CN111509279B - 原位制氢燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种原位制氢燃料电池系统，包括制氢单元和燃料电池，所述制氢单元包括燃烧器、汽化器和重整器，所述汽化器设有原料入口、热介质入口、蒸汽出口和热介质出口，所述重整器内部设有连通的蒸汽重整反应段和一氧化碳脱除段，所述燃烧器的出口与汽化器的热介质入口连接，所述汽化器的蒸汽出口与重整器的入口连接，所述重整器的出口与燃料电池的阳极的入口相连，且二者之间设有杂质传感器。本发明提供的原位制氢燃料电池系统能够利用常规液体燃料蒸汽重整制取富氢气，且制得的富氢气可以直接供给燃料电池发电供热；工作流程简单、操作便捷、运行高效稳定，可实现小型化、模块化和信息化等功能。

Description

原位制氢燃料电池系统

技术领域

本发明涉及一种燃料电池系统，尤其涉及一种原位制氢燃料电池系统。

背景技术

燃料电池是近年来新兴的一种高效电化学电源装置，其发电效率高，运行平稳、无噪声，清洁环保，在交通、建筑、军事、通讯等领域均具有广阔的应用前景。燃料电池种类繁多、技术路线多样。其中，质子交换膜燃料电池以其功率密度高、工作温度低、启动性能好、技术较成熟等优点，在中小型固定式电源、电动交通等行业成为主流，尤其是近年来新能源产业的迅猛发展使之占据了燃料电池市场约90％的主要份额。然而，随着近年来燃料电池汽车商业化进程的不断推进，与之相配套的超纯氢来源、成本及加注设施问题日益凸显，供氢问题亟待解决。

制氢技术的关键在于保证氢气品质、提高生产效率、降低产品成本、减小运行维护难度、扩大氢气供给范围等方面。目前，在化学制氢、电解水制氢、生物制氢这三种常见制氢方法中，以蒸汽重整为代表的化学制氢占主导地位，其原料涵盖天然气、醇、石油气、二甲醚、汽柴油等。其中，天然气重整制氢技术最为成熟、工业应用最多，其较高的反应温度更适合用作固定电源或热电联供设备；甲醇重整制氢反应温度较低，工艺过程简单、能耗低，且甲醇原料廉价易得、能量密度高、含氢量高，便于储存和运输，适宜作为模块式或移动式制氢装置用于备用电源、电动交通等领域。

氢能产业推广需要完善的制氢与燃料电池整体解决方案，而小型化制氢与燃料电池堆的系统集成又是一项备受瞩目的特色化技术，极其适合我国国情。由于重整制氢产品气中氢气浓度不高且含有微量杂质，实现燃料电池，尤其是常见的低温质子交换膜燃料电池堆与制氢装置的稳定高效联用就成为了研制原位制氢燃料电池系统的一大重点和难点。

重整制氢-燃料电池系统可具体划分为三大技术路线，即重整制氢-高温质子交换膜燃料电池、重整制氢-氢气纯化-低温质子交换膜燃料电池、以及重整制氢-杂质脱除-低温质子交换膜燃料电池。由于高温质子交换膜燃料电池并非主流燃料电池技术路线，相关研发投入不足、产业化规模小、技术进展缓慢，导致商业化产品包括性能、寿命、成本在内的各项技术指标均低于低温质子交换膜燃料电池；氢气纯化主要包括变压吸附和贵金属透氢膜技术，而变压吸附的设备小型化难度大、操作过程复杂，贵金属透氢膜的成本高、可靠性差。

由此可见，含有杂质脱除的重整制氢与低温质子交换膜燃料电池综合系统极具技术优势，产业化前景广阔。该系统研发重点主要涉及四部分，即高效制氢催化剂开发、小型化反应器研制、燃料电池堆测试与控制、以及原位制氢燃料电池系统集成。其中，原位制氢燃料电池系统集成聚焦制氢模块与燃料电池模块在辅助设备测控条件下的高效耦合和稳定运行，是突破首台套原位制氢燃料电池关键设备研制的必要条件，也是实现该系统在不同场景下工程应用的前提条件。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种原位制氢燃料电池系统，该系统包括制氢单元和燃料电池，能够利用常规液体燃料蒸汽重整制取富氢气，且该富氢气无需纯化，可以直接供给燃料电池发电供热。该电池系统的工作流程简单、操作便捷、运行高效稳定，可实现小型化、模块化和信息化等功能。

为了达到上述目的，本发明提供了一种原位制氢燃料电池系统，包括制氢单元和燃料电池，所述制氢单元包括燃烧器、汽化器和重整器；所述汽化器设有原料入口、热介质入口、蒸汽出口和热介质出口，所述重整器内部设有连通的蒸汽重整反应段和一氧化碳脱除段；所述燃烧器的出口与汽化器的热介质入口连接，所述汽化器的蒸汽出口与重整器的入口连接，所述重整器的出口与燃料电池的阳极的入口连接，二者之间设有杂质传感器。

