重整器5的空气入口、气体混合分离器6的空气入口；柴油箱1的出油管一连接柴油机3，水箱4中的水由出水管流经柴油机3外部夹层；该外部夹层具有蒸汽出口连接至自热重整器5的蒸汽入口；柴油箱1的出油管二连接至自热重整器5的柴油入口；自热重整器5的混合气体出口连接气体混合分离器6的混合气体入口；气体混合分离器6的高温H2和O2出口连接高温燃料电池7的燃料入口；高温燃料电池7的废气出口连接至催化燃烧器8。
本发明的自热重整器5具有外壳，该外壳顶部设置有水蒸汽入口，外壳侧下部设置有高温H2和O2出口。该高温H2和O2混合气体中含有重整反应所产生的CO。
另外，催化燃烧器8设置在合适位置，以能够对气体混合分离器6中混合气体进行加热。
根据图1，本发明一种车载高温燃料电池冷启动系统的工作方法是：柴油机3启动，柴油从柴油箱1中进入柴油机3燃烧；空气经空气过滤器2分别提供给柴油机3、自热重整器5、气体混合分离器6；柴油机3在本身预热过程中，将水箱4的水加热100℃变成水蒸汽进入自热重整器5；水蒸汽在自热重整器5中与进入自热重整器5的柴油、及空气中的氧气进行重整反应，产生约180℃的高温CO和H2；当高温CO和H2进入气体混合分离器6时，对经空气过滤器2过滤的空气进行加热，这样就同时产生了符合高温燃料电池的电极所需的H2和O2(120℃～180℃)；高温H2和O2进入高温燃料电池7进行电化学反应生成电能，供柴油车所用；未反应完的H2和CO进入催化燃烧器8中进行燃烧，最后生成CO2和水排入空气中；同时催化燃烧器8产生的热量对气体混合分离器6中的混合气体加热。这样柴油车实现不需要加装另外燃烧器就能实现高温燃料电池的自启动。
本发明的车载高温燃料电池冷启动系统中可以使用在需要用电的柴油车上，比如冷藏车、搅拌车等工程车辆。同时，燃料电池生成的电还可存储在蓄电池中，以供车载其它电器设备使用，如驾驶室制冷、座椅加热、音响等。
本发明利用柴油车实现自生成高温氢气，为高温燃料电池提供适宜温度的燃料，既实现了柴油车的预热，又解决了高温燃料电池的启动问题，同时又实现了柴油车辆的零排放，符合现在中国目前汽车减排的改革现状。
本发明不限于以上对实施例的描述，本领域技术人员根据本发明揭示的内容，在本发明基础上不必经过创造性劳动所进行的改进和修改，比如自热重整器和催化燃烧器的选择设置等，都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种车载高温燃料电池冷启动系统，其特征在于：
所述车载高温燃料电池冷启动系统包括：柴油箱、空气过滤器、柴油机、水箱、自热重整器、气体混合分离器、高温燃料电池、催化燃烧器；
其中，柴油箱经管道分别与柴油机、自热重整器连接；空气过滤器经管道分别与柴油机、自热重整器、气体混合分离器连接；柴油机另与水箱连接；自热重整器与气体混合分离器连接；气体混合分离器分别与高温燃料电池、催化燃烧器连接；高温燃料电池分别与气体混合分离器、催化燃烧器连接；
上述连接具体分别是：空气过滤器的空气入口与大气相通，该空气过滤器的三个气体出口经管道分别连接至柴油机的空气入口、自热重整器的空气入口、气体混合分离器的空气入口；柴油箱的出油管一连接柴油机；水箱中的水由出水管流经柴油机外部夹层，该外部夹层具有蒸汽出口连接至自热重整器的蒸汽入口；柴油箱的出油管二连接至自热重整器的柴油入口；自热重整器的混合气体出口连接气体混合分离器的混合气体入口；气体混合分离器的高温H2和O2出口连接高温燃料电池的燃料入口；高温燃料电池的废气出口连接至催化燃烧器。
2.根据权利要求1所述的一种车载高温燃料电池冷启动系统，其特征在于：所述自热重整器具有外壳，该外壳顶部设置有蒸汽入口，侧下部设置有高温H2和O2出口。
3.根据权利要求1所述的一种车载高温燃料电池冷启动系统，其特征在于：还包括蓄电池。
4.根据权利要求1所述的一种车载高温燃料电池冷启动系统，其特征在于：所述催化燃烧器设置在能够对所述气体混合分离器中混合气体进行加热的位置。
5.基于权利要求1所述的一种车载高温燃料电池冷启动系统的工作方法，其特征在于：柴油机启动，柴油从柴油箱中进入柴油机燃烧；空气经空气过滤器分别提供给柴油机、自热重整器、气体混合分离器；柴油机在本身预热过程中，将水箱的水加热变成水蒸汽进入自热重整器；水蒸汽在自热重整器中与进入自热重整器的柴油、及空气中的氧气进行重整反应，产生180℃的高温CO和H2，当高温CO和H2进入气体混合分离器时，对经空气过滤器过滤的空气进行加热，这样就同时产生了符合高温燃料电池的电极所需的120℃～180℃高温H2和O2；高温H2和O2进入高温燃料电池进行电化学反应生成电能，供柴油车所用；未反应完的H2和CO进入催化燃烧器中进行燃烧，最后生成CO2和水排入空气中。
6.根据权利要求5所述的工作方法，其特征在于：所述催化燃烧器产生的热量对气体混合分离器中的混合气体加热。
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