CN111326772B - 一种基于广谱燃料的燃料电池系统及其运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及分布式制氢与燃料电池联用技术，特别是涉及一种基于广谱燃料的燃料电池系统，包括燃料供应单元、燃料处理单元、燃料电池反应单元、热量交换单元和氧化剂供应单元，所述燃料处理单元为等离子体反应器；所述热量交换单元为多股流换热器，所述多股流换热器为从下至上的层叠式结构或从内至外的套筒式结构；所述多股流换热器具有平衡燃料处理单元和燃料电池反应单元热量的功能；所述燃料存储装置经燃料管路与燃料处理单元连通，为燃料处理单元供应燃料；所述燃料处理单元的产物出口经多股流换热器与燃料电池反应单元的阳极入口连通，为燃料电池阳极提供反应气体。

Description

一种基于广谱燃料的燃料电池系统及其运行方法
技术领域
本发明涉及分布式制氢与燃料电池联用技术，特别是涉及一种旋转电弧等离子体催化重整燃料制氢和高温质子交换膜燃料电池联用技术。
背景技术
相比于氢气，甲醇、乙醇、汽油和柴油等为更易于获取的燃料，由于受到质子交换膜燃料电池电催化反应的限制无法直接作为反应燃料。通常而言，将上述液体燃料转换为氢气和小分子碳氢化合物需要经过催化重整反应，上述反应存在反应体积大、进料单一、启动慢和易积碳等问题。本发明拟采用等离子体制氢的方式对甲醇、乙醇、汽油、柴油等燃料进行处理，并对处理后的混合气经过进一步的催化重整、水气变换制得氢气含量较高的混合气体，并将其作为燃料电池的反应燃料，利于燃料电池应用的推广。
等离子体反应器的反应温度及出口温度较高，无法直接与质子交换膜燃料电池相匹配和适应。本发明针对上述问题，发明了多股流换热器，为冷、热物流提供换热场所，在降低进入燃料电池反应单元的燃料温度的同时，为进入等离子体反应器的燃料预热，实现了能量匹配利用，使得将等离子反应器应用于燃料电池系统中成为可能，克服了燃料电池系统对于燃料的限制，进而开发了一种基于广谱燃料的燃料电池系统。
发明内容
为了将广谱燃料用于燃料电池，本发明提出了一种等离子体催化重整燃料制氢和高温质子交换膜燃料电池联用技术，该技术的优点是不受限于燃料种类及燃料的状态，可以就近取燃料进行发电；反应器结构紧凑，比功率高；相比于固体氧化物燃料电池系统，系统发电温度低，安全可靠；系统热量匹配合理，有效的提高了电池系统的热效率。
提供一种非热电弧催化重整广谱燃料制氢并与高温质子交换膜燃料电池联用的方法。液体燃料可以经空气辅助雾化喷嘴雾化成细小液滴后进入反应区域，也可以经换热器预热后，与空气、水混合，从反应器中部的电极间距进入反应区域。电极间的气体，在高压电源的作用下被击穿，产生等离子体。产生的等离子体经气流的推动，进入反应器的中心。在此过程中，等离子体、空气、燃料分子和水之间发生反应，产物主要含氢气、一氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯、二氧化碳、水和氮气等的混合气体。在等离子体反应区域的下端装有蒸汽重整催化剂，用于将甲烷、乙烷和乙烯等小分子烃类物质转化为氢气和一氧化碳，进一步提高氢气的产量。从反应器出来的气体温度较高，进入装有高、低温变换催化剂(也可考虑再放一些蒸汽重整催化剂)的换热腔，用于将混合气中的一氧化碳和水变换为氢气和二氧化碳。反应器出口气体换热器时，与冷物流进行换热，降低温度，后进入高温质子交换膜燃料电池电堆的阳极，进行电化学反应并放电。