在上述原位制氢燃料电池系统中，优选地，所述原位制氢燃料电池系统还包括燃料罐，用于向燃烧器和汽化器供给燃料(一般为液体燃料，如甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、甲酸、乙酸中的一种或两种以上组合的混合溶液或混合水溶液)，所述燃料罐的出口分别与燃烧器的入口和汽化器的原料入口连接。在系统开机启动、需要将汽化器和重整器预热时，控制燃料罐的出口和燃烧器的入口连通，向燃烧器提供燃料以燃烧产热，燃烧器中产生的热量使汽化器和重整器升温，直至汽化器中的温度达到使原料汽化的程度、以及重整器的温度达到工作温度的程度。在系统稳定发电时，控制燃料罐的出口与汽化器的原料入口连通，使燃料在汽化器中汽化后进入重整器参与产氢。此时，燃烧器主要以燃料电池的阳极排出的未参与电化学反应(以下称：未反应)的富氢气为燃料，以保持燃烧器对汽化器和重整器供热。在一些实施方案中，所述燃料罐的出口与燃烧器的入口、汽化器的原料入口之间可以设有第一控制阀，用于控制燃料罐与燃烧器、汽化器之间的连通关系。所燃料罐与所述第一控制阀之间可以设有第一供热器，用于预热液体燃料，提高液体燃料的燃烧或汽化效果；相应地，燃料罐与第一供热器之间还可以设有泵。

在上述原位制氢燃料电池系统中，该原位制氢燃料电池系统可以采用纯净、不含杂质的氧化剂，如瓶装压缩空气等；也可以采用环境空气和/或氧气作为氧化剂，以提高系统使用的便捷性。在采用环境空气作为氧化剂时，所述原位制氢燃料电池系统一般包括过滤器，用于脱除氧化剂中的颗粒物、硫化物、氮氧化物等杂质，向燃烧器和燃料电池的阴极提供过滤后的氧化剂，延长燃料电池的使用寿命。

根据本发明的具体实施方案，所述过滤器可以设有与燃料电池的阴极的入口连接的第一出口、以及与燃烧器的入口连接的第二出口。所述过滤器的第二出口与燃烧器的入口之间可以设有第二供热器，用于预热氧化剂，提高燃烧效果；相应地，所述过滤器的第二出口与第二供热器之间还可以设有泵。

根据本发明的具体实施方案，所述过滤器的第一出口与燃料电池的阴极的入口之间可以设有第三供热器，用于预热由过滤器流向燃料电池的阴极的氧化剂、提高系统能效和燃料电池的运行稳定性；相应地，所述过滤器的第一出口与第三供热器之间还可以设有泵。

根据本发明的具体实施方案，所述制氢单元用于制备并向燃料电池的阳极提供富氢气。在制氢单元中，燃烧器用于进行燃烧反应，向汽化器和重整气供热；汽化器用于将使原料汽化，向重整器提供原料蒸汽；重整器用于进行蒸汽重整反应和一氧化碳脱除反应，生产富氢气。

根据本发明的具体实施方案，所述汽化器内部包括原料管路和热介质管路，汽化器的原料入口和蒸汽出口设于原料管路，汽化器的热介质入口和热介质出口设于热介质管路。

根据本发明的具体实施方案，所述重整器的蒸汽重整反应段可以设有温度传感器，用于监测重整制氢反应的温度。

根据本发明的具体实施方案，所述重整器的一氧化碳脱除段可以装填甲烷化催化剂和/或优先氧化催化剂，用于将重整反应得到富氢气中的一氧化碳转化为甲烷，同时保持极低的二氧化碳转化率，以降低氢气的消耗量。

在本发明的具体实施方案中，当一氧化碳脱除段装填有优先氧化剂时，需要向重整器中注入氧化剂以配合反应的进行。此时，所述过滤器可以设有第三出口，所述过滤器的第三出口可以与重整器的入口连接，按预设流量将氧化剂注入重整器中。相应地，所述过滤器的第三出口与重整器的入口之间还可以设有泵。

在上述原位制氢燃料电池系统中，所述传感器用于监测富氢气中的一氧化碳浓度并保证燃料电池稳定运行。

根据本发明的具体实施方案，所述重整器的出口可以分别与燃料电池的阳极的入口、燃烧器的入口连接。当杂质传感器监测重整器输出的富氢气中的一氧化碳浓度低于或等于设定值时，控制重整器的出口与燃料电池的阳极的入口连通，富氢气进入燃料电池的阳极中参与电化学反应产生电能和热能；当杂质传感器监测富氢气中的一氧化碳浓度高于设定值时，控制重整器的出口与燃烧器的入口连通，富氢气进入燃烧器中燃烧。重整器的出口与燃料电池阳极、燃烧器之间可以设有第二控制阀，此时所述杂质传感器与位于重整器与第二控制阀之间。杂质传感器控制第二控制阀的切换，第二控制阀用于控制重整器与燃料电池的阳极连接、或是重整器与燃烧器连接。

