CN109962260A - 一种甲醇燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

一种甲醇重整高温燃料电池系统，主要由高温燃料电池电堆模块、重整器模块、和能量利用模块构成，其中能量利用模块利用电堆产热汽化甲醇，利用阳极尾气中氢气燃烧为蒸汽重整反应供热。与现有技术相比，该系统合理利用各品级热能，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

一种甲醇燃料电池系统
技术领域
本发明属于燃料电池领域，具体涉及一种甲醇燃料电池系统。
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。甲醇作为最简单的小分子醇，价廉易得，重整温度低，产氢浓度高、杂质少，使得甲醇重整受到人们的广泛关注。
目前甲醇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。
在以PBI/H3PO4为电解质膜的高温甲醇燃料电池系统中，设计到燃料燃烧、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，本发明提出一种甲醇重整高温燃料电池系统。该系统合理利用各品级热能，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甲醇重整高温燃料电池系统。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种甲醇重整高温燃料电池系统，其特征在于系统主要由高温(120-250℃)燃料电池电堆模块、重整器模块、和能量利用模块构成，其中能量利用模块利用电堆产热汽化甲醇，利用阳极尾气中氢气燃烧为蒸汽重整反应供热。
所述燃料电池系统中，电堆模块包含预热器和燃料电池电堆，空气经预热后方进入燃料电池电堆。
所述的燃料电池系统中，电堆工作温度在120-250℃，电解质材料为传导氢离子的PBI/H3PO4、CsH2PO4
所述的燃料电池系统中，电堆内含有冷却介质通道，该腔室在运行时时流入导热介质将电堆产热移除，在启动时流入导热介质将电堆温度升高至指定值。
所述的导热介质是导热油、乙二醇、水与乙二醇混合物中的一种；
所述的PBI/H3PO4电堆在温度升高到80℃以上方可进料，在运行时需避免单电池的平均电压高于0.8V，以防止碳载体腐蚀、Pt催化剂溶解流失。
所述的PBI/H3PO4电堆在停机时需逐渐降低负载电流，减少燃料流量、增大空气流量，待电堆温度低于110℃方可将电堆的燃料泵、空气泵停止。
所述的燃料电池系统中，重整器模块包含了汽化室、混合室、燃烧室、换热室、重整室，其可以是独立部件，亦可以是集成式反应器。
所述的集成式重整器模块汽化室、混合室、燃烧室、换热室、重整室全在一整块金属材料上雕铣而成。
所述的能量利用模块包含电堆余热利用部件和电堆尾气利用部件，电堆余热利用主要是用以汽化甲醇、预热进口空气，电堆尾气利用主要是利用未反应的氢气燃烧提供蒸汽重整反应的热量。
所述燃料电池系统中，冷却介质流路分大循环和小循环，在电堆升温过程中大循环关闭，在电堆温度升到指定值(60-150℃)，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，该系统合理利用各品级热能，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5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6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7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8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。
电堆工作温度在120℃，电解质材料为传导氢离子的CsH2PO4。其中能量利用模块利用电堆产热汽化甲醇，利用阳极尾气中氢气燃烧为蒸汽重整反应供热。所述燃料电池系统中，电堆模块包含预热器和燃料电池电堆，空气经预热后方进入燃料电池电堆。所述的燃料电池系统中，电堆内含有冷却介质通道，该腔室在运行时时流入导热介质将电堆产热移除，在启动时流入导热介质将电堆温度升高至指定值。所述冷却介质通道分大循环和小循环，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。
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4。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)。
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6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7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：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8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 (8)

1.一种甲醇重整高温燃料电池系统，其特征在于：所述系统主要由高温燃料电池电堆模块、重整器模块、和能量利用模块构成，其中能量利用模块利用电堆产热汽化甲醇，利用阳极尾气中氢气燃烧为蒸汽重整反应供热。
2.按照权利要求1所述甲醇重整高温燃料电池系统，其特征在于：
所述燃料电池系统中，电堆模块包含预热器和燃料电池电堆，空气经预热后方进入燃料电池电堆。
3.按照权利要求1所述甲醇重整高温燃料电池系统，其特征在于：
所述的燃料电池系统中，电堆工作温度在120-250℃，电解质材料为传导氢离子的PBI/H3PO4或CsH2PO4。
4.按照权利要求1所述甲醇重整高温燃料电池系统，其特征在于：
所述的燃料电池系统中，电堆内含有冷却介质通道，该腔室在运行时时流入导热介质将电堆产热移除，在启动时流入导热介质将电堆温度升高至指定值。
5.按照权利要求4所述甲醇重整高温燃料电池系统，其特征在于：
所述的导热介质是导热油、乙二醇、水与乙二醇混合物中的一种。
6.按照权利要求1所述甲醇重整高温燃料电池系统，其特征在于：
所述重整器模块包含了汽化室、混合室、燃烧室、换热室、重整室，其可以是独立部件，亦可以是集成式反应器。
7.按照权利要求1所述甲醇重整高温燃料电池系统，其特征在于：
所述的能量利用模块包含电堆余热利用部件和电堆尾气利用部件，电堆余热利用主要是用以汽化甲醇、预热进口空气，电堆尾气利用主要是利用未反应的氢气燃烧提供蒸汽重整反应的热量。
8.按照权利要求4所述甲醇重整高温燃料电池系统，其特征在于：
所述冷却介质通道分大循环和小循环，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。
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