从电堆阳极出来的尾气，含有少量未反应的氢气等，经换热器的催化燃烧后排空，催化燃烧产生的热供水预热。换热器中装的为蜂窝陶瓷燃烧催化剂，可降低流动压降。从电堆出来的导热油，经换热器进行冷却后，返回电堆中的油腔，携带电堆产生的热。导热油在换热器中放出的热量，用于预热的水和空气。空气预热后，用于反应器的壁面吹扫，避免或减小喷雾进料时，液滴与反应器壁面的碰撞而产生积碳。
一种基于广谱燃料的燃料电池系统，包括燃料供应单元、燃料处理单元、燃料电池反应单元、热量交换单元和氧化剂供应单元，所述燃料供应单元包括燃料存储装置和燃料管路；
所述燃料处理单元为具有高压电极和地电极的等离子体反应器，具有燃料进口、氧化剂进口和产物出口，用于将燃料转化成氢气和一氧化碳的混合气；
所述燃料电池反应单元具有阳极燃料进口和阳极尾气出口，以及阴极氧化剂进口和出口的高温燃料电池电堆；
所述热量交换单元为多股流换热器，所述多股流换热器为从下至上的层叠式结构或从内至外的套筒式结构；所述多股流换热器具有平衡燃料处理单元和燃料电池反应单元热量的功能；
所述氧化剂供应单元分别与燃料电池反应单元的阴极入口和燃料处理单元进料口连通，为燃料电池反应单元和燃料处理单元提供氧气；
所述燃料存储装置经燃料管路与燃料处理单元连通，为燃料处理单元供应燃料；所述燃料处理单元的产物出口经多股流换热器与燃料电池反应单元的阳极入口连通，为燃料电池阳极提供反应气体。
所述多股流换热器具有水气变化反应腔，所述水气变换反应腔内填充有水气变换催化剂，具有提高燃料处理单元出口气体中氢气的浓度并降低一氧化碳的浓度的功能，所述燃料处理单元出口的产物经多股流换热器中的水气变化反应腔后进入燃料电池反应单元的阳极。
所述水气变换反应腔内填充有高、低温水气变换催化剂，所述填充的水气变换催化剂沿混合气流经方向所耐受的水气变换反应温度逐渐降低。
所述水气变换反应通道内填充有三段活性组分不同的水气变换催化剂床层，所述三段水汽变换催化剂的活性组分沿混合气流经方向依次为镍、铁和铜。
所述水气变换反应腔两侧同时与一燃料预热腔和一水/空气混合物预热腔相邻，实现换热。
所述多股流换热器具有与水气变换反应腔间隔设置的一催化燃烧反应腔，所述催化燃烧反应腔内设置有催化燃烧反应催化剂，所述燃料电池反应单元的阳极出口尾气与空气混合后经所述催化燃烧反应腔催化燃烧后排出。
所述多股流换热器具有与水气变换反应腔间隔设置的一热交换流质腔，所述燃料电池反应单元中设置有预热/冷却介质通道；二者通过管路构成循环回路。
所述多股流换热器具有与水气变换反应腔和催化燃烧反应腔均间隔设置的一热交换流质腔，所述燃料电池反应单元中设置有预热/冷却介质通道；二者通过管路构成循环回路。
所述多股流换热器设置有一热交换流质腔和一空气预热腔；所述空气预热腔的一侧与水气变换反应腔或催化燃烧反应腔相邻接；所述空气预热腔的另一侧与所述热交换流质腔相邻接；所述燃料电池反应单元中设置有预热/冷却介质通道；所述热交换流质腔与所述预热/冷却介质通道通过管路构成循环回路。
所述多股流换热器设置有一水预热腔，所述水预热腔与所述热交换流质腔的另一侧相邻接。
所述多股流换热器设置有一热交换流质腔和一水预热腔；所述水预热腔的一侧与水气变换反应腔或催化燃烧反应腔相邻接；所述水预热腔的另一侧与所述热交换流质腔相邻接；所述燃料电池反应单元中设置有预热/冷却介质通道；所述热交换流质腔与所述预热/冷却介质通道通过管路构成循环回路。
所述多股流换热器设置有一空气预热腔，所述空气预热腔与所述热交换流质腔的另一侧相邻接。
