CN109935855A - 一种重整燃料电池系统的运行方法 - Google Patents

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Abstract

一种重整燃料电池系统的运行方法，在系统启动阶段，由所述加热装置1为所述燃料重整器提供热量，同时所述加热装置2为所述闭环管路内的导热循环介质提供热量进而间接为燃料电池电堆提供热量；在系统运行阶段，待燃料电池电堆电压高于设定值VS时，所述燃料电池电堆对外输出；所述导热循环介质经一换热装置散热；在系统停机阶段，通过增大所述导热循环介质的流速降低所述燃料电池电堆温度，至电堆温度低于设定值TS2时，所述燃料存储装置停止为所述燃料重整器提供燃料。与现有技术相比，本发明所述运行方法充分利用各品级热能，优化了系统热管理措施，在系统快速启动，高效运行方面优势明显。

Description

一种重整燃料电池系统的运行方法
技术领域
本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种重整燃料电池系统的运行方法。
背景技术
燃料电池是一类将燃料化学能直接转换为电能的能量转化装置，具有效率高、无污染、噪音低等诸多优势，在动力电源、备用电源及移动电源领域应用前景广阔。
氢气是燃料电池的首选燃料，但由于目前氢气在制备、存储、运输等方面存在诸多问题，限制了其大规模应用。使用液态燃料(甲醇、乙醇、柴油等)重整制氢是行之有效的解决办法。
目前重整燃料电池根据燃料电池工作温度不同，可分为低温和高温两大类。低温是以基于Nafion的质子交换膜为主，工作温度在60-80℃，一氧化碳(CO)的耐受性仅为10ppm，但是重整器出来的混合气中CO浓度可高达数万ppm，故需采用多级净化或Pd膜分离降低CO浓度，整个系统流程结构复杂，体积庞大效率低。高温是以基于PBI/H3PO4或固体酸的离子交换膜为主，工作温度在150-250℃，CO耐受性可达30000ppm甚至更高，重整气无需净化便可直接进入燃料电池，省却了多个反应器件，系统流程大幅简化，效率亦有提升。
高温重整燃料电池系统涉及到燃料燃烧、汽化、重整、电化学氧化等多个反应，温度条件各不同，如何合理分配利用热流是提升系统效率的关键。针对上述问题，本发明提出一种重整燃料电池系统运行方法，该运行方法充分利用各品级热能，优化了系统热管理措施，在系统快速启动，高效运行方面优势明显。
发明内容
针对以上问题，本发明目的在于提供一种重整燃料电池系统运行方法。本发明采用以下技术方案来实现：
一种重整燃料电池系统的运行方法，所述重整燃料电池系统包括燃料存储装置，加热/换热装置，燃料重整器和燃料电池电堆；所述燃料电池电堆中设置有导热循环介质流通的通道；所述导热循环介质流通于一流经电堆及散热器的封闭管路内；
在系统启动阶段，由所述加热装置1为所述燃料重整器提供热量，同时所述加热装置2为所述闭环管路内的导热循环介质提供热量进而间接为燃料电池电堆提供热量；待燃烧室/器的温度高于Tb，加热装置1停止，甲醇与空气进入燃烧室燃烧；待燃料重整器温度高于设定值TR时，所述燃料存储装置为燃料重整器提供燃料，燃料重整器开始运行；待燃料电池电堆温度高于设定值TS时，所述燃料电池电堆开始运行，所述加热装置停止经导热循环介质为电堆提供热量；
在系统运行阶段，待燃料电池电堆电压高于设定值VS时，所述燃料电池电堆对外输出；所述导热循环介质经一换热装置散热，同时保证冷却介质在所述燃料电池电堆进出口温差小于10℃；
