CN114156506A - 一种车载燃料电池控制系统、方法、电动汽车、重型车辆 - Google Patents

一种车载燃料电池控制系统、方法、电动汽车、重型车辆 Download PDF

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Abstract

本发明属于燃料电池技术领域，公开了一种车载燃料电池控制系统、方法、电动汽车、重型车辆，采用的液化石油气，解压膨胀过程吸热，可为车载冷却系统提供冷量，实现与氟利昂冷媒相似的效果，且比氟利昂系列冷媒更环保。在冷启动阶段，可直接将液化石油气通入燃烧室为燃料电池供热，减少冷启动时间。使用的固体氧化物燃料电池与车载常用的PEMFC相比，对原料要求低，能量转化效率更高；使用的扁管式固体氧化物燃料电池可实现高效发电且没有泄露的风险；燃料电池入口处使用精巧设计的气体分布器，电极反应效率提高。本发明所提出的技术对原料纯度要求低，原料更易获得，储存设备简单，运输更方便，安全性更高。

Description

一种车载燃料电池控制系统、方法、电动汽车、重型车辆
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，尤其涉及一种车载燃料电池控制系统、方法、电动汽车、重型车辆。
背景技术
目前，随着对环境的要求越来越严格，电动汽车逐渐成为了主流运输工具，然而，采用纯电池系统无法达到高续航里程的要求。燃料电池发电系统可满足电动汽车的续航里程需求，尤其是重型车辆。燃料电池是一种新型的清洁能源供能系统，通常使用氢气和氧气为原料，通过电化学反应对外供给电能和热能。但是，燃料电池对原料要求苛刻，虽然氢气也可采用甲烷、甲醇等碳氢化合物燃料替代，但目前其技术受到积碳的制约，尚不能广泛应用；而氢气在安全性、可运输性方面，给实际应用带来了极大困难。液化石油气(LPG)是石油炼制过程中的副产物，由低碳烃类所组成，其中包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等，主要成分是丙烷和丁烷。炼厂副产的石油气在一定压力下以常温液态的方式储存，由于其运输、操作、使用方便，已广泛地进入人们的生活领域。采用液化石油气为燃料，耦合重整过程，应用于燃料电池系统，可有效解决氢气运输困难的问题。此外，液化石油气在绝热膨胀过程中吸热降温，可为冰箱、空调等制冷装置供给冷量。因此，采用液化石油气为燃料的燃料电池系统不仅可为车辆、小型住宅提供电能、热能，还可为冷藏设备提供冷量，达到节能降耗的目的。
目前应用较广泛的燃料电池主要有两种，一种为质子交换膜燃料电池(PEMFC)，其对氢气浓度要求极高，微量CO即可使电极材料中毒，PEMFC长时间高效率使用必须依赖于高纯度氢气以及高纯氢分离技术；另一种为固体氧化物燃料电池(SOFC)，其对燃料要求不高，石油气经重整后含有H2、CO、CO2，均可进入电堆，对电极材料影响不大，且SOFC功率密度高、可实现热电联产，对小型车载系统和家用系统提供热量，能量利用率高。SOFC的结构有三种：平板式、管式和扁管式。其中，平板式对密封工艺要求较高，实际运行中存在泄漏的风险；管式的效率较低；而扁管式结合了平板式和管式的优点，在保持高效率的同时降低了泄漏的风险。燃料电池系统中各个模块对热量的需求各式各样，需设计精巧的换热系统，使能量利用最大化。
现有技术一公开了一种使用液化石油气运行的燃料电池系统，该发明直接将石油气供给给燃料电池的阳极反应室，其装置复杂性较低，但对阳极材料要求高。
现有技术二公布了一种用于冷藏车的氢燃料电池供能系统，原料为氢气，运输和储存成本高，泄露后的爆炸风险高；氢气膨胀后的冷量，需经过冷媒系统二次换热供给冷藏车厢，换热效率降低；所用冷媒为氟利昂类，对环境不友好；所用燃料电池为PEMFC，对原料氢气的纯度要求极高。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)现有技术一直接将石油气供给给燃料电池的阳极反应室，其装置复杂性较低，但对阳极材料要求高。
(2)现有技术二原料为氢气，运输和储存成本高，泄露后的爆炸风险高；氢气膨胀后的冷量，需经过冷媒系统二次换热供给冷藏车厢，换热效率降低；所用冷媒为氟利昂类，对环境不友好；所用燃料电池为PEMFC，对原料氢气的纯度要求极高。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种车载燃料电池控制系统、方法、电动汽车、重型车辆。
