CN112993329B - 一种燃料电池高温尾气中水回用方法 - Google Patents

一种燃料电池高温尾气中水回用方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112993329B
CN112993329B CN201911276410.8A CN201911276410A CN112993329B CN 112993329 B CN112993329 B CN 112993329B CN 201911276410 A CN201911276410 A CN 201911276410A CN 112993329 B CN112993329 B CN 112993329B
Authority
CN
China
Prior art keywords
tail gas
water
temperature
gas
fuel cell
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201911276410.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112993329A (zh
Inventor
杨林林
田心瑶
孙公权
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Original Assignee
Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dalian Institute of Chemical Physics of CAS filed Critical Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority to CN201911276410.8A priority Critical patent/CN112993329B/zh
Publication of CN112993329A publication Critical patent/CN112993329A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112993329B publication Critical patent/CN112993329B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H01M8/04164—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal by condensers, gas-liquid separators or filters
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本发明提供了一种燃料电池高温尾气中水回用方法，并将其循环用作重整反应器原料的方法。核心创新是在高温尾气排出系统之前，通过压力调节装置调整尾气流经冷凝腔内的压力，同时选用适宜的冷却解质通过换热的方式降低尾气的温度，部分水冷凝后再借助上述通道与剩余尾气分离、最后回用给重整反应器。整个过程回收循环利用的水替代了系统原先所需补充的水，降低了系统原料的携带量，实现了燃料电池系统的质量功率密度的提高。

