CN112382778A - 一种甲醇重整燃料电池水回收系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种甲醇重整燃料电池水回收系统及方法，方法包括：甲醇水容器、控制装置、以及分别与控制装置电连接的第一柱塞泵、第二柱塞泵、第一进液泵和第一流量计；甲醇水容器与第一进液泵通过管道连接，第一流量计设置在管道的内壁上；甲醇水容器的上端设置有两个输入端和一个输出端，其中两个输入端包括第一输入端和第二输入端；输出端与第一进液泵的输出端连接；第一输入端与第一柱塞泵的输出端连接；第二输入端与第二柱塞泵的输出端连接；第二柱塞泵的输入端与燃料电池水箱的输出端连接。本发明提供一种甲醇重整燃料电池水回收系统，能够对甲醇重整燃料电池的反应生成水进行回收利用，从而提高水资源的利用率。

Description

一种甲醇重整燃料电池水回收系统及方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种甲醇重整燃料电池水回收系统及方法。

背景技术

目前质子交换膜燃料电池生成的水基本都是直接外排，如丰田的Mirai氢燃料电池汽车，在车载上设计了一个专门储存燃料电池反应生成水的储水罐，通过按下车内开关将反应生成水从储水罐排出到车外。现有技术无法对甲醇重整燃料电池的反应生成水进行回收利用，导致水资源的利用率较低。

发明内容

本发明提供一种甲醇重整燃料电池水回收系统及方法，以解决现有的甲醇重整燃料电池水回收系统无法对燃料电池的反应生成水进行回收利用，导致水资源的利用率较低。

本发明的实施例提供了一种甲醇重整燃料电池水回收系统，包括：

甲醇水容器、控制装置、以及分别与所述控制装置电连接的第一柱塞泵、第二柱塞泵、第一进液泵和第一流量计；

所述甲醇水容器与所述第一进液泵通过管道连接，所述第一流量计设置在所述管道的内壁上；

所述甲醇水容器的上端设置有两个输入端和一个输出端，其中所述两个输入端包括第一输入端和第二输入端；

所述输出端与所述第一进液泵的输出端连接；所述第一输入端与所述第一柱塞泵的输出端连接；所述第二输入端与所述第二柱塞泵的输出端连接；所述第二柱塞泵的输入端与燃料电池水箱的输出端连接。

进一步地，所述第一柱塞泵的输入端与甲醇存储装置的第一输出端连接。

进一步地，还包括与所述控制装置电连接的第二进液泵，所述第二进液泵的输入端与所述甲醇存储装置的第二输出端连接，所述第二进液泵的输出端与燃料室进液口连接。

进一步地，还包括与所述控制装置电连接的第二流量计，所述第二流量计设置在所述甲醇存储装置与所述第二进液泵之间的管道壁上。

进一步地，所述第一柱塞泵和所述第二柱塞泵包括但不限于无阀柱塞泵。

本发明的第二实施例提供了一种甲醇重整燃料电池水回收方法，在所述甲醇重整燃料电池水回收系统中执行，所述甲醇重整燃料电池水回收方法，包括：

设置目标配比浓度，根据所述目标配比浓度计算所述第一进液泵对应的第一目标进液量，以及计算所述第二进液泵对应的第二目标进液量；

根据所述第一目标进液量和测定常数，计算得到所述第一进液泵对应的第一频率值；根据所述第二目标进液量和测定常数，计算得到所述第二进液泵对应的第二频率值；

控制所述第一进液泵以所述第一频率值运行，并控制所述第二进液泵以所述第二频率值运行，得到所述目标配比浓度的甲醇水进液量。

进一步地，采用现场实测标定方法计算得到所述测定常数。

进一步地，在“得到所述目标配比浓度的甲醇水进液”之后，还包括：

根据所述第一流量计采集的第一流量值，控制所述第一进液泵的频率值。

本发明提供一种甲醇重整燃料电池水回收系统及方法，能够对燃料电池的反应生成水进行回收利用，与纯甲醇进行配比得到甲醇水，之后供给甲醇重整制氢模块反应，生成氢气供给燃料电池发电，有效地提高燃料电池水的利用率。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的一种甲醇重整燃料电池水回收系统的结构示意图；