根据本发明的具体实施方案，所述重整器的出口与燃料电池的阳极的入口之间可以设有第一水气分离器，用于脱除重整器产出的富氢气中的水分，避免过量水进入燃料电池的阳极造成水淹和燃料电池性能衰减的现象。第一水气分离器可以位于重整器与第二控制阀之间，第二控制阀控制第一水气分离器的出口与燃料电池的阳极出口、燃烧器的出口之间的连通关系。所述第一水气分离器的入口与重整器的出口之间还可以设有第一换热器，该第一换热器可以与任意低温热负荷连接，使富氢气降温至合适的温度后再进入燃料电池的阳极参与电化学反应，避免高温富氢气将燃料电池加热到工作温度以上。

根据本发明的具体实施方案，所述燃料电池还可以设有温度传感器，用于监测燃料电池的运行温度。

根据本发明的具体实施方案，所述燃料电池还可以连接有第三换热器，该第三换热器可以与任意低温热负荷连接，通过换热，冷却燃料电池，使其在适宜的温度区间运行。

根据本发明的具体实施方案，所述燃料电池的阴极的出口还可以连接有第二水气分离器，用于将未参与电化学反应的氧化剂脱水。第二水气分离器内部可以设有过滤装置用于净化冷凝水。第二水气分离器的气体出口可以设有排空通道。在系统开机启动、需要预热时，所述第二水气分离器的气体出口还可以与汽化器的原料入口连接，以便将脱水后的气体输送至汽化器的原料入口，使气体依次流经汽化器和重整器，再进入燃料电池的阳极进行预热或吹扫滞留的氧化性气体(例如燃料电池在停止发电时残留的氧化剂、以及因不完全密封渗透进入的空气)。如果燃料电池内部具有换热管路，也可通入部分高温气体(例如燃烧器中的燃烧尾气)用于预热整个燃料电池。在系统稳定发电时，所述第二水气分离器的气体出口通过排空通道将脱水后的未反应的氧化剂(除氧气外，主要含有二氧化碳和氮气)排入大气。所述第二水气分离器的气体出口与汽化器的原料入口、第二水气分离器的排空通道之间设有第三控制阀，以实现第二水气分离器的气体出口与汽化器的原料入口、排空通道之间连通关系的切换。

根据本发明的具体实施方案，所述第二水气分离器的入口与燃料电池的阴极的出口之间可以设有第二换热器，该第二换热器可以与任意低温热负荷连接，用于使燃料电池的阴极排出的未反应的氧化剂降温。

根据本发明的具体实施方案，所述第二水气分离器的入口可以与汽化器的热介质出口连接，用于将汽化器的热介质管路中的气体排入第二水气分离器中。

根据本发明的具体实施方案，所述汽化器的热介质出口与燃料电池的阴极和第二水气分离器之间的通道连接；当燃料电池的阴极的出口与第二水气分离器之间设有第二换热器时，所述汽化器的热介质出口还可以与燃料电池的阴极和第二换热器之间的通道连接，使汽化器热介质管路中排出的气体与燃料电池的阴极排出的气体汇合，然后经过换热进入第二水气分离器中。

根据本发明的具体实施方案，所述燃料电池的阳极的出口可以与燃烧器的入口连接，所述燃料电池的阳极的出口一般还设有排空通道。在系统开机预热时，阳极的出口通过该排空通道将阳极中未反应的富氢气直接排入大气；在系统稳定发电时，阳极的出口与燃烧器的入口连接，将燃料电池的阳极未反应的富氢气作为燃烧器的燃料，提高气体利用效率。所述燃料电池的阳极的出口与燃烧器的入口、排空通道之间可以设有第四控制阀，以实现燃料电池的阳极的出口与排空管通道、燃烧器入口之间连通关系的切换。

根据本发明的具体实施方案，所述燃料电池的阳极的出口与第四控制阀之间还可以设有第三水气分离器，用于对富氢气脱水，第三水气分离器内部可以设有过滤装置用于净化冷凝水。所述燃料电池的阳极的出口与第三水气分离器的入口之间还可以设有第四换热器。此时第四控制阀控制第三水气分离器的气体出口与燃烧器的入口、排空通道之间的连通关系。

在上述原位制氢燃料电池系统中，优选地，所述原位制氢燃料电池系统还包括水箱，所述水箱用于收集第一水气分离器、第二水气分离器、第三水气分离器中的至少一个所分离出的水，并向汽化器供水。在本发明的具体实施方案中，所述水箱的入口可以与第一水气分离器的出口、第二水气分离器的水出口、第三水气分离器的水出口中的至少一个连通；所述水箱的出口还可以与汽化器的原料入口连接，将水箱收集的水输送至汽化器中循环利用。