在系统停机阶段，通过增大所述导热循环介质的流速降低所述燃料电池电堆温度，至电堆温度低于设定值TS2时，所述燃料存储装置停止为所述燃料重整器提供燃料。
所述换热装置在系统运行阶段利用电堆产生的热量汽化甲醇，利用阳极尾气中氢气燃烧为蒸汽重整反应供热。
所述换热装置还包括一电堆散热器；在系统运行阶段，若燃料电池电堆温度大于等于设定值TS1时，所述导热环介质经所述燃料汽化器散热后经所述电堆散热器散热并继续维持所述燃料电池电堆温度在TS-TS1之间，所述TS1＞TS。
所述加热装置包含一燃料燃烧器；在系统启动阶段，所述燃料燃烧器中的燃料由燃料存储装置提供；在系统运行阶段，所述燃料燃烧器中的燃料由燃料电池电堆阳极尾气提供。
所述燃料燃烧器内部设置有一引燃部件，所述引燃部件为电加热器或点火器；在系统启动阶段，由所述引燃部件引燃燃料燃烧器中的燃料，待燃料燃烧器温度高于设定值TF时，所述引燃部件停止工作；在系统运行阶段，通过调节从燃料存储装置流入所述燃料燃烧器中的燃料流量维持所述燃料燃烧器的温度在TF-TF1之间，所述TF1＞TF。
在系统启动阶段，空气经所述加热装置预热后进入燃料电池电堆阴极；在系统运行阶段，空气经所述导热循环介质预热后进入燃料电池电堆阴极。
在系统停机阶段，通过减小由所述重整燃料电池系统输出电流并降低进入所述燃料重整器的燃料流量降低所述燃料电池电堆温度；或通过增大进入燃料电池电堆的空气流量降低所述燃料电池电堆温度。
在系统停机阶段，通过增大进入燃料燃烧器中的空气流量降低所述燃料处理器的温度。
在系统运行阶段，燃料电池电堆阴极尾气经所述换热装置换热后排放。
在系统运行阶段，所述燃料电池电堆中单电池的平均电压维持在0.4-0.8V之间。
所述导热介质为导热油、乙二醇、乙二醇的水溶液中的一种。冷却介质包含大循环和小循环，在启动阶段，小循环开启，在运行阶段，大循环开启。
所述的大循环是指流路包含散热器，而小循环流路含电加热器，不含散热器。
所述燃料电池在启动阶段在燃烧室内由电加热或电打火装置将甲醇点燃，燃烧产热逐渐将重整室升温，同时导热介质流经电加热装置升温后进入电堆为其升温。
所述燃料电池在运行阶段燃烧室燃料为电堆阳极尾气中为反应的氢气，重整甲醇汽化所需热量有电堆产热提供，既由导热介质将电堆热量移除后在换热器中将甲醇汽化。
所述燃料电池在停机阶段逐渐减小负载电流，逐步降低重整甲醇流量，增大燃烧空气及电堆空气泵流量，调高循环泵流量，待电堆温度低于设定值时方可停止重整甲醇泵及电堆空气泵。
与现有技术相比，本发明所述运行方法充分利用各品级热能，优化了系统热管理措施，在系统快速启动，高效运行方面优势明显。
附图说明
图1为甲醇重整燃料电池结构示意图，
其中，100为燃料储罐；200为燃料处理器；300为燃料电池电堆；400为能量利用装置；900为外部用电设备。
图2为甲醇重整高温燃料电池的流程图；
其中100为燃料储罐；201为燃烧器；202为重整器；211为燃烧甲醇进料泵；212为重整甲醇进料泵；221为燃烧空气进料泵；231为加热器或点火器；300为燃料电池；301为空气进料泵；410为汽化器；421为风冷散热器；422为循环泵；423为加热器。
图3为甲醇重整高温燃料电池的流程图；
其中100为燃料储罐；201为燃烧器；202为重整器；211为燃烧甲醇进料泵；212为重整甲醇进料泵；221为燃烧空气进料泵；231为加热器或点火器；300为燃料电池；301为空气进料泵；410为汽化器；420为尾气冷却油换热器；430为空气预热器；421为风冷散热器；422为循环泵；423为加热器。
