CN107431218A - 设置有电去离子装置的燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

燃料电池系统包括：用于将燃料气体转化为富氢的重整气体的重整器；用于通过使用重整气体发电的燃料电池堆；用于使纯水放电的电去离子装置，其中，从供应的水中除去杂质离子；用于测量纯水的导电率的感测单元；用于将纯水供应到重整器和燃料电池堆的供水单元；以及控制单元，其用于根据感测单元的测量信号来控制燃料电池堆的操作。

Description

设置有电去离子装置的燃料电池系统

技术领域

本发明涉及燃料电池系统。更具体地说，本发明涉及一种具有电去离子装置的燃料电池系统，所述电去离子装置用于净化供应到重整器和燃料电池堆的水。

背景技术

使用生物气和烃类燃料的燃料电池系统近来作为分布式电源已经引起关注。此外，由于燃料电池系统的发电率为35％或更多，热效率为50％或更多，且总效率为85％或更多，因此其作为高效能量生产装置引起关注。

燃料电池系统包括从烃类燃料产生氢的重整器。作为蒸汽重整反应器，重整器使燃料气体中的甲烷与氧气在高温气氛中反应以产生氢。蒸气水重整反应所需的纯水量被供应到重整器，并且通常主要使用过滤器式水处理方法，该方法使用离子交换树脂材料。

然而，由于被供应的水的组成（杂质的种类和含量）在各个区域中不是恒定的，所以过滤器的更换周期可能对于每个区域不同。因此，在过滤器式水处理方法中，难以统一维持燃料电池系统。此外，当未净化的水被供应到重整器时，由于在重整器内生成杂质的水垢，所以燃料电池系统的性能恶化且循环寿命降低。

公开

技术问题

本发明提供了一种燃料电池系统，其通过净化处理供应到重整器的水以便进行蒸气水重整反应且同时实时监测水的水质来防止由于杂质引起的性能恶化和循环寿命降低。

技术方案

根据本发明的示例性实施例的燃料电池系统包括：将燃料气体转化为富氢的重整气体的重整器；通过使用重整气体发电的燃料电池堆；使纯水放电的电去离子装置，其中从供应的水中除去杂质离子；测量纯水的导电率的感测单元；将纯水供应到重整器和燃料电池堆的供水单元；以及控制单元，其根据感测单元的测量信号来控制燃料电池堆的操作。

电去离子装置可以包括：其中在阳离子交换膜和阴离子交换膜之间填充有离子交换树脂的电池；以及通过其间的第一空间设置在电池的相应侧处的正电极和负电极。

正电极和负电极可以从功率单元接收固定的DC电压，并且可以控制第一空间，使得纯水的导电率为5 μS/cm至10 μS/cm。另一方面，正电极和负电极可以从功率单元接收通过变压器改变的DC电压，并且可以控制DC电压，使得纯水的导电率为5 μS/cm至10 μS/cm。

正电极和负电极可以接收DC电压，并且感测单元可以包括感测电路单元，其通过电阻测量流过正电极和负电极的电流量以转换为电压且然后放大。感测单元可以包括：感测电池，其与纯水接触并具有接收DC电压的两个电极；以及感测电路单元，其通过电阻来测量流过两个电极的电流量以转换为电压且然后放大。

燃料电池系统还可以包括将燃料气体供应到重整器的燃料供应单元，和将空气供应到重整器和燃料电池堆的空气供应单元。当感测单元的测量信号是预定风险值或更大时，控制单元可以停止燃料供应单元、供水单元和空气供应单元的操作。

燃料电池系统还可以包括预处理过滤器。预处理过滤器可以在电去离子装置前面串联联接到电去离子装置，并且可以首先除去供应的水中所含的杂质。

有益效果

燃料电池系统可以实时监测从电去离子装置排放的纯水的质量。此外，如果纯水的质量超过预定的风险值，则燃料电池堆的操作自动关闭，且因此可以防止水垢在重整器和燃料电池堆中的出现。因此，可以防止由于杂质水垢引起的燃料电池系统的性能恶化和循环寿命降低。