所述多股流换热器中的热交换流质腔与所述燃料电池反应单元中的预热/冷却介质通道中的流质为导热油。
所述燃料预热腔、水/空气混合物预热腔、热交换流质腔、水预热腔、空气预热腔内均设置有翅片结构。
所述催化燃烧反应催化剂为以铂为活性成分的Pt基催化剂。
所述氧化剂供应单元为空气泵和/或空气压缩机；所述燃料电池反应单元阴极氧化剂进口与空气泵和/或空气压缩机相连。
所述广谱燃料为甲烷、甲醇、乙醇、汽油、柴油、二甲醚、生物柴油中的一种或两种以上的混合物。
所述燃料电池反应单元为高温质子交换膜燃料电池电堆，所述高温质子交换膜燃料电池电堆的反应温度为120-200℃。
所述基于广谱燃料的燃料电池系统的运行方法，包括以下步骤，
1)使燃料罐直接为燃料处理单元提供燃料，同时使得氧化剂供应单元为燃料处理单元提供氧化剂；开启燃料处理单元，并使得燃料处理单元出口与所述热量交换单元水汽变化反应腔进口连通，为燃料处理单元的产物气体降温，同时经变换反应后，提高氢气浓度和降低一氧化碳浓度；
系统开启时，液体燃料经燃料处理单元上端的喷嘴雾化后进入反应器，通过调节氧化剂与燃料的配比，使燃料完全燃烧放热，经热量交换单元的水汽变化反应腔进口和出口后，可以直接进入燃料电池反应单元，再经热量交换单元进入催化燃烧腔，或者跨过燃料电池反应单元，直接进入量交换单元进入催化燃烧腔，将未反应完的燃料催化燃烧放热，然后从催化燃烧腔出口排出，给系统预热；
所述热交换流质于热量交换单元的热交换流质换热腔和燃料电池反应单元中极板的空腔构成的循环回路中流动，启动阶段为燃料电池电堆加热；2)使得所述热量交换单元水汽变化反应腔出口与燃料电池反应单元阳极燃料进口相连通；同时使得氧化剂供应单元为燃料反应单元阴极进口提供氧化剂；使得燃料反应单元工作对外输出电能；稳定运行时，所述燃料电池反应单元产生的热量，由热交换流质带走，送入热交换流质换热腔；冷却后的热交换流质，循环回燃料电池电堆中使用，为燃料电池电堆降温。所述的运行方法还包括以下步骤中的一种或二种以上，
氧化剂空气与水混合物经空气水混合物换热腔预热后与燃料处理单元相连通
氧化剂空气经空气换热腔预热后与燃料处理单元相连通；
水换热腔经水换热腔预热后与燃料处理单元相连通；
燃料罐经热量交换单元与燃料处理单元连通，使得燃料在热量交换单元中预热；
所述电池反应单元的阳极尾气出口经所述热量交换单元的电堆尾气催化燃烧换热腔后排放至大气中。
该技术的优点是不受限于燃料种类及燃料的状态，可以就近取燃料进行发电；反应器结构紧凑，比功率高；相比于固体氧化物燃料电池系统，系统发电温度低，安全可靠；系统热量匹配合理，有效的提高了电池系统的热效率。
附图说明
图1为广谱燃料电池系统流程图；
图1中：1.燃料泵；2.压缩机；3.空气辅助雾化喷嘴；4.水泵；5.多股流换热器；6.等离子体反应器(下部为催化重整区)；7.高压电源；8.空气泵；9.电堆；10.阴极空气泵；11.导热油泵；
图2为一种多股流板翅式换热器物流匹配换热示意图；
图3燃料电池系统放电特性曲线。
具体实施方式
一种基于广谱燃料的燃料电池系统，其流程图如图1所示，包括燃料供应单元、燃料处理单元、燃料电池反应单元、热量交换单元和氧化剂供应单元。