图4是电堆升温及运行时的控制逻辑；
图5是系统部分部件运行时的控制逻辑；
图6是系统部分部件挺及时的控制逻辑；
图7是甲醇重整燃料电池结构示意图；
其中100为燃料储罐；201为燃烧室；202为重整室；203为燃烧甲醇汽化室；204为混合室；205为换热室；211为燃烧甲醇进料泵；212为重整甲醇进料泵；221为燃烧空气进料泵；231为加热器或点火器；300为燃料电池；301为空气进料泵；410为重整甲醇汽化室；420为冷却油换热室；423为电加热器；430为空气预热器；440为重整气冷却室；450为尾气换热室；421为风冷散热器；422为循环泵；423为加热器。
图8是电堆空气进口预热示意图1；
其中300为电堆，431为冷却介质腔室，432为空气换热腔时
图9是电堆冷却介质循环流路示意图；
其中300是电堆，301是空气泵，421为散热器，422为可自截止的大循环流路泵，424为可自截止的小循环流路泵，423为电加热器。
图10是电堆冷却介质循环流路示意图2；
其中300是电堆，301是空气泵，421为散热器，461为小循环流路阀，462为大循环流路阀
图11是电堆冷却介质循环流路示意图3；
其中300是电堆，301是空气泵，421为散热器，470为温控调节阀。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作详细的描述。当然本发明并不仅限于下述具体的实施例。
所述重整燃料电池系统包括燃料存储装置，加热/换热装置，燃料重整器和燃料电池电堆；所述燃料电池电堆中设置有导热循环介质流通的通道；所述导热循环介质流通于一流经电堆及散热器的封闭管路内；
在系统启动阶段，由所述加热装置1为所述燃料重整器提供热量，同时所述加热装置2为所述闭环管路内的导热循环介质提供热量进而间接为燃料电池电堆提供热量；待燃烧室/器的温度高于Tb，加热装置1停止，甲醇与空气进入燃烧室燃烧；待燃料重整器温度高于设定值TR时，所述燃料存储装置为燃料重整器提供燃料，燃料重整器开始运行；待燃料电池电堆温度高于设定值TS时，所述燃料电池电堆开始运行，所述加热装置停止经导热循环介质为电堆提供热量；
在系统运行阶段，待燃料电池电堆电压高于设定值VS时，所述燃料电池电堆对外输出；所述导热循环介质经一换热装置散热，同时保证冷却介质在所述燃料电池电堆进出口温差小于10℃；
在系统停机阶段，通过增大所述导热循环介质的流速降低所述燃料电池电堆温度，至电堆温度低于设定值TS2时，所述燃料存储装置停止为所述燃料重整器提供燃料。
实施例1：甲醇重整燃料电池系统的流程见图2，一路甲醇经泵211泵入燃烧室201，燃烧产生的热量传递给重整室202；另一路甲醇经泵212流入重整室202发生蒸汽重整反应，生成的氢气进入电堆300；电堆运行时产生的热量由导热油移除，循环泵422将导热油泵入电堆，流经风冷散热器421后复又进入电堆。在系统启动过程中燃烧室甲醇的点燃要借助电打火或电加热装置231；电堆的升温亦要借助电加热装置423，其先将热量传导给导热油，导热油再使电堆升温。
实施例2：甲醇燃料电池的系统流程见图3，该系统在实施例1的基础上，增添了导热油换热室420和电堆空气进口预热器430。换热室420可在启动阶段将燃烧室尾气的部分热量传递给导热油，导热油再将热量传递给电堆，同时使用电加热和尾气换热可使电堆升温时间大大减少。空气进口预热器430作用是将尾气热量传递给进口空气，避免电堆内温度梯度过大影响其寿命。