根据本发明的具体实施方案，所述水箱的出口与汽化器的原料入口之间可以设有第四供热器，用于预热水箱向汽化器提供的水，相应地，所述水箱和第四供热器之间还可以设有泵。

根据本发明的具体实施方案，所述水箱的出口可以与燃料电池的阴极的入口相连。所述水箱的出口与燃料电池的阴极的入口之间还可以设有蒸发器，水箱的出口、蒸发器、燃料电池的阴极的入口依次连接，使水箱中的水先经过蒸发器转化为水蒸气后通入燃料电池的阴极中，用以提高燃料电池的阴极湿度。

在本发明的具体实施方案中，所述蒸发器可以与过滤器的第一出口和燃料电池的阴极的入口之间的通道连接。当过滤器的第一出口与燃料电池的阴极的入口之间设有第三供热器时，所述蒸发器还可以与第三供热器和燃料电池的阴极之间的通道连接，使水蒸气与过滤器中输出的氧化剂混合、然后进入燃料电池的阴极参与电化学反应。在一些实施方案中，所述水箱和蒸发器之间可以设有泵，蒸发器还可以与第一换热器相连，以实现系统中热量的循环利用。

在本发明的具体实施方案中，所述水箱一般设有排水口，当水箱的水累积超过设定值时，可将过量的水排出；同时，所述水箱可以设有过滤净化装置，以便对进入水箱的水进行过滤和净化。

在上述原位制氢燃料电池系统中，第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器、第一供热器、第二供热器、第三供热器和第四供热器构成热交换系统。其中，第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器可以分别与其它低温热负荷连接，用于将流经换热器的气体或液体降温，同时实现对外部系统的供热；第一供热器、第二供热器、第三供热器、第四供热器可以分别与高温热源连接，例如可以选择任何一级换热器或多级换热器组合。优选地，第一供热器、第二供热器、第三供热器、第四供热器中的至少一个与第一换热器、第二换热器和第三换热器中的至少一个连接，实现系统内部热量的循环利用。

本发明的有益效果在于：

1、本发明提供的原位制氢燃料电池系统能够利用常规液体燃料经蒸汽重整制取富氢气，且该富氢气无需纯化直接供给燃料电池发电供热。工作流程简单、操作便捷、运行高效稳定，可实现小型化、模块化和信息化等功能。同时，原位制氢燃料电池系统中包含的传感器(如杂质传感器、温度传感器等)、控制阀、计量泵等部件均通过中央控制模块(如PLC等)测控，可由外网实现信息的流通，以实现用户对该设备的检测控制，可实现信息化的功能。

2、本发明提供的原位制氢燃料电池系统能够实现系统内部水的循环利用，无需外部注入，只需要注入液体燃料，能够大幅提高系统能量密度、扩大设备适用范围。

3、本发明提供的原位制氢燃料电池系统通过对热量的管理，能够显著提高系统的整体效能，实现对外供热等功能。

4、本发明提供的原位制氢燃料电池系统适合用作电动交通动力系统，备用或便携电源装置，以及分布式热电联供系统等。

附图说明

图1为实施例1的原位制氢燃料电池系统结构示意图。

图2为实施例2的原位制氢燃料电池系统结构示意图。

符号说明

燃料罐1，水箱2，制氢单元3，汽化器3a，重整器3b，燃烧器3c，燃料电池堆4，阳极4a，阴极4b，过滤器5，第二水气分离器6，第一水气分离器7，第三水气分离器8，第四供热器9，第一供热器10，第一换热器11，第三供热器12，第二供热器13，第三换热器14，第二换热器15，第四换热器16，温度传感器17、18，杂质传感器19，三通阀20-23，燃料泵24，水泵25、水泵26，空气泵27-29，蒸发器30。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。

实施例1

本实施例提供了一种原位制氢燃料电池系统，其结构示意图如图1所示。该燃料电池系统包括燃料罐1、水箱2、制氢单元3、燃料电池堆4(即燃料电池)、过滤器5，其中，制氢单元3包括汽化器3a、重整器3b和燃烧器3c。

燃料罐1用于提供液体燃料，其通过三通阀20分别向汽化器3a和燃烧器3c输送燃料(例如甲醇溶液)，燃烧罐1与三通阀20之间依次设置燃料泵24和第一供热器10。

过滤器5用于向燃烧器3c和燃料电池堆4的阴极4b提供过滤净化后的氧化剂(例如空气和/或氧气)。过滤器5的第一出口与燃料电池堆4的阴极4b的出口连接，二者之间依次设置空气泵27和第三供热器12，用于预热流向燃料电池堆4的阴极4b的氧化剂。过滤器5的第二出口与燃烧器3c的入口相连，二者之间依次设有空气泵28和第二供热器13，用于预热流向燃烧器3c的氧化剂。

燃烧器3c用于进行燃烧反应，以向重整器3b和汽化器3a供热。燃烧器3c与重整器3b紧密接触，燃烧器3c燃烧产生的热量可以使重整器3b升温至设定的工作温度；燃烧器3c的出口与汽化器3a的热介质入口相连，燃烧产生的高温气体通入汽化器3a的热介质管路中，以使汽化器3a中的原料升温、汽化。