一燃料处理单元为具有高压电极和地电极的等离子体反应器，顶部设有空气辅助雾化喷嘴，中部为等离子体重整区，下部为装填有蒸汽重整催化剂的催化重整区，底部设有产物出口；雾化喷嘴一方面通过燃料管路经燃料泵与燃料存储装置相连、另一方面与空气压缩机的出口相连；于反应器上部设有内壁面吹扫空气入口，吹扫空气入口经换热器与空气压缩机的出口相连；于等离子体反应器侧壁上设有物料进口，经水泵加压的水经换热器预热并汽化后，与空气压缩机出口的空气混合成水气混合物，燃料存储装置中的燃料经燃料泵加压后和水气混合物分别经换热器后混合流入物料进口，混合物料经物料进口进入高压电极和地电极之间；由产物出口流出的产物经换热器后通入燃料电池反应单元的阳极物料进口；
所述燃料电池反应单元具有阳极燃料进口和阳极尾气出口，以及阴极氧化剂进口和出口；所述燃料电池反应单元的阳极出口尾气与空气混合后经换热器催化燃烧后排出；
所述燃料电池反应单元的热交换流质、通过泵经燃料电池后，进入换热器换热后再进入燃料电池，循环使用；
换热器为多股流换热器；换热器为从下至上7层换热腔的层叠式结构或从内至外7层换热腔的套筒式结构；
从下至上或从内至外依次为：
燃料换热腔，具有相对应的第一物料进口和出口；
水汽变化反应腔，其中填充有三段催化剂床层，从进口至出口依次为以镍为活性成分的水气变换催化剂床层、以铁为活性成分的水气变换催化剂床层、以铜为活性成分的水气变换催化剂床层，具有相对应的第二物料进口和出口；
空气水混合物换热腔，具有相对应的第三物料进口和出口；
电堆尾气催化燃烧换热腔，其中填充有尾气处理催化剂，是以铂为活性成分的燃烧催化剂，其具有相对应的第四物料进口和出口；
水换热腔，具有相对应的第五物料进口和出口；
热交换流质换热腔，具有相对应的第六物料进口和出口；
空气换热腔，具有相对应的第七物料进口和出口；
所述燃料供应单元的燃料存储装置通过燃料管路经所述热量交换单元第一物料进口和出口预热后与所述燃料处理单元进口连通；所述氧化剂供应单元由3路组成，其分别通过管路经所述热交换单元第三、五、七物料进口和出口与燃料处理单元的进口相连通，并与燃料反应后，一起从燃料处理单元的出口排出；
所述燃料处理单元出口经所述热量交换单元第二物料进口和出口与燃料电池反应单元阳极燃料进口相连通；
所述燃料电池反应单元的阳极出口尾气与所述热交换单元第四物料进口连接，经催化燃料后从热交换单元的第四物料出口排出；
所述燃料电池反应单元的热交换流质，经燃料电池后，进入所述热量交换单元的第六进料口，经预热或冷却后，从热量交换单元的第六出料口排出，进入燃料电池，循环使用。
本次系统运行以乙醇为例，反应器下端装有活性组分为镍的蒸汽重整催化剂，换热器第2层中从物料入口到出口中，依次装有活性组分为镍、铁和铜的水气变换催化剂，第四层中装有催化燃烧催化剂。启动时，乙醇通过喷嘴进入反应器，进料流量5-15ml/min，调节空气流量，使燃料完全燃烧，给系统预热。稳定运行时，停止喷雾进料，乙醇由换热器第一层预热、汽化后与来自第三层预热后的空气和水混合，从反应器的中部进入。乙醇进料35ml/min，水碳比约1.85，氧碳比约为0.58。等离子体反应器出口气经换热器第二层降温、变换后，氢气摩尔组成约40％，CO摩尔组成小于3％，直接从燃料电池的阳极入口进入，并实现放电，放电的电流、电压和功率关系如图3所示。
系统停机时，先停燃料和水泵，再将空气调至1m3/h左右，并停止电堆放电，保持空气能入状态，持续约1min。然后停止空气压缩机，最后停电堆导热油泵。本发明的优点是装置体积小，启动快，效率高，结构紧凑，可以将乙醇转化为富含氢的混合气体，供燃料电池使用，利于燃料电池技术的推广应用。

Claims (16)