实施例3：甲醇燃料电池的系统流程见图7。该系统采用一体式的甲醇重整器，重整器包含：燃烧室201、重整室202、燃烧甲醇汽化室203、混合室204、换热室205。整个重整器由一整块铝合金雕铣而成。除此之外，系统还有一集成式的换热器，该换热器包含：汽化器410，尾气冷却油换热器420，重整气冷却室440，尾气换热室450。整个换热器充分利用了燃烧尾气余热、电堆产热、电堆尾气余热、高温重整气等为甲醇汽化提供热量，同时将进入电堆中重整气的温度降低，避免了高温损伤膜电极。系统中电堆空气泵301经预热后方进入电堆，以减小电堆同进口空气温差，温差过大易加速衰减。电堆空气预热器可以是单独部件，亦可以紧贴于电堆(如图8所示)。
该系统的启动运行过程的控制逻辑如图4图5图6所示。
实施例4：甲醇燃料电池的系统流程中冷却介质流路分为大循环和小循环，大循环是指流路包含散热器，而小循环流路含电加热器，不含散热器如图9所示。其中422为可自截止的大循环流路泵，424为可自截止的小循环流路泵。在启动时，大循环泵422关闭，小循环泵424开启，电加热器423开启，用以快速提升电堆温度。待电堆运行后，关闭电加热器，逐渐调大大循环泵422流量。当电堆温度升至设定值，关闭小循环泵424。
实施例5：甲醇燃料电池的系统流程中冷却介质流路分为大循环和小循环，大循环是指流路包含散热器，而小循环流路含电加热器，不含散热器如图10所示。其中461为小循环流路阀，462为大循环流路阀。在启动时，大循环流路阀462关闭，小循环流路阀461开启，电加热器423开启，用以快速提升电堆温度。待电堆运行后，关闭电加热器，逐渐调大大循环流路阀462开度。当电堆温度升至设定值，关闭小循环泵流路阀。
上述的大循环流路阀462及小循环流路阀可以是电磁式流量调节阀，亦可以是机械式感温阀，根据导热介质温度自动调节阀门开启。
实施例6：甲醇燃料电池的系统流程中冷却介质流路分为大循环和小循环，大循环是指流路包含散热器，而小循环流路含电加热器，不含散热器如图11所示。其中470为三通阀，其可根据温度高低调节两路流体的比例。在启动时，导热油进入小循环流路，电加热器423开启，用以快速提升电堆温度。待电堆运行后，关闭电加热器，导热油同时进入大循环流路和小循环流路。当电堆温度升至一定温度，导热油几乎全部进入大循环流路。

Claims (16)

1.一种重整燃料电池系统的运行方法，其特征在于：所述重整燃料电池系统包括燃料存储装置，加热/换热装置，燃料重整器和燃料电池电堆；所述燃料电池电堆中设置有导热循环介质流通的通道；所述导热循环介质流通于一流经电堆及散热器的封闭管路内；
在系统启动阶段，由所述加热装置1为所述燃料重整器提供热量，同时所述加热装置2为所述闭环管路内的导热循环介质提供热量进而间接为燃料电池电堆提供热量；待燃烧室/器的温度高于Tb，加热装置1停止，甲醇与空气进入燃烧室燃烧；待燃料重整器温度高于设定值TR时，所述燃料存储装置为燃料重整器提供燃料，燃料重整器开始运行；待燃料电池电堆温度高于设定值TS时，所述燃料电池电堆开始运行，所述加热装置停止经导热循环介质为电堆提供热量；
在系统运行阶段，待燃料电池电堆电压高于设定值VS时，所述燃料电池电堆对外输出；所述导热循环介质经一换热装置散热，同时保证冷却介质在所述燃料电池电堆进出口温差小于10℃；
在系统停机阶段，通过增大所述导热循环介质的流速降低所述燃料电池电堆温度，至电堆温度低于设定值TS2时，所述燃料存储装置停止为所述燃料重整器提供燃料。