汽化器3a用于对制氢原料(一般为液体，如甲醇等)进行汽化。汽化器3a内部设有用于容纳高温气体的热介质管路和容纳原料的原料管路，热介质管路设有热介质入口和热介质出口，原料管路设有原料入口和蒸汽出口。汽化器3a的原料入口与燃料罐1(输送甲醇)的出口以及水箱2(输送水)的出口连接。汽化器3a和水箱2之间设置水泵25和第四供热器9，使水箱2中的水经预热后进入汽化器3a的原料管路中。汽化器3a的蒸汽出口与重整器3b的入口相连，汽化器原料管路中的液体原料和水与热介质管路中的高温气体热交换后被汽化为原料蒸汽，进入重整器3b中。

重整器3b用于重整制氢、生产富氢气。重整器3b内部设有依次连通的蒸汽重整反应段和一氧化碳脱除段，蒸汽重整反应段装填醇类蒸汽重整催化剂(如甲醇蒸汽重整催化剂)，一氧化碳脱除段装填甲烷化催化剂和/或优先氧化催化剂。当一氧化碳脱除段装填有优先氧化催化剂时，重整器3b的入口还与过滤器5的第三出口相连，二者之间设置空气泵29，用于向重整器3b输送氧化剂、配合优先氧化催化剂进行一氧化碳脱除。重整器3b的蒸汽重整反应段内部还设有温度传感器17，用于监测重整器3b的温度。重整器3b的出口与燃料电池堆4的阳极4a相连，二者之间依次设置有第一换热器11、第一水气分离器7和杂质传感器19。第一水气分离器7的出口、燃料电池堆4的阳极4a的入口和燃烧器3c的入口通过三通阀21连接，同时，第一水气分离器7的出口还与水箱2的入口连通。由汽化器3a通入的原料蒸汽在重整器3b中先后发生蒸汽重整和一氧化碳脱除，生成富氢气。富氢气由重整器3b出口排出、经过第一换热器11被冷却，再经过第一水气分离器7被脱水(分离出的水进入水箱2中)，然后由杂质传感器19监测富氢气中一氧化碳的含量。当一氧化碳含量低于等于设定值时，切换三通阀21使第一水气分离器7的出口与燃料电池堆4的阳极4a的入口连接，富氢气进入燃料电池堆4的阳极4a中；当一氧化碳含量高于设定值时，切换三通阀21使第一水气分离器7的出口与燃烧器3c的入口连接，富氢气进入燃烧器3c中燃烧。

在燃料电池堆4中，阳极4a中的富氢气和阴极4b中的氧化剂发生电化学反应以产生电能并放热。燃料电池堆4内部设有温度传感器18，用于监测燃料电池堆4的工作温度；同时还设有第三换热器14，通过换热冷却保证燃料电池堆4在适宜温度区间内运行。燃料电池堆4的阳极4a的出口、燃烧器3c的入口和第一排空通道通过三通阀22连通，燃料电池堆4的阳极4a排出的富氢气中未参与电化学反应的气体可以通入燃烧器3c燃烧，或者直接排入大气中。燃料电池堆4的阴极4b的出口与水箱2的入口连接，二者之间依次设有第二换热器15、第二水气分离器6。第二水气分离器6的气体出口与第二排空通道、汽化器3a的热介质入口通过三通阀23连接。汽化器3a的的热介质出口与燃料电池堆4的阴极4b和第二换热器15之间的通道连接。燃料电池堆4的阴极4b排出的未参与电化学反应的氧化剂与汽化器3a中排出的热交换后的气体汇合后经过第二换热器15被冷却，经过第二水气分离器6后将水和气体分离。分离出的水进入水箱2，分离出的气体可以进入汽化器3a的热介质入口，也可以通过第二排空通道直接排入大气中。

水箱2用于收集第一水气分离器7、第二水气分离器6中分离出的水。水箱2内部设有排水口，当内部储水量高过设定值时可将过量的水排出。水箱2内还设有过滤净化装置，对进入水箱2的水进行净化。当通入燃料电池堆4的阴极4b的氧化剂需要加湿时，水箱2也可以依次连接有水泵26和蒸发器30，蒸发器30与第三供热器12和燃料电池堆4的阴极4b的入口之间的通道连通，使水箱2中的水先流入蒸发器30中蒸发，得到的水蒸气与预热后的氧化剂汇合后进入燃料电池堆4的阴极4b中参与电化学反应。

在上述原位制氢燃料电池系统中，第一换热器11、第二换热器15、第三换热器14可以与低温热负荷连接。第一供热器10、第二供热器13、第三供热器12和第四供热器9可以与高温热源连接，如一级换热器和多级换热器的组合。优选将上述供热器中的至少一个与第一换热器11、第二换热器15和/或第三换热器14连接，以实现系统内部热量的高效利用。