Description

一种燃料电池高温尾气中水回用方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种具有尾气处理系统的高温燃料电池系统。
背景技术
高温燃料电池是将化学能直接转化为电能的电池系统。电池系统包括燃料预处理的重整反应器、电池电堆、燃烧器及热管理系统。非气相燃料的高温质子交换膜燃料电池(如甲烷、甲醇、乙醇等)系统中重整反应器以水作为反应物来制取氢气。制得的氢又在电池电堆阳极发生氧化反应生成质子和电子，质子通过质子交换膜在阴极与氧气发生还原反应生成水，通常情况这部分水程气态会随尾气排出系统。然而对于燃料电池而言系统效率、功率密度等是燃料电池应用中的重要限制。水作为重整反应器的原料在燃料电池运行时需要持续不断的补充，但又连续的随尾气排出系统，这会导致总燃料利用率很低。燃料电池系统在追求高效率、高功率密度、高能量密度应用时存在瓶颈。因此考虑回收尾气中原本要排掉的水，循环利用这部分水，可以显著提高燃料电池系统质量功率密度。
发明内容
本发明提供了一种回收高温燃料电池系统外排尾气中水，并将其循环用作重整反应器原料的方法。核心创新是在高温尾气排出系统之前，通过压力调节装置调整尾气流经冷凝腔内的压力，同时选用适宜的冷却解质通过换热的方式降低尾气的温度，部分水冷凝后再借助上述通道与剩余尾气分离、最后回用给重整反应器。整个过程回收循环利用的水替代了系统原先所需补充的水，降低了系统原料的携带量，实现了燃料电池系统的质量功率密度的提高。
具体发明内容如下：
一种燃料电池高温尾气中水回用方法，采用的装置包括一气体压缩机、中空密闭的冷凝腔、背压阀，气体压缩机的进气口与燃料电池高温尾气出口相连，气体压缩机的压缩气出口与冷凝腔一端的气体进口相连，于冷凝腔另一端设有气体出口，于气体出口处设有背压阀；于冷凝腔设有温度传感器与背压阀做连锁控制；于冷凝腔外壁面上设有冷却介质夹套或缠绕有冷却介质流通管，冷却介质夹套或缠绕有冷却介质流通管两端分别与冷却介质储槽相连；于冷凝腔底部设有与冷凝腔内部相连通的水出口管，于冷凝腔下方设有一溢流槽，水出口管的下端伸入至作为液封的溢流槽内的液面以下，由溢流槽溢流出的水经管路流入燃料电池燃料重整反应器的燃料罐中；
具体过程为：燃料电池系统的高温尾气首先通过气体压缩机增压后进入冷凝腔中，伴随尾气穿过降温通道的过程，部分水被冷凝，冷凝下来的水经水出口管回到重整反应器原料罐；剩余尾气再经过后端压力调节装置(背压阀)后，排出系统放空。
温度传感器与背压阀做联锁控制是指：通过温度传感器输出的信号控制背压阀开度，进而调节冷凝腔内的压力。
所述气体压缩机、背压阀主要用作调节冷凝腔内部压力1.1～2.2atm之间。
所述冷凝腔采用间壁式换热形式为高温尾气降温，冷却介质满足不同温度、压力、换热量等条件下对传热速率要求，可选用甲醇、三甘醇、乙二醇水溶液、氢氟烃类HFCs中的一种或二种以上，控制冷凝腔出口的温度在25～90℃之间。
所述实现尾气中水的部分冷凝主要通过调整降温通道内的压力改变尾气的气液相平衡数据，再通过换热过程降低该降温通道内尾气温度低于当前压力下的露点温度，即可实现水的部分冷凝。
所述燃料电池高温尾气为燃料电池阴极尾气、为燃料电池燃料重整反应器供热的燃烧器出口尾气中的一种或二种以上。
本发明具有如下有益效果：
本发明同时提供一种可以实现气液分离的通道，在尾气降温通道的内部低点处设有冷凝液集液管道。在降温通道与集液管道连接端部处设有水封，防止尾气窜入集液管道。
附图说明
图1本发明流程简图
(1)燃料电池系统的高温尾气首先通过前端气体压缩机，然后进入上述气体冷凝腔中，伴随尾气穿过降温通道的过程，部分水被冷凝。冷凝下来的水经冷凝腔内部相连的出水管回到重整反应器原料罐。剩余尾气再经过背压阀后，排出系统。
(2)前端气体压缩机、后端背压阀这两处压力调节装置主要用作调节冷凝腔内部压力，冷凝腔内温度与背压阀做连锁控制。