本发明是这样实现的，一种车载燃料电池控制方法，所述车载燃料电池控制方法包括：
液化石油气、二甲醚或二者的混合物经过解压单元绝热膨胀后，释放冷量，通过第一换热系统直接为制冷设备制冷；由第一换热系统管出来的石油气在脱硫单元中脱除含硫组份；纯化后的石油气经第二换热系统与燃料电池电堆尾气换热；
储水箱中的水经过蒸汽发生器，吸收燃料电池电堆产生的热量，被加热为过热蒸汽；在混合器中与由第二换热系统出来的石油气混合；
混合气体进入重整单元发生水蒸气重整反应，分解为H2、CO2和CO；重整单元的所有尾气经由第一气体分布器进入固体氧化物燃料电池电堆的阳极管路，空气经过第三换热系统与电堆尾气换热后，进入固体氧化物燃料电池电堆的阴极室；
阳极室未反应完全的气体在阳极气路出口处燃烧，燃烧火焰直接为重整单元供热；燃烧后的尾气进入阴极室，与未反应的空气混合后进入电堆尾气的排放管路；电堆尾气经过第二换热系统和第三换热系统为石油气和空气预热后，经过车载的车内加热系统为车内加热系统供热，尾气中的水经冷凝后返回储水箱，其他尾气对环境无害，直接排空。
进一步，所述车载燃料电池控制方法冷启动时，石油气从液化石油气储罐经由管路进入燃烧室，通过直接燃烧为燃料电池供给热量；
燃烧室中的空燃比为15.8-17.2。
所述车载燃料电池控制方法的重整单元，包括预热区和重整区，重整反应为水蒸气重整；气体在预热区被加热到200-400℃，进入重整区；预热区包含ZnO、Fe2O3、改性分子筛中的一种或多种组合，预热区出口燃料的硫含量小于5ppm；重整区反应温度为300-800℃，水分子/碳原子摩尔比为1.8-4。
进一步，所述车载燃料电池控制方法包括预热区和重整区，重整反应为水蒸气重整；气体在预热区被加热到300-400℃，进入重整区；预热区可包含ZnO、Fe2O3、改性分子筛中的一种或多种组合，实现深度脱硫，出口燃料的硫含量小于1ppm；重整区反应温度对贵金属催化剂300-500℃，对非贵金属催化剂500-700℃；水分子/碳原子摩尔比为2-3。
进一步，所述车载燃料电池控制方法的重整单元通过流量计控制添加微量氧气，氧气添加量为氧分子/碳原子摩尔比为0.01-0.4。
进一步，所述车载燃料电池控制方法的重整单元通过流量计控制添加微量氧气，氧气添加量为氧分子/碳原子摩尔比为0.1-0.25。
进一步，所述车载燃料电池控制方法的重整单元中的催化剂为Ni、Rh、Ru、Pd、Pt基催化剂，可添加Ce、Zr、La、Pr、Mg、Ti、Tb、Sm、Gd、Nb中的一种或多种组合为助剂；
固体氧化物燃料电池电堆为扁管式固体氧化物燃料电池单体所组成的电堆，工作温度为650-800℃；扁管式燃料电池单体结构为：阳极以中空孔道结构贯穿单体纵截面，阳极分布在单体外表面，燃料通过气体分布器进入阳极气路，空气进入单体外部的阴极室；
本发明的另一目的在于提供一种实施所述车载燃料电池控制方法的车载燃料电池控制系统，所述车载燃料电池控制系统包括：
制冷模块，用于液化石油气经过解压单元绝热膨胀后，释放冷量，通过第一换热系统直接为制冷设备制冷；
石油气纯化模块，用于由第一换热系统管出来的石油气在脱硫单元中脱除含硫组份；纯化后的石油气经第二换热系统与燃料电池电堆尾气换热；
石油气混合模块，用于实现储水箱中的水经过蒸汽发生器，吸收燃料电池电堆产生的热量，被加热为过热蒸汽；在混合器中与由换热器第二换热系统出来的石油气混合；
第一能量转化模块，用于将混合气体进入重整单元发生水蒸气重整反应，分解为H2、CO2和CO；
第二能量转化模块，用于将重整单元的尾气在固体氧化物燃料电池中转化为电能，重整单元所有尾气经由第一气体分布器进入固体氧化物燃料电池电堆的阳极管路，空气经过第三换热系统与电堆尾气换热后，进入固体氧化物燃料电池电堆的阴极室；
第三能量转化模块，用于将未完全转化的化学能转化为热能，未完全反应的气体在阳极气路出口处燃烧，燃烧火焰直接为重整单元供热；燃烧后的尾气进入阴极室，与未反应的空气混合后进入电堆尾气的排放管路；电堆尾气经过第二换热系统和第三换热系统为石油气和空气预热后，经过车载的车内加热系统为车内加热系统供热；
尾气回收排放系统，尾气中的水经冷凝后返回储水箱，其他尾气对环境无害，直接排空。
本发明的另一目的在于提供一种安装有所述车载燃料电池控制系统的车载燃料电池控制装置，所述车载燃料电池控制装置包括：液化石油气储罐、解压单元、第一换热系统、制冷设备、脱硫单元、第二换热系统、混合器、重整单元、第一气体分布器、固体氧化物燃料电池电堆、第三换热系统、第二气体分布器、尾气、第四换热系统、车内加热系统、储水箱、蒸汽发生器、管线、燃烧室、流量计、阳极、阴极、连接体、单体、阳极管路、阴极室、筛板、进气口；
液化石油气储罐通过管道与解压单元连接，解压单元通过管道与第一换热系统连接，第一换热系统与制冷设备连接，第一换热系统通过管道与脱硫单元连接，脱硫单元通过管道与第二换热系统连接，第二换热系统通过管道与第三换热系统连接，第三换热系统通过管道与第二气体分布器、第四换热系统连接，第四换热系统与车内加热系统连接，第四换热系统通过管道与储水箱连接，储水箱通过管道与蒸汽发生器连接，蒸汽发生器通过管道与混合器连接，混合器通过管道与第二换热系统、重整单元连接，第二气体分布器通过管道与流量计连接，流量计通过管道与重整单元连接，重整单元通过管道与第一气体分布器连接，燃烧室通过管道与液化石油气储罐连接；
阳极位于贯穿的管路中，阴极位于扁管外侧，连接体位于扁管一侧；单体通过连接体连接，安装于气体分布器之上，单体以单排、双排或多排的形式排布。
本发明的另一目的在于提供一种电动汽车，所述电动汽车安装有所述的车载燃料电池控制装置。
本发明的另一目的在于提供一种电动汽车，所述重型车辆安装有所述的车载燃料电池控制装置。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明的车载燃料电池系统，与现有的车载纯电池系统相比，续航里程更高，可达到1000km甚至更高的续航里程；与目前已商业化的车载燃料电池系统相比，本发明所提出的技术对原料纯度要求低，原料更易获得，储存设备简单，运输更方便，安全性更高。
本发明的燃料电池系统的体积能量密度更高，易于在乘用车上组装。市场上较成熟的燃料电池技术是采用压缩氢气储罐为储能模块，其体积能量密度低，如70MPa的氢气储罐，能量密度只有0.8kWh/L，而采用液化石油气作为原料，能量密度可达6.5kWh/L。
本发明所采用的液化石油气，解压膨胀过程吸热，可为车载冷却系统(如空调、冰箱、冷却水等)提供冷量，实现与氟利昂冷媒相似的效果，且比氟利昂系列冷媒更环保。在冷启动阶段，可直接将液化石油气通入燃烧室为燃料电池供热，减少冷启动时间。
本发明所使用的固体氧化物燃料电池与车载常用的PEMFC相比，对原料要求低，能量转化效率更高；与直接甲醇燃料电池相比，使用寿命和能量转化效率更高。其优势之一是阳极催化剂并不存在CO中毒问题，相反还可以高效地将CO中的化学能转化为电能，进一步提高燃料能量转化效率。
本发明使用的扁管式固体氧化物燃料电池可实现高效发电且没有泄露的风险；燃料电池入口处使用精巧设计的气体分布器，电极反应效率提高。本发明将在重整单元中通入微量空气，可有效提高催化剂寿命，提高催化剂的抗积碳和抗硫能力，减少更换脱硫单元的吸附剂或催化剂的次数，此外，还可降低出现在自热重整或部分氧化重整中由于氧气量多引起的燃爆风险。
本发明所提出的换热系统，可最大程度减少能量损失；燃料电池出口尾气直接燃烧的方法可避免催化氧化方法中贵金属催化剂的使用，节约系统成本；SOFC热电联产，可实现车载加热系统的热量自供应。
本发明的燃料电池室中，采用尾气富氧燃烧的方法除去尾气中的有害物质(如CO、碳氢化合物等)，排空尾气不含有对环境有害的物质，低廉便捷，降低系统成本。
由于石油气碳链少，通过控制空气/燃料比，在燃烧室中燃烧充分，无需添加后处理环保设备，尾气可直接排放。本发明采用储存安全性高、易运输、体积能量密度高的液化石油气为原料，通过燃料电池系统，为乘用车提供高续航里程。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的车载燃料电池控制方法流程图。
图2是本发明实施例提供的车载燃料电池控制装置的结构示意图。
图3是本发明实施例提供的扁管式燃料电池单体结构示意图；(a)侧视图；(b)俯视图。
图4是本发明实施例提供的扁管式燃料电池堆结构示意图；(a)侧视图；(b)俯视图。
图5是本发明实施例提供的第一气体分布器的结构示意图；(a)侧视图；(b)俯视图。
图6是本发明实施例提供的第二气体分布器的结构示意图；(a)进气口；(b)筛板。
图中：1、液化石油气储罐；2、解压单元；3、第一换热系统；4、制冷设备；5、脱硫单元；6、第二换热系统；7、混合器；8、重整单元；9、第一气体分布器；10、固体氧化物燃料电池电堆；11、第三换热系统；12、第二气体分布器；13、尾气；14、第四换热系统；15、车内加热系统；16、储水箱；17、蒸汽发生器；18、阳极管路；19、燃烧室；20、流量计；21、阳极、22、阴极；23、连接体；24、单体；25、阳极管路；26、阴极室；27、筛板；28、进气口。
图7是本发明实施例提供的制备的扁管式单体SOFC及其放电性能图。
图8是本发明实施例提供的所设计的SOFC发电系统示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种车载燃料电池控制系统、方法、电动汽车、重型车辆，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明提供的车载燃料电池控制方法包括以下步骤：
S101：液化石油气经过解压单元绝热膨胀后，释放冷量，通过第一换热系统直接为制冷设备制冷；由第一换热系统出来的石油气在脱硫单元中脱除含硫组份；纯化后的石油气经第二换热系统与燃料电池电堆尾气换热；
S102：储水箱中的水经过蒸汽发生器，吸收燃料电池电堆产生的热量，被加热为过热蒸汽；在混合器中与由换热器第二换热系统出来的石油气混合；
S103：混合气体进入重整单元发生水蒸气重整反应，分解为H2、CO2和CO；重整单元的所有尾气经由第一气体分布器进入固体氧化物燃料电池电堆的阳极管路，空气经过第三换热系统与电堆尾气换热后，进入固体氧化物燃料电池电堆的阴极室；
S104：阳极室未反应完全的气体在阳极气路出口处燃烧，燃烧火焰直接为重整单元供热；燃烧后的尾气进入阴极室，与未反应的空气混合后进入电堆尾气的排放管路；电堆尾气经过第二换热系统和第三换热系统为石油气和空气预热后，经过车载的车内加热系统为车内加热系统供热，尾气中的水经冷凝后返回储水箱，其他尾气对环境无害，直接排空。
本发明提供的车载燃料电池控制方法业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的车载燃料电池控制方法仅仅是一个具体实施例而已。
本发明提供的车载燃料电池控制系统包括：
制冷模块，用于液化石油气经过解压单元绝热膨胀后，释放冷量，通过第一换热系统直接为制冷设备制冷。
石油气纯化模块，用于由第一换热系统管出来的石油气在脱硫单元中脱除含硫组份；纯化后的石油气经第二换热系统与燃料电池电堆尾气换热。
石油气混合模块，储水箱中的水经过蒸汽发生器，吸收燃料电池电堆产生的热量，被加热为过热蒸汽；在混合器中与由换热器第二换热系统出来的石油气混合。
第一能量转化模块，用于将混合气体进入重整单元发生水蒸气重整反应，分解为H2、CO2和CO；
第二能量转化模块，用于将重整单元的尾气在固体氧化物燃料电池中转化为电能，重整单元所有尾气经由第一气体分布器进入固体氧化物燃料电池电堆的阳极管路，空气经过第三换热系统与电堆尾气换热后，进入固体氧化物燃料电池电堆的阴极室；
第三能量转化模块，用于将未完全转化的化学能转化为热能，未完全反应的气体在阳极气路出口处燃烧，燃烧火焰直接为重整单元供热；燃烧后的尾气进入阴极室，与未反应的空气混合后进入电堆尾气的排放管路；电堆尾气经过第二换热系统和第三换热系统为石油气和空气预热后，经过车载的车内加热系统为车内加热系统供热；
尾气回收排放系统，尾气中的水经冷凝后返回储水箱，其他尾气对环境无害，直接排空。
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。
如图2-图6所示，本发明提供的车载燃料电池控制装置包括：液化石油气储罐1、解压单元2、第一换热系统3、制冷设备4、脱硫单元5、第二换热系统6、混合器7、重整单元8、第一气体分布器9、固体氧化物燃料电池电堆10、第三换热系统11、第二气体分布器12、尾气13、第四换热系统14、车内加热系统15、储水箱16、蒸汽发生器17、阳极管路18、燃烧室19、流量计20、阳极21、阴极22、连接体23、单体24、阳极管路25、阴极室26、筛板27、进气口28。
液化石油气储罐1通过管道与解压单元2连接，解压单元2通过管道与第一换热系统3连接，第一换热系统3与制冷设备4连接，第一换热系统3通过管道与脱硫单元5连接，脱硫单元5通过管道与第二换热系统6连接，第二换热系统6通过管道与第三换热系统11连接，第三换热系统11通过管道与第二气体分布器12、第四换热系统14连接，第四换热系统14与车内加热系统15连接，第四换热系统14通过管道与储水箱16连接，储水箱16通过管道与蒸汽发生器17连接，蒸汽发生器17通过管道与混合器7连接，混合器7通过管道与第二换热系统6、重整单元8连接，第二气体分布器12通过管道与流量计20连接，流量计20通过管道与重整单元8连接，重整单元8通过管道与第一气体分布器9连接，燃烧室19通过管道与液化石油气储罐1连接。
如图3所示，扁管式燃料电池单体，阳极21位于阳极管路18中，阴极22位于扁管外侧，连接体23位于扁管一侧。阳极管路18位于固体氧化物燃料电池电堆10中的单体中，即固体氧化物燃料电池电堆10由单体组成，单体包括阳极管路和阴极室。
如图4所示，燃料电池单体以两列排布平行排布。单体24通过连接体23连接，安装于第一气体分布器之上，单体24可以单排、双排或多排的形式。
如图5和图6所示，分别为第一气体分布器和第二气体分布器的一种实施形式。
本发明提供的车载燃料电池控制装置的液化石油气经过解压单元2绝热膨胀后，释放冷量，通过第一换热系统3直接为制冷设备4制冷；由第一换热系统3出来的石油气在脱硫单元5中脱除含硫组份；纯化后的石油气经第二换热系统6与燃料电池电堆尾气13换热；储水箱16中的水经过蒸汽发生器17，吸收燃料电池电堆产生的热量，被加热为过热蒸汽；在混合器7中与由第二换热系统6出来的石油气混合；混合气体进入重整单元发生水蒸气重整反应，分解为H2、CO2和CO；重整单元的所有尾气经由第一气体分布器9进入固体氧化物燃料电池电堆10的阳极管路25，空气经过第三换热系统11与电堆尾气13换热后，进入固体氧化物燃料电池电堆10的阴极室26；阳极室未反应完全的气体在阳极气路出口处燃烧，燃烧火焰直接为重整单元8供热；燃烧后的尾气进入阴极室26，与未反应的空气混合后进入电堆尾气13的排放管路；电堆尾气13经过第二换热系统6和第三换热系统11为石油气和空气预热后，经过车载的车内加热系统15为车内加热系统供热，尾气中的水经冷凝后返回储水箱16，其他尾气对环境无害，直接排空。
冷启动时，石油气从液化石油气储罐1先经由管路18进入燃烧室，通过直接燃烧为燃料电池供给热量。
液化石油气储罐1，灌装压力为0.8-1.5MPa。
制冷设备4，为车载空调系统、冰箱系统的一种或多种组合。
脱硫单元5，采用湿法、干法、吸附或反应脱硫的方法脱除石油气中的含硫组分。
重整单元8，包括预热区和重整区，重整反应为水蒸气重整。气体在预热区被加热到200-400℃，优选300-400℃，进入重整区；预热区可包含ZnO、Fe2O3、改性分子筛中的一种或多种组合，实现深度脱硫，硫含量小于5ppm，优选小于1ppm；重整区反应温度为300-800℃，对贵金属催化剂优选300-500℃，对非贵金属催化剂优选500-700℃；水分子/碳原子摩尔比为1.8-4，优选2-3。
重整单元8可通过流量计20控制添加微量氧气，氧气添加量为氧分子子/碳原子摩尔比为0.01-0.4，优选0.1-0.25。
重整单元8中的催化剂为Ni、Rh、Ru、Pd、Pt基催化剂，可添加Ce、Zr、La、Pr、Mg、Ti、Tb、Sm、Gd、Nb中的一种或多种组合为助剂。
固体氧化物燃料电池电堆10，为扁管式固体氧化物燃料电池单体所组成的电堆，工作温度为650-800℃。
扁管式燃料电池单体结构为：阳极以中空孔道结构贯穿单体纵截面，阳极分布在单体外表面，燃料通过气体分布器进入阳极气路，空气进入单体外部的阴极室26。
燃烧室19中的空燃比为15.8-17.2。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的描述
本发明实施例采用固体氧化物燃料电池为核心发电系统，其单体结构为扁管式，其中一种实施方式如图3所示，阳极管路18位于固体氧化物燃料电池电堆10中的单体中，即固体氧化物燃料电池电堆10由单体组成，单体包括阳极管路和阴极室。阳极21位于阳极管路18中，阴极22位于扁管外侧，连接体23位于扁管一侧。这种扁管式结构同时兼具管式SOFC和平板式SOFC的优势，即无需高温密封材料，又能够显著提高单位长度的功率密度以及体积功率密度。
国内外固体氧化物燃料电池较多使用平板式设计，其加工过程容易，造价较低，集成度高，但其电池组件边缘要求进行密封来隔离氧化气和燃料气，对连接板材料要求很高，密封困难。另一种管式固体氧化物燃料电池在美国军事领域得到了一定应用，但其电极之间的间距大，电流通过电池的路径较长，内阻损失大，因此相应的功率密度较低。扁管式结构与管式结构相似，都具有密闭的一端，可以为整个电池提供完整的空气流通通道，从而不必采用任何密封手段。不同的地方在于，扁管式结构扁平的表面，可有效增大输出功率密度；内部构建的一些“肋条”作为电流的通路，显著地缩短了集流路径，从而大大降低了电池内阻。
采用扁管式结构作为单体，可进行排布设计组成电堆。图4为电堆排布的一种实施方式，单体24通过连接体23连接，安装于第一气体分布器之上，单体24可以单排、双排或多排的形式排布。
经过预处理的石油气(包括H2、CO、CO2和微量CH4)通过第二气体分布器12进入阳极管路25中，图5为气体分布器的一种实施方式，空气通过第二气体分布器进入阴极室26中，第一气体分布器9的实施方式可以是丝网、筛板27(图6)等可以让气体平均分布的装置。燃料电池内发生电化学反应，工作温度为650-800℃。阳极管路25上方出口残余部分燃料气，如CH4、CO、H2等，这部分燃料气通过点燃的方式直接燃烧，避免了排放至空气中的污染。由于水蒸气重整反应为强吸热反应，阳极21尾气燃烧的火焰可直接为重整器供热。燃烧过的尾气13与阴极室26未反应的空气混合，经过尾气13的管路进行再利用。
石油气直接进入固体氧化物燃料电池中，易使阳极材料积碳，降低电池寿命。本发明所提出的系统中，首先把石油气通过水蒸气重整反应，分解为H2、CO、CO2和微量甲烷，再将低碳气体和氢气的混合物通入燃料电池中，可提高能量转化效率，并延长电池稳定性。
本发明所使用的石油气来源广泛，对原料限制不苛刻，可包含二甲醚。但是石油气中广泛存在含硫物质，含硫物质对重整催化剂、阳极材料都有毒害作用，将导致使用寿命显著降低。因此，本系统中设置了脱硫单元5，该脱硫单元5与燃料电池的高温区相隔较远，且采用了便捷的无需使用工具的手动拆卸零件(如快接头等)，方便随时更换，脱硫单元5可根据原料设置不同的脱硫剂容量。经过脱硫单元5的石油气中的硫含量降低至50ppm以下，优选20ppm以下。
水通过泵从储水箱16流向蒸汽发生器17，蒸汽发生器17外壳与固体氧化物燃料电池室壁相接，燃料电池发电产生的热量通过壳体传输给蒸汽发生器17，使水蒸发为水蒸气。水蒸气通过挨着燃料电池室壁的管路输送至混合器7。水蒸发的过程无需使用外部供热，只需使用燃料电池副产的热量即可。
重整区分为预热区和重整反应区。
预热区将燃料气和水蒸气加热至接近反应温度的范围，即200-400℃，优选300-400℃。为了进一步降低石油气中的硫含量，预热区可添加ZnO、Fe2O3、改性分子筛中的一种或多种组合，以将石油气中的硫含量降至5ppm以下，优选1ppm以下。
重整反应区发生水蒸气重整反应，虽然可选择的重整方式还包括自热重整、部分氧化重整，但是考虑车载安全性，该系统尽量避免氧气与石油气直接混合，以降低燃爆的风险。对于含硫量较高的石油气原料，为提高催化剂的使用寿命，重整反应中可通过流量计20引入微量空气，氧气添加量为氧分子子/碳原子摩尔比为0.01-0.4，优选0.1-0.25。根据石油气的爆炸极限1.5％-9.5％，该氧气添加量距离爆炸极限的气体组成相差甚远，因此可保证系统的安全性。
重整单元8中的催化剂为Ni、Rh、Ru、Pd、Pt基催化剂，可添加Ce、Zr、La、Pr、Mg、Ti、Tb、Sm、Gd、Nb中的一种或多种组合为助剂。重整区反应温度为300-800℃，对贵金属催化剂优选300-500℃，对非贵金属催化剂优选500-700℃；水分子/碳原子摩尔比为1.8-4，优选2-3。
固体氧化物燃料电池除了将燃料的化学能转化为电能之外，还副产大量热能。这部分热能以尾气(H2O、CO2、N2、O2)的形式存在。尾气13经过第二换热系统6和第三换热系统11分别对脱硫后的石油气和空气进行预热，以降低重整单元8和固体氧化物燃料电池入口处的温度梯度，提高设备效率，并实现余热充分利用。经过第二换热系统6的尾气与经过第三换热系统11的尾气汇合后，经过第四换热系统14为车内加热系统供热，如座椅加热系统、空气加热系统、房车中的热水供应系统等。经过换热盘管的尾气中的水蒸气冷凝后回流至储水箱16，剩下的气体对环境无危害，直接排放至空气。
液化石油气解压过程中释放冷量，解压后的石油气经过第一换热系统3为车载制冷系统提供冷量，如空调系统、车载冰箱等，该换热盘管直接与制冷设备毗邻，无需经过冷媒的二次换热，冷量利用效率高。
在车辆冷启动时，液化石油气通过管线18进入燃烧室，燃烧室19中的空燃比控制在15.8-17.2，通过燃烧石油气为燃料电池提供初始热量，通过控制空燃比，充分燃烧后的石油气转化为CO2和H2O，几乎不含CO和其他未充分燃烧的物质，可直接排放至空气，亦可在燃烧室19排放部位添加三元催化剂，以保证恶劣情况下的清洁排放。
下面结合对比对本发明的技术效果作详细的描述。
表1小型乘用车能量密度与续航里程对比
Figure BDA0003376486730000151
下面结合应用例对本发明的技术方案作进一步描述。
例1：
采用100％丙烷原料装载于小型LPG燃料电池汽车上，按照第一能量转化模块的转化效率为99％，第二能量转化模块化学能转化电能的效率为60％，第三能量转化模块化学能转化热能效率为99％，其中电能完全用于驱动汽车运行，热能用于供给换热系统(可自给自足，见表2)，按照目前市面常见电动小客车百公里耗电量15度计算，则该燃料电池汽车百公里耗丙烷量为1.87kg。若按100km/h的速度行驶，每小时消耗丙烷量可为体积为550L、功率为220W的冷藏室提供冷量。
考虑其他能量消耗因素，采用更保守的计算结果列于表1中，与纯电动车和氢燃料电池汽车想对比，其体积能量密度具有显著优势。如图7制备的扁管式单体SOFC及其放电性能图。
例2：
采用市面常见民用液化石油气装载于重型LPG燃料电池汽车上，总车重3.2吨，按照第一能量转化模块的转化效率为99％，第二能量转化模块化学能转化电能的效率为50％，第三能量转化模块化学能转化热能效率为99％，其中电能完全用于驱动汽车运行，热能用于供给换热系统(可自给自足)，按照目前市面常见电动车百公里吨耗电量13度计算，则该燃料电池汽车百公里耗石油气量为6.2kg。若按80km/h的速度行驶，每小时消耗丙烷量可为体积为1450L、功率为580W的冷藏室提供冷量；若冷藏室体积需求更大，可设置循环冷却装置采用车载液化石油气进行冷却。
本发明所设计的SOFC发电系统如图8所示，根据此流程图在AspenPlus中进行了热平衡模拟计算流程。800℃时SOFC电池堆的发热量和热消耗量如表1所示。由表中可以看出，800℃时电池自发热量完全可以满足其热消耗，电池堆可以独立运行。
表2 800℃时SOFC电堆Aspen模拟计算结果
Figure BDA0003376486730000161
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种车载燃料电池控制方法，其特征在于，所述车载燃料电池控制方法包括：
液化石油气、二甲醚或二者的混合物经过解压单元绝热膨胀后，释放冷量，通过第一换热系统直接为制冷设备制冷；由第一换热系统管出来的石油气在脱硫单元中脱除含硫组份；纯化后的石油气经第二换热系统与燃料电池电堆尾气换热；
储水箱中的水经过蒸汽发生器，吸收燃料电池电堆产生的热量，被加热为过热蒸汽；在混合器中与由第二换热系统出来的石油气混合；
混合气体进入重整单元发生水蒸气重整反应，分解为H2、CO2和CO；重整单元的所有尾气经由第一气体分布器进入固体氧化物燃料电池电堆的阳极管路，空气经过第三换热系统与电堆尾气换热后，进入固体氧化物燃料电池电堆的阴极室；
阳极室未反应完全的气体在阳极气路出口处燃烧，燃烧火焰直接为重整单元供热；燃烧后的尾气进入阴极室，与未反应的空气混合后进入电堆尾气的排放管路；电堆尾气经过第二换热系统和第三换热系统为石油气和空气预热后，经过车载的车内加热系统为车内加热系统供热，尾气中的水经冷凝后返回储水箱，其他尾气对环境无害，直接排空。
2.如权利要求1所述的车载燃料电池控制方法，其特征在于，所述车载燃料电池控制方法冷启动时，石油气从液化石油气储罐经由管路进入燃烧室，通过直接燃烧为燃料电池供给热量；
燃烧室中的空燃比为15.8-17.2。
3.如权利要求1所述的车载燃料电池控制方法，其特征在于，所述车载燃料电池控制方法的重整单元，包括预热区和重整区，重整反应为水蒸气重整；气体在预热区被加热到200-400 ℃，进入重整区；预热区包含ZnO、Fe2O3、改性分子筛中的一种或多种组合，预热区出口燃料的硫含量小于5ppm；重整区反应温度为300-800 ℃，水分子/碳原子摩尔比为1.8-4；
重整反应为水蒸气重整；气体在预热区被加热到300-400 ℃，进入重整区；预热区可包含ZnO、Fe2O3、改性分子筛中的一种或多种组合，实现深度脱硫，出口燃料的硫含量小于1ppm；重整区反应温度400-700℃；水分子/碳原子摩尔比为2-3。
4.如权利要求3所述的车载燃料电池控制方法，其特征在于，所述重整单元通过流量计控制添加微量氧气，氧气添加量为氧分子/碳原子摩尔比为0.01-0.4；
所述车载燃料电池控制方法的重整单元通过流量计控制添加微量氧气，氧气添加量为氧分子/碳原子摩尔比为0.1-0.25；
所述车载燃料电池控制方法的重整单元中的催化剂为Ni、Rh、Ru、Pd、Pt基催化剂，添加Ce、Zr、La、Pr、Mg、Ti、Tb、Sm、Gd、Nb中的一种或多种组合为助剂。
5.如权利要求1所述的车载燃料电池控制方法，其特征在于，固体氧化物燃料电池电堆为扁管式固体氧化物燃料电池单体所组成的电堆，工作温度为650-800 ℃；扁管式燃料电池单体结构为：阳极以中空孔道结构贯穿单体纵截面，阳极分布在单体外表面，燃料通过气体分布器进入阳极气路，空气进入单体外部的阴极室。
6.一种实施权利要求1~5任意一项所述车载燃料电池控制方法的车载燃料电池控制系统，其特征在于，所述车载燃料电池控制系统包括：
制冷模块，用于液化石油气经过解压单元绝热膨胀后，释放冷量，通过第一换热系统直接为制冷设备制冷；
石油气纯化模块，用于由第一换热系统管出来的石油气在脱硫单元中脱除含硫组份；纯化后的石油气经第二换热系统与燃料电池电堆尾气换热；
石油气混合模块，用于实现储水箱中的水经过蒸汽发生器，吸收燃料电池电堆产生的热量，被加热为过热蒸汽；在混合器中与由换热器第二换热系统出来的石油气混合；
第一能量转化模块，用于将混合气体进入重整单元发生水蒸气重整反应，分解为H2、CO2和CO；
第二能量转化模块，用于将重整单元的尾气在固体氧化物燃料电池中转化为电能，重整单元所有尾气经由第一气体分布器进入固体氧化物燃料电池电堆的阳极管路，空气经过第三换热系统与电堆尾气换热后，进入固体氧化物燃料电池电堆的阴极室；
第三能量转化模块，用于将未完全转化的化学能转化为热能，未完全反应的气体在阳极气路出口处燃烧，燃烧火焰直接为重整单元供热；燃烧后的尾气进入阴极室，与未反应的空气混合后进入电堆尾气的排放管路；电堆尾气经过第二换热系统和第三换热系统为石油气和空气预热后，经过车载的车内加热系统为车内加热系统供热；
尾气回收排放系统，尾气中的水经冷凝后返回储水箱，其他尾气对环境无害，直接排空。
7.一种实施权利要求1~5任意一项所述车载燃料电池控制方法的车载燃料电池控制装置，其特征在于，所述车载燃料电池控制装置包括：液化石油气储罐、解压单元、第一换热系统、制冷设备、脱硫单元、第二换热系统、混合器、重整单元、第一气体分布器、固体氧化物燃料电池电堆、第三换热系统、第二气体分布器、尾气、第四换热系统、车内加热系统、储水箱、蒸汽发生器、管线、燃烧室、流量计、阳极、阴极、连接体、单体、阳极管路、阴极室、筛板、进气口；
液化石油气储罐通过管道与解压单元连接，解压单元通过管道与第一换热系统连接，第一换热系统与制冷设备连接，第一换热系统通过管道与脱硫单元连接，脱硫单元通过管道与第二换热系统连接，第二换热系统通过管道与第三换热系统连接，第三换热系统通过管道与第二气体分布器、第四换热系统连接，第四换热系统与车内加热系统连接，第四换热系统通过管道与储水箱连接，储水箱通过管道与蒸汽发生器连接，蒸汽发生器通过管道与混合器连接，混合器通过管道与第二换热系统、重整单元连接，第二气体分布器通过管道与流量计连接，流量计通过管道与重整单元连接，重整单元通过管道与第一气体分布器连接，燃烧室通过管道与液化石油气储罐连接。
8.如权利要求7所述的车载燃料电池控制装置，其特征在于，所阳极位于贯穿的管路中，阴极位于扁管外侧，连接体位于扁管一侧；单体通过连接体连接，安装于气体分布器之上，单体以单排、双排或多排的形式排布。
9.一种电动汽车，其特征在于，所述电动汽车安装有权利要求8所述的车载燃料电池控制装置。
10.一种电动汽车，其特征在于，所述重型车辆安装有权利要求8所述的车载燃料电池控制装置。
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