1.一种基于广谱燃料的燃料电池系统，包括燃料供应单元、燃料处理单元、燃料电池反应单元、热量交换单元和氧化剂供应单元，其特征在于： 所述燃料供应单元包括燃料存储装置和燃料管路； 所述燃料处理单元为具有高压电极和地电极的等离子体反应器，具有燃料进口、氧化剂进口和产物出口，用于将燃料转化成氢气和一氧化碳的混合气； 所述燃料电池反应单元具有阳极燃料进口和阳极尾气出口，以及阴极氧化剂进口和出口的高温燃料电池电堆； 所述热量交换单元为多股流换热器，所述多股流换热器为从下至上的层叠式结构或从内至外的套筒式结构；所述多股流换热器具有平衡燃料处理单元和燃料电池反应单元热量的功能； 所述氧化剂供应单元分别与燃料电池反应单元的阴极入口和燃料处理单元进料口连通，为燃料电池反应单元和燃料处理单元提供氧气； 所述燃料存储装置经燃料管路与燃料处理单元连通，为燃料处理单元供应燃料；所述燃料处理单元的产物出口经多股流换热器与燃料电池反应单元的阳极入口连通，为燃料电池阳极提供反应气体； 所述多股流换热器具有水气变化反应腔，所述水气变化反应腔内填充有水气变换催化剂，具有提高燃料处理单元出口气体中氢气的浓度并降低一氧化碳的浓度的功能，所述燃料处理单元出口的产物经多股流换热器中的水气变化反应腔后进入燃料电池反应单元的阳极； 所述广谱燃料为甲烷、甲醇、乙醇、汽油、柴油、二甲醚、生物柴油中的一种或两种以上的混合物；多股流换热器为从下至上 7 层换热腔的层叠式结构或从内至外 7 层换热腔的套筒式结构； 从下至上或从内至外依次为： 燃料换热腔， 具有相对应的第一物料进口和出口； 水气变化反应腔， 具有相对应的第二物料进口和出口； 空气水混合物换热腔， 具有相对应的第三物料进口和出口； 电堆尾气催化燃烧换热腔，其具有相对应的第四物料进口和出口； 水换热腔， 具有相对应的第五物料进口和出口； 热交换流质换热腔， 具有相对应的第六物料进口和出口； 空气换热腔， 具有相对应的第七物料进口和出口。
2.如权利要求 1 所述基于广谱燃料的燃料电池系统，其特征在于：所述水气变化反应腔内填充有高、低温水气变换催化剂，所述填充的水气变换催化剂沿混合气流经方向所耐受的水气变换反应温度逐渐降低。
3.如权利要求 2 所述基于广谱燃料的燃料电池系统，其特征在于： 所述水气变化反应腔内填充有三段活性组分不同的水气变换催化剂床层，所述三段活性组分沿混合气流经方向依次为镍、铁和铜。
4.如权利要求 1 所述基于广谱燃料的燃料电池系统，其特征在于：所述水气变化反应腔两侧同时与一燃料换热腔和一空气水混合物换热腔相邻，实现换热。
5.如权利要求 1 所述基于广谱燃料的燃料电池系统，其特征在于： 所述多股流换热器具有与水气变化反应腔间隔设置的一电堆尾气催化燃烧换热腔，所述电堆尾气催化燃烧换热腔内设置有催化燃烧反应催化剂，所述燃料电池反应单元的阳极出口尾气与空气混合后经所述电堆尾气催化燃烧换热腔催化燃烧后排出。
6.如权利要求 1 所述基于广谱燃料的燃料电池系统，其特征在于： 所述多股流换热器具有与水气变化反应腔间隔设置的一热交换流质换热腔，所述燃料电池反应单元中设置有预热/冷却介质通道；二者通过管路构成循环回路。
7.如权利要求 5 所述基于广谱燃料的燃料电池系统，其特征在于： 所述多股流换热器具有与水气变化反应腔和电堆尾气催化燃烧换热腔均间隔设置的一热交换流质换热腔，所述燃料电池反应单元中设置有预热/冷却介质通道；二者通过管路构成循环回路。
8.如权利要求 5 所述基于广谱燃料的燃料电池系统，其特征在于： 所述多股流换热器设置有一热交换流质换热腔和一空气换热腔； 所述空气换热腔的一侧与所述热交换流质换热腔相邻接；所述燃料电池反应单元中设置有预热/冷却介质通道；所述热交换流质换热腔与所述预热/冷却介质通道通过管路构成循环回路。
9.如权利要求 5 所述基于广谱燃料的燃料电池系统，其特征在于： 所述多股流换热器设置有一热交换流质换热腔和一水换热腔；所述水换热腔的一侧与电堆尾气催化燃烧换热腔相邻接；所述水换热腔的另一侧与所述热交换流质换热腔相邻接；所述燃料电池反应单元中设置有预热/冷却介质通道；所述热交换流质换热腔与所述预热/冷却介质通道通过管路构成循环回路。
10.如权利要求 6-9 任一所述基于广谱燃料的燃料电池系统，其特征在于： 所述多股流换热器中的热交换流质换热腔与所述燃料电池反应单元中的预热/冷却介质通道中的流质为导热油。
11.如权利要求 1-9 任一所述基于广谱燃料的燃料电池系统，其特征在于： 所述燃料换热腔、 空气水混合物换热腔、 热交换流质换热腔、水换热腔、空气换热腔内均设置有翅片结构。
12.如权利要求 5、 7-9 任一所述基于广谱燃料的燃料电池系统，其特征在于： 所述催化燃烧反应催化剂为以铂为活性成分的 Pt 基催化剂。
13.如权利要求 1-9任一所述基于广谱燃料的燃料电池系统，其特征在于： 所述氧化剂供应单元为空气泵和/或空气压缩机；所述燃料电池反应单元阴极氧化剂进口与空气泵和/或空气压缩机相连。
14.如权利要求 1 所述基于广谱燃料的燃料电池系统，其特征在于： 所述燃料电池反应单元为高温质子交换膜燃料电池电堆，所述高温质子交换膜燃料电池电堆的反应温度为120-200℃。
15.如权利要求 1-14 任一所述基于广谱燃料的燃料电池系统的运行方法，其特征在于：包括以下步骤， 1）使燃料罐直接为燃料处理单元提供燃料，同时使得氧化剂供应单元为燃料处理单元提供氧化剂；开启燃料处理单元，并使得燃料处理单元出口与所述热量交换单元水气变化反应腔进口连通，为燃料处理单元的产物气体降温，同时经变换反应后，提高氢气浓度和降低一氧化碳浓度； 系统开启时，液体燃料经燃料处理单元上端的喷嘴雾化后进入等离子体反应器，通过调节氧化剂与燃料的配比，使燃料完全燃烧放热，经热量交换单元的水气变化反应腔进口和出口后，可以直接进入燃料电池反应单元，再经热量交换单元进入电堆尾气催化燃烧换热腔，或者跨过燃料电池反应单元，直接进入热量交换单元进入电堆尾气催化燃烧换热腔，将未反应完的燃料催化燃烧放热，然后从电堆尾气催化燃烧换热腔出口排出，给系统预热； 所述热交换流质于热量交换单元的热交换流质换热腔和燃料电池反应单元中极板的空腔构成的循环回路中流动，启动阶段为燃料电池电堆加热； 2）使得所述热量交换单元水气变化反应腔出口与燃料电池反应单元阳极燃料进口相连通；同时使得氧化剂供应单元为燃料反应单元阴极进口提供氧化剂；使得燃料反应单元工作对外输出电能；稳定运行时，所述燃料电池反应单元产生的热量，由热交换流质带走，送入热交换流质换热腔；冷却后的热交换流质，循环回燃料电池电堆中使用，为燃料电池电堆降温。
16.如权利要求 15 所述的运行方法，其特征在于：还包括以下步骤中的一种或二种以上，氧化剂空气与水混合物经空气水混合物换热腔预热后与燃料处理单元相连通；氧化剂空气经空气换热腔预热后与燃料处理单元相连通；水经水换热腔预热后与燃料处理单元相连通； 燃料罐经热量交换单元与燃料处理单元连通，使得燃料在热量交换单元中预热； 所述燃料电池反应单元的阳极尾气出口经所述热量交换单元的电堆尾气催化燃烧换热腔后排放至大气中。
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