上述原位制氢燃料电池系统的工作过程如下：

一、开机预热：

切换三通阀20使燃料罐1的出口与燃烧器3c的入口连接，切换三通阀22使燃料电池堆4的阳极4a与第一排空通道连接，切换三通阀23使第二水气分离器6的气体出口与汽化器3a的原料入口连接；优选将第一供热器10、第二供热器13分别与第一换热器11和/或第二换热器15连接。

燃料罐1的液体燃料以及过滤器5的氧化剂，分别经预热进入燃烧器3c中，二者发生燃烧反应并放热。燃烧放出的热量使重整器3b升温，燃烧产生的高温燃烧尾气进入汽化器3a的热介质管路中，使汽化器3a升温，再由热介质出口排出，经过第二换热器15进入第二水气分离器6中脱水，此时第二换热器15降低换热强度或停止换热工作，使燃烧尾气维持高温状态。脱水后的燃烧尾气再进入汽化器3a的原料入口，依次经过汽化器3a、重整器3b和燃料电池堆4的阳极4a，对原位制氢燃料电池系统进行预热和吹扫。燃烧尾气预热阳极4a后，由阳极4a的出口排出，经过三通阀22和第一排空通道放空。如果燃料电池堆4的内部具有换热管路，该燃烧尾气也可以通入换热管路，使整个燃料电池堆4升温，冷却后的燃烧尾气由换热管路出口直接排空。

在向燃料电池堆4的阳极4a通入燃烧尾气时，还可以同时向阴极4b通入预热的氧化剂，从而加快燃料电池堆4的预热速度。

二、稳定发电：

当系统的温度达到设定的工作温度时，开始稳定发电。此时切换三通阀20使燃料罐1的出口与汽化器3a的原料入口连接，切换三通阀22使燃料电池堆4的阳极4a的出口与燃烧器3c的入口连接，切换三通阀23使第二水气分离器6的气体出口与第二排空通道连接，优选将第一供热器10、第二供热器13、第三供热器12、第四供热器9分别与第一换热器11、第二换热器15和/或第三换热器14连接。此时，具体的系统工作过程如下：

1、燃烧、汽化：燃烧器3c以燃料电池堆4的阳极4a排出的未反应的气体为主要原料进行燃烧产热，使汽化器3a和重整器3b升温。燃烧产生的高温燃烧尾气进入汽化器3a中的热介质管路中。同时，水箱2提供的水和燃料罐1提供的液体燃料进入汽化器3a的原料管路。汽化器3a的热介质管路中高温的燃烧尾气与原料管路中的水和液体燃料发生热交换，升温后的水和液体燃料形成原料蒸汽，通过蒸汽出口进入重整器3b中；冷却后的高温燃烧尾气则沿热介质出口排出汽化器3a，经过第二换热器15被冷却、再经过第二水气分离器6脱水后被排入大气中。

2、产氢：燃料蒸汽在重整器3b中先发生重整反应，生成混合气，再进行一氧化碳脱除，得到富氢气。富氢气由重整器3b的出口排出，经过换热、水气分离后，由杂质传感器19监测其中的一氧化碳含量。当一氧化碳含量低于等于设定值时，切换三通阀21使重整器3b的出口与燃料电池堆4的阳极4a连通，富氢气进入燃料电池堆4的阳极4a；当一氧化碳含量高于设定值时，切换三通阀21使重整器3b的出口与燃烧器3c的入口连通，富氢气进入燃烧器3c中燃烧。

3、发电：过滤器5中的氧化剂经过滤、预热进入燃料电池堆4阴极4b，与燃料电池堆4的阳极4a中的富氢气发生电化学反应发电。电化学反应后，燃料电池堆4的阳极4a中未反应的富氢气由燃料电池堆4的阳极4a输送至燃烧器3c参与燃烧反应。未发生反应的氧化剂由燃料电池堆4的阴极4b的出口排出、经过第二换热器15冷却和第二水气分离器6脱水后排入大气，第二水气分离器6分离出的水进入水箱2中，在水泵25的作用下经由第四供热器9预热，进入汽化器中3a的原料入口中，实现原位制氢燃料电池系统中水的循环利用。

实施例2

本实施例提供了一种原位制氢燃料电池系统，图2为该原位制氢燃料电池系统的结构示意图。如图2所示，其是在实施例1的原位制氢燃料电池系统基础上进行了以下改进：

燃料电池堆4的阳极4a的出口与燃烧器3c的入口之间依次设有第四换热器16和第三水气分离器8，第三水气分离器8的气体出口通过三通阀22与燃烧器3c的入口和第一排空通道连通。第三水气分离器8的水出口可以与水箱2的入口连通。第四换热器16可以与低温热负荷连接，也可以与系统内部的供热器连接，以实现原位制氢燃料电池系统内部热量的高效利用。

本实施例提供的原位制氢燃料电池系统的工作过程与实施例1的原位制氢燃料电池系统工作过程大致相同，区别在于：

在本实施例的原位制氢燃料电池系统中，当系统处于开机预热状态时，燃料电池堆4的阳极4a中的燃料尾气(由燃烧器3c产生)由燃料电池堆4的阳极4a的出口排出，并依次经过第四换热器16冷却和第三水气分离器8脱水后，排入大气中；当系统处于稳定发电状态时，燃料电池堆4的阳极4a中未参与反应的气体由阳极4a的出口排出，并依次经过第四换热器16冷却和第三水气分离器8脱水后，进入燃烧器3c中参与燃烧反应。

Claims (50)

1.一种原位制氢燃料电池系统，包括制氢单元和燃料电池，所述制氢单元包括燃烧器、汽化器和重整器；

所述汽化器设有原料入口、热介质入口、蒸汽出口和热介质出口，所述重整器内部设有连通的蒸汽重整反应段和一氧化碳脱除段；

所述燃烧器的出口与汽化器的热介质入口连接，所述汽化器的蒸汽出口与重整器的入口连接，所述重整器的出口与燃料电池的阳极的入口相连，且二者之间设有杂质传感器；所述重整器的出口与燃烧器的入口连接。

2.根据权利要求1所述的原位制氢燃料电池系统，其中，所述原位制氢燃料电池系统还包括燃料罐，所述燃料罐的出口分别与燃烧器的入口、汽化器的原料入口连接。

3.根据权利要求2所述的原位制氢燃料电池系统，其中，所述燃料罐的出口与燃烧器的入口、汽化器的原料入口之间设有第一控制阀。

4.根据权利要求3所述的原位制氢燃料电池系统，其中，所燃料罐与所述第一控制阀之间设有第一供热器。

5.根据权利要求1-4任一项所述的原位制氢燃料电池系统，其中，所述原位制氢燃料电池系统还包括过滤器，所述过滤器设有与燃料电池的阴极的入口连接的第一出口、以及与燃烧器的入口连接的第二出口。

6.根据权利要求5所述的原位制氢燃料电池系统，其中，所述过滤器的第二出口与燃烧器的入口之间设有第二供热器。

7.根据权利要求5所述的原位制氢燃料电池系统，其中，所述过滤器的第一出口与燃料电池的阴极的入口之间设有第三供热器。

8.根据权利要求1-4、6-7任一项所述的原位制氢燃料电池系统，其中，所述重整器的一氧化碳脱除段装填有甲烷化催化剂和/或优先氧化催化剂。

9.根据权利要求5所述的原位制氢燃料电池系统，其中，所述重整器的一氧化碳脱除段装填有甲烷化催化剂和/或优先氧化催化剂。

10.根据权利要求9所述的原位制氢燃料电池系统，其中，当所述一氧化碳脱除段装填优先氧化催化剂时，所述过滤器设有第三出口，所述重整器的入口还与过滤器的第三出口连接。

11.根据权利要求1-4、6-7任一项所述的原位制氢燃料电池系统，其中，所述重整器的出口与燃料电池的阳极的入口、燃烧器的入口之间设有第二控制阀，所述杂质传感器位于重整器与第二控制阀之间。

12.根据权利要求5所述的原位制氢燃料电池系统，其中，所述重整器的出口与燃料电池的阳极的入口、燃烧器的入口之间设有第二控制阀，所述杂质传感器位于重整器与第二控制阀之间。

13.根据权利要求11所述的原位制氢燃料电池系统，其中，所述重整器的出口与燃料电池的阳极的入口之间设有第一水气分离器。

14.根据权利要求12所述的原位制氢燃料电池系统，其中，所述重整器的出口与燃料电池的阳极的入口之间设有第一水气分离器。

15.根据权利要求13或14所述的原位制氢燃料电池系统，其中，所述重整器的出口与第一水气分离器的入口之间设有第一换热器。

16.根据权利要求1-4、6-7任一项所述的原位制氢燃料电池系统，其中，所述燃料电池的阴极的出口还连接有第二水气分离器。

17.根据权利要求5所述的原位制氢燃料电池系统，其中，所述燃料电池的阴极的出口还连接有第二水气分离器。

18.根据权利要求16所述的原位制氢燃料电池系统，其中，所述燃料电池的阴极的出口与所述第二水气分离器的入口之间设有第二换热器。

19.根据权利要求17所述的原位制氢燃料电池系统，其中，所述燃料电池的阴极的出口与所述第二水气分离器的入口之间设有第二换热器。

20.根据权利要求16所述的原位制氢燃料电池系统，其中，所述第二水气分离器的气体出口设有排空通道。

21.根据权利要求17所述的原位制氢燃料电池系统，其中，所述第二水气分离器的气体出口设有排空通道。

22.根据权利要求16所述的原位制氢燃料电池系统，其中，所述第二水气分离器的气体出口还与汽化器的原料入口连接。

23.根据权利要求17所述的原位制氢燃料电池系统，其中，所述第二水气分离器的气体出口还与汽化器的原料入口连接。

24.根据权利要求20或21所述的原位制氢燃料电池系统，其中，所述第二水气分离器的气体出口还与汽化器的原料入口连接。

25.根据权利要求24所述的原位制氢燃料电池系统，其中，所述第二水气分离器的气体出口与汽化器的原料入口、第二水气分离器的排空通道之间设有第三控制阀。

26.根据权利要求16所述的原位制氢燃料电池系统，其中，所述汽化器的热介质出口与第二水气分离器的入口连接。

27.根据权利要求17-23、25任一项所述的原位制氢燃料电池系统，其中，所述汽化器的热介质出口与第二水气分离器的入口连接。

28.根据权利要求24所述的原位制氢燃料电池系统，其中，所述汽化器的热介质出口与第二水气分离器的入口连接。

29.根据权利要求26或28所述的原位制氢燃料电池系统，其中，所述汽化器的热介质出口与燃料电池的阴极和第二水气分离器之间的通道连接。

30.根据权利要求27所述的原位制氢燃料电池系统，其中，所述汽化器的热介质出口与燃料电池的阴极和第二水气分离器之间的通道连接。

31.根据权利要求26或28所述的原位制氢燃料电池系统，其中，当燃料电池的阴极的出口与第二水气分离器的入口之间设有第二换热器时，所述汽化器的热介质出口与燃料电池的阴极和第二换热器之间的通道连接。

32.根据权利要求27所述的原位制氢燃料电池系统，其中，当燃料电池的阴极的出口与第二水气分离器的入口之间设有第二换热器时，所述汽化器的热介质出口与燃料电池的阴极和第二换热器之间的通道连接。

33.根据权利要求1-4、6-7任一项所述的原位制氢燃料电池系统，其中，所述燃料电池的阳极的出口与燃烧器的入口连接。

34.根据权利要求5所述的原位制氢燃料电池系统，其中，所述燃料电池的阳极的出口与燃烧器的入口连接。

35.根据权利要求33所述的原位制氢燃料电池系统，其中，所述燃料电池的阳极的出口还设有排空通道。

36.根据权利要求34所述的原位制氢燃料电池系统，其中，所述燃料电池的阳极的出口还设有排空通道。

37.根据权利要求33所述的原位制氢燃料电池系统，其中，所述燃料电池的阳极的出口与燃烧器的入口、阳极的排空通道之间设有第四控制阀。

38.根据权利要求34所述的原位制氢燃料电池系统，其中，所述燃料电池的阳极的出口与燃烧器的入口、阳极的排空通道之间设有第四控制阀。

39.根据权利要求37或38所述的原位制氢燃料电池系统，其中，所述燃料电池的阳极的出口和第四控制阀之间设有第三水气分离器。

40.根据权利要求39所述的原位制氢燃料电池系统，其中，所述燃料电池的阳极的出口与第三水气分离器的入口之间还设有第四换热器。

41.根据权利要求1-4、6-7任一项所述的原位制氢燃料电池系统，其中，所述原位制氢燃料电池系统还包括水箱，所述水箱用于收集第一水气分离器、第二水气分离器、第三水气分离器中的至少一个所分离出的水，所述水箱的出口与所述汽化器的原料入口连接。

42.根据权利要求5所述的原位制氢燃料电池系统，其中，所述原位制氢燃料电池系统还包括水箱，所述水箱用于收集第一水气分离器、第二水气分离器、第三水气分离器中的至少一个所分离出的水，所述水箱的出口与所述汽化器的原料入口连接。

43.根据权利要求41所述的原位制氢燃料电池系统，其中，所述水箱的出口与汽化器的原料入口之间设有第四供热器。

44.根据权利要求42所述的原位制氢燃料电池系统，其中，所述水箱的出口与汽化器的原料入口之间设有第四供热器。

45.根据权利要求41所述的原位制氢燃料电池系统，其中，所述水箱的出口与燃料电池的阴极的入口相连。

46.根据权利要求42所述的原位制氢燃料电池系统，其中，所述水箱的出口与燃料电池的阴极的入口相连。

47.根据权利要求45或46所述的原位制氢燃料电池系统，其中，所述水箱的出口与燃料电池的阴极的入口之间设有蒸发器。

48.根据权利要求47所述的原位制氢燃料电池系统，其中，所述蒸发器与过滤器的第一出口和燃料电池的阴极的入口之间的通道连接，当所述过滤器的第一出口与燃料电池的阴极的入口之间设有第三供热器时，所述蒸发器与第三供热器和燃料电池的阴极之间的通道连接。

49.根据权利要求1-4、6-7任一项所述的原位制氢燃料电池系统，其中，所述燃料电池设有温度传感器和/或第三换热器。

50.根据权利要求5所述的原位制氢燃料电池系统，其中，所述燃料电池设有温度传感器和/或第三换热器。

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