(3)冷凝腔采用间壁式换热形式为高温尾气降温。
(4)实现尾气中水的部分冷凝主要通过：调整冷凝腔内的压力改变尾气的气液相平衡数据，再通过换热过程降低该降温通道内尾气温度低于当前压力下的露点温度，即可实现水的部分冷凝。
图2溢流槽水封剖面图
图中：1、气体压缩机出口，2、冷凝腔，3、背压阀进口，4、水出口，5、水出口管，6、重整反应器的燃料罐，7、冷凝水，8、冷却夹套。
具体实施方式
一种燃料电池高温尾气中水回用方法，采用的装置包括一气体压缩机、中空密闭的冷凝腔、背压阀，气体压缩机的进气口与燃料电池高温尾气出口相连，气体压缩机的压缩气出口与冷凝腔一端的气体进口相连，于冷凝腔另一端设有气体出口，于气体出口处设有背压阀；于冷凝腔设有温度传感器与背压阀做连锁控制；于冷凝腔外壁面上设有冷却介质夹套或缠绕有冷却介质流通管，冷却介质夹套或缠绕有冷却介质流通管两端分别与冷却介质储槽相连；于冷凝腔底部设有与冷凝腔内部相连通的水出口管，于冷凝腔下方设有一溢流槽，水出口管的下端伸入至作为液封的溢流槽内的液面以下，由溢流槽溢流出的水经管路流入燃料电池燃料重整反应器的燃料罐中；
具体过程为：燃料电池系统的高温尾气首先通过气体压缩机增压后进入冷凝腔中，伴随尾气穿过降温通道的过程，部分水被冷凝，冷凝下来的水经水出口管回到重整反应器原料罐；剩余尾气再经过后端压力调节装置(背压阀)后，排出系统放空。
所述气体压缩机、背压阀主要用作调节冷凝腔内部压力1.1～2.2atm之间。
所述冷凝腔采用间壁式换热形式为高温尾气降温，冷却介质满足不同温度、压力、换热量等条件下对传热速率要求，可选用甲醇、三甘醇、乙二醇水溶液、氢氟烃类HFCs中的一种或二种以上，控制冷凝腔出口的温度在25～90℃之间。
所述实现尾气中水的部分冷凝主要通过调整降温通道内的压力改变尾气的气液相平衡数据，再通过换热过程降低该降温通道内尾气温度低于当前压力下的露点温度，即可实现水的部分冷凝。
实施例1
质量流量为67.5kg/h的燃料电池系统的高温尾气经过气体压缩机增压至1.8atm后进入冷凝腔，依靠背压阀维持冷凝腔内压力恒定，在冷凝腔的进口处高温尾气温度291.71℃。采用饱和甲醇溶液作为冷却介质在冷凝腔外壁夹套内循环，依靠相变换热。上述尾气中总含水量为11kg/h，冷却介质饱和甲醇溶液用量25kg/h，回收水4.786kg/h,降温后的尾气69.31℃，通过背压阀后放空。上述过程水回收率43.51％。
实施例2
改变实施例1中的冷却介质为25℃空气。回收4.786kh/h水，需要97.59kg/h的25℃空气。
实施例3
改变实施例1中气体压缩机出口压力1.2atm，高温尾气进入冷凝腔时的温度为290.64℃。冷却介质纯甲醇的量25kg/h不变，回收水2.934kg/h，降温后尾气温度67.93℃，水回收率26.67％
实施例4
以上述实施例3为初始条件，初始回收水2.934kg/h，冷却介质甲醇的量25kg/h/不变，冷却能力不变。提高回收水流量至3.5kg/h，此时冷却腔内温度上升，通过设定好的冷凝腔温度与背压阀之间连锁控制程序，自动调节冷却腔内的温度与压力，最终冷凝腔内压力稳定在1.47atm，温度为68.32℃。
实施例5
不使用气体压缩机、背压阀调节冷凝腔内的压力，冷凝腔维持常压操作(1.0atm)，高温尾气温度287℃，回收4.786kg/h的水，需要将高温尾气降温至59.15℃，饱和甲醇溶液泡点温度64℃，已不再适合作为冷却介质。采用25℃空气冷却冷凝腔则需要105kg/h。
从实施例1-5，可以总结出以下结论：通过增加冷凝腔内的操作压力，可以改变尾气的气液相平衡状态，回收所需水。与常压操作条件相比，冷却介质可以选择利用相变过程换热、泡点温度适宜的饱和甲醇溶液。且回收等量的水，甲醇的用量是冷空气的25.62％。同时通过冷却腔内自动控制的温度压力连锁程序，实现冷凝水回收量的可调节性。整个过程可以实现提高总燃料利用率，提高燃料电池系统质量功率密度。