2.如权利要求1所述重整燃料电池系统的运行方法，其特征在于：
所述换热装置在系统运行阶段利用电堆产生的热量汽化甲醇，利用阳极尾气中氢气燃烧为蒸汽重整反应供热。
3.如权利要求2所述重整燃料电池系统的运行方法，其特征在于：
所述换热装置还包括一电堆散热器；在系统运行阶段，若燃料电池电堆温度大于等于设定值TS1时，所述导热环介质经所述燃料汽化器散热后经所述电堆散热器散热并继续维持所述燃料电池电堆温度在TS-TS1之间，所述TS1＞TS。
4.如权利要求1所述重整燃料电池系统的运行方法，其特征在于：
所述加热装置包含一燃料燃烧器；在系统启动阶段，所述燃料燃烧器中的燃料由燃料存储装置提供；在系统运行阶段，所述燃料燃烧器中的燃料由燃料电池电堆阳极尾气提供。
5.如权利要求4所述重整燃料电池系统的运行方法，其特征在于：
所述燃料燃烧器内部设置有一引燃部件，所述引燃部件为电加热器或点火器；在系统启动阶段，由所述引燃部件引燃燃料燃烧器中的燃料，待燃料燃烧器温度高于设定值TF时，所述引燃部件停止工作；在系统运行阶段，通过调节从燃料存储装置流入所述燃料燃烧器中的燃料流量维持所述燃料燃烧器的温度在TF-TF1之间，所述TF1＞TF。
6.如权利要求1所述重整燃料电池系统的运行方法，其特征在于：
在系统启动阶段，空气经所述加热装置预热后进入燃料电池电堆阴极；在系统运行阶段，空气经所述导热循环介质预热后进入燃料电池电堆阴极。
7.如权利要求1所述重整燃料电池系统的运行方法，其特征在于：
在系统停机阶段，通过减小由所述重整燃料电池系统输出电流并降低进入所述燃料重整器的燃料流量降低所述燃料电池电堆温度；或通过增大进入燃料电池电堆的空气流量降低所述燃料电池电堆温度。
8.如权利要求4所述重整燃料电池系统的运行方法，其特征在于：
在系统停机阶段，通过增大进入燃料燃烧器中的空气流量降低所述燃料处理器的温度。
9.如权利要求1所述重整燃料电池系统的运行方法，其特征在于：
在系统运行阶段，燃料电池电堆阴极尾气经所述换热装置换热后排放。
10.如权利要求1所述重整燃料电池系统的运行方法，其特征在于：
在系统运行阶段，所述燃料电池电堆中单电池的平均电压维持在0.4-0.8V之间。
11.如权利要求1所述重整燃料电池系统的运行方法，其特征在于：
所述导热介质为导热油、乙二醇、乙二醇的水溶液中的一种。
12.如权利要求1所述的重整燃料电池系统的运行方法，其特征在于：冷却介质包含大循环和小循环，在启动阶段，小循环开启，在运行阶段，大循环开启。
13.如权利要求12所述的重整燃料电池系统的运行方法，其特征在于：所述的大循环是指流路包含散热器，而小循环流路含电加热器，不含散热器。
14.如权利要求5所述的重整燃料电池系统的运行方法，其特征在于：所述燃料电池在启动阶段在燃烧室内由电加热或电打火装置将甲醇点燃，燃烧产热逐渐将重整室升温，同时导热介质流经电加热装置升温后进入电堆为其升温。
15.如权利要求4所述的重整燃料电池系统的运行方法，其特征在于：所述燃料电池在运行阶段燃烧室燃料为电堆阳极尾气中为反应的氢气，重整甲醇汽化所需热量有电堆产热提供，既由导热介质将电堆热量移除后在换热器中将甲醇汽化。
16.如权利要求7所述的重整燃料电池系统的运行方法，其特征在于：所述燃料电池在停机阶段逐渐减小负载电流，逐步降低重整甲醇流量，增大燃烧空气及电堆空气泵流量，调高循环泵流量，待电堆温度低于设定值时方可停止重整甲醇泵及电堆空气泵。
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