附图说明

图1是根据本发明的第一示例性实施例的燃料电池系统的示意图。

图2是在图1中所示的燃料电池系统中的电去离子装置的示意图。

图3是示出在图1中所示的燃料电池系统中的感测单元的示意图。

图4是根据本发明的第二示例性实施例的燃料电池系统的示意图。

具体实施方式

将在下文中参考附图更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的示例性实施例。如本领域技术人员将认识到的，所描述的实施例可以以各种不同的方式进行修改，所有都不脱离本发明的范围。

将理解，当诸如层、膜、区域或衬底的元件被称为在另一元件“上”时，其可以直接在另一元件上，或者也可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接在另一元件上”时，不存在中间元件。此外，在说明书中，词语“上（on）”意思是定位在物体部分上面或在物体部分下面，并且本质上不意味着基于重力方向定位在物体部分的上侧上。

在整个说明书中，除非有明确地相反描述，否则词语“包括”及诸如“包括（comprises或comprising）”的变型将被理解为意味着进一步包含其他元件。为了便于说明，任意地示出了附图中所示的各个部件的尺寸、厚度等，且因此本发明不限于此。

图1是根据本发明的第一示例性实施例的燃料电池系统的示意图。

参考图1，第一示例性实施例的燃料电池系统包括重整器100，其将生物气或烃基燃料气体重整为氢丰富的重整气体，以及燃料电池堆200，其通过使用重整气体发电。

重整器100是蒸汽重整反应器，且使燃料气体中的甲烷与氧气在高温气氛中反应以重整氢。重整器100包括燃烧器（未示出）。燃烧器混合并燃烧燃烧器燃料和空气以生成燃烧热并将燃烧热供应到重整器100，从而将重整器100维持在蒸气重整所需的高温下。

燃料电池堆200使重整气体中的氢与空气中的氧发生化学反应，以生成电和热。燃料电池是一种高效能源，只要连续供应氢，其就能在无污染物质的排放或噪音的情况下永久使用。燃料电池堆200连接到转换器210。转换器210将燃料电池堆200的DC功率转换成AC功率。

燃料电池堆200可以连接到储热罐30。储热罐300通过使用废热回收装置（未示出）来接收并储存从燃料电池堆200生成的热。除了生产电之外，燃料电池系统能够通过利用储热罐300的热向用户供应热水或锅炉工作水。

燃料电池系统包括燃料供应单元400、供水单元500、空气供应单元600和控制单元700。

燃料供应单元400包括燃料流量计、燃料增压泵等，并且将燃料气体供应到重整器100。供水单元500包括水泵、热交换器等，将蒸气水重整反应所需的纯水量供应到重整器100，并将冷却剂供应到燃料电池堆200。

空气供应单元600包括空气流量计、空气泵等，并将空气供应到燃烧器和燃料电池堆200。控制单元700电连接到燃料供应单元400、供水单元500、空气供应单元600和转换器210，以控制其操作。

如果供水单元500将未净化的水供应到重整器100和燃料电池堆200，则在重整器100和燃料电池堆200中出现由于杂质引起的水垢。这导致燃料电池系统的性能恶化和循环寿命降低。

因此，燃料电池系统包括：电去离子装置800，其通过净化和处理供应的水从其除去杂质而排放纯水。供水单元500将从电去离子装置800排放的纯水供应到重整器100和燃料电池堆200。

图2是图1中所示的燃料电池系统中的电去离子装置的示意图。

参考图2，电去离子装置800包括：电池810，其由离子交换树脂、阳离子交换膜和阴离子交换膜构成；以及以彼此相距预定距离设置在电池810外的正电极820和负电极830。正电极820与电池810之间的空间以及负电极830与电池810之间的空间被称为第一空间S10。

电池810在阳离子交换膜812和阴离子交换膜813之间填充有离子交换树脂811。离子交换树脂811由阳离子交换树脂和阴离子交换树脂的混合物制成。阳离子交换膜812的极性为负（-），并且其选择性地能透过阳离子。阴离子交换膜813的极性为正（+），并且其选择性地能透过阴离子。

阴离子交换膜813面向正电极820，且阳离子交换膜812面向负电极830。正电极820和负电极830连接到功率单元（未示出）以从其接收DC功率。DC功率可以是24 V或48 V，但不限于此。

外部水被供应到在阳离子交换膜812和阴离子交换膜813之间的离子交换树脂811，在供应的水中所含的阳离子杂质和阴离子杂质通过电吸引相应地传递通过阳离子交换膜812和阴离子交换膜813。因此，供应的水的流被分离成纯水流和流过第一空间S10的浓缩水流。

尽管未示出，但是电去离子装置800包括循环泵，其将外部供应的水和通过第一空间S10排出的浓缩水再次供应到第一空间S10中。通过离子交换树脂811排出的纯水作为纯水的固定量被供应到重整器100，且作为冷却剂供应到燃料电池堆200。

如果测量了纯水的导电率，则可以预测纯水的杂质含量。也就是说，纯水的导电率取决于杂质含量。上述电去离子装置800被配置为满足排放的纯水的导电率为5 μS/cm至10μS/cm的条件。在导电率的单位中，S代表姆欧。

例如，电去离子装置800可以在DC功率被固定为预定值的状态中控制第一空间S10的宽度，以将排放的纯水的导电率调整到上述数值范围。随着第一空间S10的宽度减小，电吸引增加，使得离子杂质的透过率增加，从而降低纯水的导电率。

详细地说，在制造电去离子装置800的过程中，可以通过考虑构造电池810的材料的物理特性和DC功率的电压值来设计和控制第一空间S10的宽度，以将排放的纯水的导电率调整至上述范围。

另一方面，电去离子装置800可以控制施加到功率单元的电压值，以使排放的纯水的导电率与上述数值范围相匹配。当施加到功率单元的电压增加时，电吸引增加，使得离子杂质的透过率增加，且因此可以降低纯水的导电率。在这种情况下，电去离子装置800可以包括连接到功率单元的变压器（未示出）。

再次参考图1，燃料电池系统包括实时测量从电去离子装置800排放的纯水的导电率的感测单元850。此外，控制单元700电连接到感测单元850，以根据感测单元850的输出信号来控制燃料电池堆200的操作。

图3是示出图1所示的燃料电池系统中的感测单元的示意图。图3所示的感测单元仅是一个示例，并且感测单元的配置不限于此。

参考图3，感测单元850可以包括：感测电池860，其包括与纯水接触的两个电极861和862；以及感测电路单元870，其测量流过作为电阻的电极861和862的电流量并将电流量转换为电压以被放大。感测单元850可以安装在电去离子装置800的纯水出口处，且纯水在两个电极861和862之间流动。

如果将DC电压供应到感测单元860的两个电极861和862，则流过纯水的电流的量与电阻成反比，并且与导电率成正比。感测电路单元870由测量流过两个电极861和862的电流量并将测量的电流值转换为电压值以供放大的配置构成，并将输出信号传输到控制单元700。

这里，由电极861和862的面积的函数以及电极861和862之间的距离限定的电池常数（距离/面积，cm^-1）可以为0.1，且在这种情况下，在0.5 μS/cm至200 μS/cm范围内的导电率测量值是可能的。具有上述配置的检测单元（850）具有能够精确地测量诸如超纯水等溶液的非常小的导电率值的优点。

另一方面，感测单元850可以直接连接到电去离子装置800的正电极820和负电极830，而没有单独的感测单元。也就是说，感测电路单元870连接到电去离子装置800的正电极820和负电极830，测量流过作为电阻的正电极820和负电极830的电流量，并将电流量转换为电压以被放大，从而输出输出信号。

表1表示取决于纯水的杂质含量的导电率的理论值和实验值的测量结果。

从电去离子装置800排放的纯水的质量被实时监测。此外，当感测单元850的输出信号等于或大于预定风险值时，控制单元700可以停止燃料供应单元400、供水单元500和空气供应单元600的操作以便自动关闭燃料电池堆200的操作。

也就是说，当确定在从电去离子装置800排放的纯水中包含预定量的或更多杂质时，控制单元700可以自动关闭燃料电池堆200的操作，以防止在燃料电池堆200和重整器100内由于杂质而生成水垢。因此，可以防止由于杂质水垢引起的燃料电池系统的性能恶化和循环寿命降低。

图4是根据本发明的第二示例性实施例的燃料电池系统的示意图。

参考图4，根据第二示例性实施例的燃料电池系统包括在电去离子装置800前面串联联接到电去离子装置800的预处理过滤器900。预处理过滤器900可以由离子交换树脂过滤器、反渗透膜过滤器等等构成，并且首先除去包含在供应的水中的杂质。

离子交换树脂过滤器主要用于软化硬水（具有高含量钙和镁且硬度为100 mg/L或更大的水）。反渗透过滤器用于通过使用反渗透除去溶解在水中的污染物，诸如有机材料、无机材料、颗粒材料、浊度组分和细菌。

在根据第二示例性实施例的燃料电池系统中，除了预处理过滤器900之外的其余配置与上述第一示例性实施例中相同。预处理过滤器900需要周期性更换，并且在感测单元850和控制单元700实时测量和监测从电去离子装置800排放的纯水的质量时，预处理过滤器900的更换周期可以准确预测。

因此，在第二示例性实施例的燃料电池系统中，由于可以根据预测的更换周期来实现预处理过滤器900的更换，所以可以有效地防止由于质量问题而导致的供应的水的性能恶化和循环寿命降低。

虽然已经结合目前被认为是实际的示例性实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于所公开的实施例，而是相反，旨在覆盖包含在所附权利要求的范围内的各种修改和等同布置。

Claims (8)

1.一种燃料电池系统，其包括：

将燃料气体转化为富氢的重整气体的重整器；

通过使用所述重整气体发电的燃料电池堆；

使纯水放电的电去离子装置，其中，从供应的水中除去杂质离子；

测量所述纯水的导电率的感测单元；

将所述纯水供应到所述重整器和所述燃料电池堆的供水单元；和

控制单元，其根据所述感测单元的测量信号来控制所述燃料电池堆的操作。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中

所述电去离子装置包括：

电池，其中，在阳离子交换膜和阴离子交换膜之间填充有离子交换树脂；和

通过其间的第一空间设置在所述电池的相应侧处的正电极和负电极。

3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中

所述正电极和所述负电极从功率单元接收固定的DC电压，并且

所述第一空间被控制，使得所述纯水的所述导电率为5 μS/cm至10 μS/cm。

4.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中

所述正电极和所述负电极从功率单元接收通过变压器改变的DC电压，并且

所述DC电压被控制，使得所述纯水的所述导电率为5 μS/cm至10 μS/cm。

5.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中

所述正电极和所述负电极接收DC电压，并且

所述感测单元包括感测电路单元，其通过电阻测量流过所述正电极和所述负电极的电流量，以转换为电压且然后放大。

6.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中

所述感测单元包括：

感测电池，其与所述纯水接触并具有接收DC电压的两个电极；和

感测电路单元，其通过电阻测量流过所述两个电极的电流量，以转换为电压且然后放大。

7.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其还包括：

将所述燃料气体供应到所述重整器的燃料供应单元；和

将空气供应到所述重整器和所述燃料电池堆的空气供应单元，和

当所述感测单元的测量信号是预定风险值或更大时，所述控制单元停止所述燃料供应单元、所述供水单元和所述空气供应单元的操作。

8.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其还包括

预处理过滤器，其在所述电去离子装置前面串联联接到所述电去离子装置，并且首先除去所述供应的水中所含的杂质。