Claims (5)

1.一种燃料电池高温尾气中水回用方法，其特征在于：
采用的装置包括一气体压缩机、中空密闭的冷凝腔、背压阀，气体压缩机的进气口与燃料电池高温尾气出口相连，气体压缩机的压缩气出口与冷凝腔一端的气体进口相连，于冷凝腔另一端设有气体出口，于气体出口处设有背压阀；于冷凝腔设有温度传感器与背压阀做联锁控制；于冷凝腔外壁面上设有冷却介质夹套或缠绕有冷却介质流通管，冷却介质夹套或缠绕有冷却介质流通管两端分别与冷却介质储槽相连；于冷凝腔底部设有与冷凝腔内部相连通的水出口管，于冷凝腔下方设有一溢流槽，水出口管的下端伸入至作为液封的溢流槽内的液面以下，由溢流槽溢流出的水经管路流入燃料电池燃料重整反应器的燃料罐中；
具体过程为：燃料电池系统的高温尾气首先通过气体压缩机增压后进入冷凝腔中，伴随尾气穿过降温通道的过程，部分水被冷凝，冷凝下来的水经水出口管回到重整反应器原料罐；剩余尾气再经过后端压力调节装置后，排出系统放空。
2.按照权利要求1所述水回用方法，其特征在于：气体压缩机、背压阀主要用作调节冷凝腔内部压力1.1～2.2atm之间。
3.按照权利要求1或2所述水回用方法，其特征在于：冷凝腔采用间壁式换热形式为高温尾气降温，冷却介质满足不同温度、压力、换热量条件下对传热速率要求，选用甲醇、三甘醇、乙二醇水溶液、氢氟烃类HFCs中的一种或二种以上，控制冷凝腔出口的温度在25～90℃之间。
4.按照权利要求1所述水回用方法，其特征在于：实现尾气中水的部分冷凝主要通过调整降温通道内的压力改变尾气的气液相平衡数据，再通过换热过程降低该降温通道内尾气温度低于当前压力下的露点温度，即可实现水的部分冷凝。
5.按照权利要求1所述水回用方法，其特征在于：燃料电池高温尾气为燃料电池阴极尾气、为燃料电池燃料重整反应器供热的燃烧器出口尾气中的一种或二种以上。
CN201911276410.8A 2019-12-12 2019-12-12 一种燃料电池高温尾气中水回用方法 Active CN112993329B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911276410.8A CN112993329B (zh) 2019-12-12 2019-12-12 一种燃料电池高温尾气中水回用方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911276410.8A CN112993329B (zh) 2019-12-12 2019-12-12 一种燃料电池高温尾气中水回用方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112993329A CN112993329A (zh) 2021-06-18
CN112993329B true CN112993329B (zh) 2022-03-15

Family

ID=76331809

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911276410.8A Active CN112993329B (zh) 2019-12-12 2019-12-12 一种燃料电池高温尾气中水回用方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112993329B (zh)

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101425594A (zh) * 2007-10-30 2009-05-06 三星Sdi株式会社 流体回收装置和使用其的燃料电池系统
CN102687326A (zh) * 2009-10-29 2012-09-19 空中客车德国运营有限责任公司 燃料电池系统和用于干燥燃料电池系统的废气的方法
WO2014196673A1 (ko) * 2013-06-05 2014-12-11 지에스칼텍스(주) 제습장치를 포함하는 연료전지 시스템
CN104253281A (zh) * 2013-06-25 2014-12-31 福特全球技术公司 燃料电池系统和燃料电池净化设备
CN104716356A (zh) * 2013-12-17 2015-06-17 现代自动车株式会社 具有喷射器的燃料电池系统
CN105609825A (zh) * 2014-11-14 2016-05-25 丰田自动车株式会社 气液分离器及燃料电池系统
CN106684408A (zh) * 2016-08-30 2017-05-17 绍兴俊吉能源科技有限公司 燃料电池用气水分离器
CN106898800A (zh) * 2015-12-21 2017-06-27 中国科学院大连化学物理研究所 一种带有气液分离功能的微型散热器和燃料电池系统
DE102016221566A1 (de) * 2016-11-03 2018-05-03 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Wasserabscheider zum Abscheiden von Wasser in einem Fahrzeug
CN109590119A (zh) * 2019-01-18 2019-04-09 苏州弗尔赛能源科技股份有限公司 一种冷却式气液分离器
CN109701757A (zh) * 2018-12-28 2019-05-03 中科军联（张家港）新能源科技有限公司 一种用于直接液体进料燃料电池的气液分离方法及分离器
CN110165262A (zh) * 2019-05-16 2019-08-23 西安交通大学 一种燃料电池尾气水分再利用的轻型固态储氢动力系统

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4276682B2 (ja) * 2007-02-26 2009-06-10 株式会社東芝 気液分離システム及び燃料電池システム
US20100021778A1 (en) * 2008-07-25 2010-01-28 Lynntech, Inc. Fuel cell emergency power system
KR20150072205A (ko) * 2013-12-19 2015-06-29 현대자동차주식회사 연료전지 시스템