图2是本发明第二实施例提供的一种甲醇重整燃料电池水回收方法的流程示意图；

图3是本发明实施例提供的无阀柱塞泵吐出量与频率的关系示意图；

图4是本发明实施例提供的无阀柱塞泵吐出量与频率的另一关系示意图。

其中，说明书附图中的附图标记如下：

1、甲醇水容器；2、第一柱塞泵；3、第二柱塞泵；4、第一进液泵；5、第一流量计；6、第二进液泵；7、第二流量计、8、燃料电池水箱；9、甲醇存储装置。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

请参阅图1，在本发明的第一实施例中，本发明的实施例提供了一种甲醇重整燃料电池水回收系统，包括：

甲醇水容器1、控制装置、以及分别与控制装置电连接的第一柱塞泵2、第二柱塞泵3、第一进液泵4和第一流量计5；在本发明实施例中，控制装置通过接收第一流量计5的反馈值，调整第一进液泵4的流量。

甲醇水容器1与第一进液泵4通过管道连接，第一流量计5设置在管道的内壁上；

甲醇水容器1的上端设置有两个输入端和一个输出端，其中两个输入端包括第一输入端和第二输入端；

输出端与第一进液泵4的输出端连接；第一输入端与第一柱塞泵2的输出端连接；第二输入端与第二柱塞泵3的输出端连接；第二柱塞泵3的输入端与燃料电池水箱8的输出端连接。

在本发明实施中，需要说明的是，甲醇重整制氢的主反应为：CH3OH+H2O＝CO2+3H2，氢燃料电池反应为：H2+1/2O2＝H2O。一般燃料电池的阳极过量系数基本都在1.3以上，意味着氢气有30％以上的剩余。根据化学反应式可以得知，1mol甲醇和1mol水反应可以生成3mol氢气，1mol氢气和0.5mol氧气反应可以生成1mol水。按阳极过量系数1.3为例，1mol甲醇可以生成3mol氢气，其中0.9mol氢气未参加反应(3mol*0.3)，只反应了2.1mol氢气，生产2.1mol水。这些生成水以液态水和气态水的形式并存。可见反应只需1mol水，而生成远不止1mol水，将燃料电池反应生成的水回收利用，和纯甲醇进行配比得到甲醇水的方案是可行的。

需要说明的是，柱塞泵每次吐出的量是固定的，即体积是固定的，在一种具体的实施例中，每秒1800个脉冲转一圈，一圈吐出量0至0.3mL(调整泵刻度)。即1600Hz转一圈，吐出0.3mL左右。通过保证柱塞泵的出口压力在泵的最高吐出压力范围内，固定柱塞泵的吐出量，即使出口后方的压力有波动也不会影响吐出量，从而提高柱塞泵抽取液体的可靠性和稳定性。

本发明实施例设置有第一柱塞泵2和第二柱塞泵3，分别吸取甲醇和水到甲醇水容器1中，并通过控制装置控制第一柱塞泵2和第二柱塞泵3的频率值，从而调整每一柱塞泵的吐出量，实现精确控制甲醇和水的配比量，得到目标配比浓度的甲醇水。本发明实施例通过第二柱塞泵3直接抽取燃料电池水箱8中的水，即对燃料电池电堆反应的水进行回收，且燃料电池水箱8中设置有去离子过滤装置，使第二柱塞泵3抽取的水为高纯去离子水。

本发明实施例将目标配比浓度的甲醇水利用第一进液泵4输送FPS进液口或燃烧室进液口，以实现FPS反应以及燃烧室燃烧，能够有效提高能源的利用率。

请参阅图1，第一柱塞泵2的输入端与甲醇存储装置9的第一输出端连接。在本发明实施中，第一柱塞泵2与甲醇存储装置9连接，将甲醇存储装置9中的纯甲醇吸取到甲醇水容器1中。

请参阅图1，燃料电池水回收系统还包括与控制装置电连接的第二进液泵6，第二进液泵6的输入端与甲醇存储装置9的第二输出端连接，第二进液泵6的输出端与燃料室进液口连接。

在本发明实施中，通过第二进液泵6将甲醇存储装置9中的纯甲醇直接吸取至甲醇重整部分的燃料室，使燃料室直接利用纯甲醇进行燃烧，避免燃料室使用甲醇水燃烧时，甲醇水的水份在燃烧时汽化吸热，带走大部分热量，导致能量利用率低的问题。

请参阅图1，燃料电池水回收系统还包括与控制装置电连接的第二流量计7，第二流量计7设置在甲醇存储装置9与第二进液泵6之间的管道壁上。

在本发明实施中，利用第二流量计7采集甲醇存储装置9传输至燃料室的甲醇流量，并根据第二流量计7采集甲醇流量调整第二进液泵6的频率，从而能够控制甲醇进入燃料室的流量，有效地提高能量的利用率。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，第一柱塞泵2和第二柱塞泵3包括但不限于无阀柱塞泵。

实施本发明实施例，具有以下有益效果：

本发明实施例第二柱塞泵3与燃料电池水箱8连接，直接抽取燃料电池水箱8的反应水与甲醇进行配比成甲醇水，实现了对燃料电池反应生成的水的回收利用，提高了水资源的利用率；本发明实施例分别通过第一柱塞泵2和第二柱塞泵3分别抽取甲醇和水配比成目标配比浓度的甲醇水，无需使用在外部配比好的甲醇水，降低了甲醇水的运输成本；本发明实施例通过第二进液泵6使燃料室能够直接使用纯甲醇进行燃烧，使得甲醇重整制氢模块的燃烧器不容易熄火，提高了燃料室的能量利用率，同时有利于提高系统的安全性。

请参阅图2，本发明的第二实施例提供了一种甲醇重整燃料电池水回收方法，在甲醇重整燃料电池水回收系统中执行，甲醇重整燃料电池水回收方法，包括：

S1、设置目标配比浓度，根据目标配比浓度计算第一进液泵4对应的第一目标进液量，以及计算第二进液泵6对应的第二目标进液量；

S2、根据第一目标进液量和测定常数，计算得到第一进液泵4对应的第一频率值；根据第二目标进液量和测定常数，计算得到第二进液泵6对应的第二频率值；

S3、控制第一进液泵4以第一频率值运行，并控制第二进液泵6以第二频率值运行，得到目标配比浓度的甲醇水进液。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，采用现场实测标定方法计算得到测定常数。

在本发明实施中，目标进液量与柱塞泵的关系式为：Y＝AX+B；

其中：Y为各个点的目标进液量；X为无阀柱塞泵的频率值

A、B为均测定常数，采取现场实测标定方法计算得到。

根据现场实际测定标定方法获得柱塞泵频率、总时间、吐出量和每分钟吐出量，并分析频率、总时间、吐出量和每分钟吐出量的相关关系，得到如下所示的柱塞泵指标表。

表1：柱塞泵各项指标关系表

根据柱塞泵各项指标的相关关系，计算得到A＝0.0091，B＝0.2895，即YY＝0.0091X+0.2895。

作为一种具体的实施方式，根据上述技术方案可以得到通过第二进液泵6抽取纯甲醇时第二进液泵6的频率和吐出量关系。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，在“得到目标配比浓度的甲醇水进液”之后，还包括：

根据第一流量计5采集的第一流量值，控制第一进液泵4的频率值。

本发明实施例除了可以实现任意浓度甲醇水配比，还可以根据燃料电池水箱8中电堆的发电功率调整进液量，以保证燃料电池水箱8中有足够的水保证电堆水循环。甲醇重整燃料电池的各功率点所需反应水和生成水的量如下表所示，以5KW燃料电池系统为例：

表2：甲醇重整燃料电池各功率点所需反应水和生成水的量的关系表

需要说明的是，上表中的水产生量是生成水的总量，其中包括了液态水和气态水。以甲醇：水质量比为50％：50％为例，当燃料电池系统发电功率为1KW时，控制装置检测到功率之后，调整柱塞泵的频率，使甲醇和水的吐出量均为8g/min。当燃料电池发电功率变化为2KW时，控制装置检测到功率变化后，调整柱塞泵的频率，使甲醇和水的吐出量均为15g/min。以此类推，可以实现配比甲醇水量跟随电堆功率变化，从而保证电堆水箱中的水量始终维持在安全水位值以上。请参阅图3，为本发明实施例提供的无阀柱塞泵吐出量与频率的关系示意图。请参阅图4，为本发明实施例提供的无阀柱塞泵吐出量与频率的另一关系示意图。

实施本发明实施例，具有以下有益效果：

本发明实施例第二柱塞泵3与燃料电池水箱8连接，直接抽取燃料电池水箱8的反应水与甲醇进行配比成甲醇水，实现了对燃料电池反应生成的水的回收利用，提高了水资源的利用率；本发明实施例分别通过第一柱塞泵2和第二柱塞泵3分别抽取甲醇和水配比成目标配比浓度的甲醇水，无需使用外部配比好的甲醇水，降低了甲醇水的运输成本；本发明实施例通过第二进液泵6使燃料室能够直接使用纯甲醇进行燃烧，使得燃烧器不容易熄火，提高了燃料室的能量利用率，有利于提高系统的安全性。

进一步，本发明实施例中控制装置通过设定目标配比浓度，并计算各个点的目标进液量，以计算每一柱塞泵的频率值，实现任意甲醇浓度配比的调整，以及总进液量随电堆发电功率的变化调整，从而保证燃料电池水箱8中的水始终在安全值以上，进一步提高燃料电池的水回收率。

需要指出的是，甲醇水容器1中的甲醇和水混合方式包括但不局限于：自然混合、外加机械结构搅拌混合等。

以上是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种甲醇重整燃料电池水回收系统，其特征在于，包括：

甲醇水容器、控制装置、以及分别与所述控制装置电连接的第一柱塞泵、第二柱塞泵、第一进液泵和第一流量计；

所述甲醇水容器与所述第一进液泵通过管道连接，所述第一流量计设置在所述管道的内壁上；

所述甲醇水容器的上端设置有两个输入端和一个输出端，其中所述两个输入端包括第一输入端和第二输入端；

所述输出端与所述第一进液泵的输出端连接；所述第一输入端与所述第一柱塞泵的输出端连接；所述第二输入端与所述第二柱塞泵的输出端连接；所述第二柱塞泵的输入端与燃料电池水箱的输出端连接。

2.如权利要求1所述的甲醇重整燃料电池水回收系统，其特征在于，所述第一柱塞泵的输入端与甲醇存储装置的第一输出端连接。

3.如权利要求2所述的甲醇重整燃料电池水回收系统，其特征在于，还包括与所述控制装置电连接的第二进液泵，所述第二进液泵的输入端与所述甲醇存储装置的第二输出端连接，所述第二进液泵的输出端与燃料室进液口连接。

4.如权利要求2所述的甲醇重整燃料电池水回收系统，其特征在于，还包括与所述控制装置电连接的第二流量计，所述第二流量计设置在所述甲醇存储装置与所述第二进液泵之间的管道壁上。

5.如权利要求1所述的甲醇重整燃料电池水回收系统，其特征在于，所述第一柱塞泵和所述第二柱塞泵包括但不限于无阀柱塞泵。

6.一种甲醇重整燃料电池水回收方法，其特征在于，在权利要求1-5任一项所述的甲醇重整燃料电池水回收系统中执行，所述甲醇重整燃料电池水回收方法，包括：

设置目标配比浓度，根据所述目标配比浓度计算所述第一进液泵对应的第一目标进液量，以及计算所述第二进液泵对应的第二目标进液量；

根据所述第一目标进液量和测定常数，计算得到所述第一进液泵对应的第一频率值；根据所述第二目标进液量和测定常数，计算得到所述第二进液泵对应的第二频率值；

控制所述第一进液泵以所述第一频率值运行，并控制所述第二进液泵以所述第二频率值运行，得到所述目标配比浓度的甲醇水进液。

7.如权利要求6所述的甲醇重整燃料电池回收方法，其特征在于，采用现场实测标定方法计算得到所述测定常数。

8.如权利要求6所述的甲醇重整燃料电池回收方法，其特征在于，在“得到所述目标配比浓度的甲醇水进液”之后，还包括：

根据所述第一流量计采集的第一流量值，控制所述第一进液泵的频率值。

Images