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101425594A (zh) * 2007-10-30 2009-05-06 三星Sdi株式会社 流体回收装置和使用其的燃料电池系统
CN102687326A (zh) * 2009-10-29 2012-09-19 空中客车德国运营有限责任公司 燃料电池系统和用于干燥燃料电池系统的废气的方法
WO2014196673A1 (ko) * 2013-06-05 2014-12-11 지에스칼텍스(주) 제습장치를 포함하는 연료전지 시스템
CN104253281A (zh) * 2013-06-25 2014-12-31 福特全球技术公司 燃料电池系统和燃料电池净化设备
CN104716356A (zh) * 2013-12-17 2015-06-17 现代自动车株式会社 具有喷射器的燃料电池系统
CN105609825A (zh) * 2014-11-14 2016-05-25 丰田自动车株式会社 气液分离器及燃料电池系统
CN106898800A (zh) * 2015-12-21 2017-06-27 中国科学院大连化学物理研究所 一种带有气液分离功能的微型散热器和燃料电池系统
CN106684408A (zh) * 2016-08-30 2017-05-17 绍兴俊吉能源科技有限公司 燃料电池用气水分离器
DE102016221566A1 (de) * 2016-11-03 2018-05-03 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Wasserabscheider zum Abscheiden von Wasser in einem Fahrzeug
CN109701757A (zh) * 2018-12-28 2019-05-03 中科军联（张家港）新能源科技有限公司 一种用于直接液体进料燃料电池的气液分离方法及分离器
CN109590119A (zh) * 2019-01-18 2019-04-09 苏州弗尔赛能源科技股份有限公司 一种冷却式气液分离器
CN110165262A (zh) * 2019-05-16 2019-08-23 西安交通大学 一种燃料电池尾气水分再利用的轻型固态储氢动力系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN112993329A (zh) 2021-06-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11804609B2 (en) Fuel-cell hydrogen recycling means
CN100367533C (zh) 燃料电池堆叠的冷却系统
US6802875B1 (en) Hydrogen supply system for fuel cell
CN104733748B (zh) 一种中高温燃料电池集成运行系统
EP2174374B1 (en) Fuel cell system and method of operating the fuel cell system
CN106460207A (zh) 电解方法和电解布置
KR101272589B1 (ko) 연료전지 차량용 수소 저장 및 충전 시스템
CN105084311A (zh) 一种零碳排放的甲醇水重整制氢系统及其应用和制氢方法
US5976722A (en) Process for operating a fuel cell installation and fuel cell installation for carrying out the process
CN203674322U (zh) 一种中高温燃料电池集成运行系统
US7360563B2 (en) System and method for refueling a hydrogen vessel
CN105576269A (zh) 一种固定式的微型燃料电池热电联产装置的热控制系统
US8227119B2 (en) Fuel cell system
CN205222680U (zh) 一种零碳排放的甲醇水重整制氢系统及其燃料电池汽车
CN109346746B (zh) 一种密闭空间用燃料电池的供氧装置以及供氧方法
WO2019109844A1 (zh) 一种直接液体燃料电池发电装置
CN111270256A (zh) 移动式水电解制氢加氢装置
EP1872429B1 (en) A fuel cell and a method for operating said fuel cell
CN214411262U (zh) 一种直接利用甲醇重整气的燃料电池系统
CN112993329B (zh) 一种燃料电池高温尾气中水回用方法
CN111509279B (zh) 原位制氢燃料电池系统
KR101095665B1 (ko) 연료전지 발전 시스템
CN106887616B (zh) 一种基于液态有机储氢的燃料电池冷启动系统及方法
JP3240840B2 (ja) 燃料電池発電装置の冷却水温度の調節方法
CN113871660B (zh) 一种燃料电池气体循环系统和控制方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant