CN114204071A - 一种液体燃料电池系统 - Google Patents

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姬峰
杨丞
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Abstract

本发明公开了一种液体燃料电池系统，所述的液体燃料电池系统包含燃料电池、加热器、换热器、三通阀；所述的燃料电池包含阳极反应流道、阴极反应流道、热管理流道；所述的燃料电池的工作介质包含第一工质、第二工质；所述的加热器设于所述的热管理流道的进口处；所述的换热器设于所述的热管理流道的出口处，用于将第一工质携带的燃料电池的反应热与所述的第二工质热交换；所述的三通阀包含进口阀、第一出口阀、第二出口阀，所述的进口阀与所述的热管理流道出口连通，所述的第一出口阀与所述的阳极反应流道的进口连通，所述的第二出口阀与所述的热管理流道的进口连通。所述的液体燃料电池能够实现热量的自给自足，提升能量利用率。

Description

一种液体燃料电池系统
技术领域
本发明涉及氢能与燃料电池技术领域，具体涉及一种液体燃料电池系统。
背景技术
燃料电池被认为是一种新型能源转换技术，可以将储存在燃料中的化学能通过电化学反应转化为电能和热能，具有高能量转换效率、零排放、低运行噪音、低维护费用等优点。传统的燃料电池以氢气作为阳极燃料，来源一般为化石燃料的重整制氢，存在结构复杂，功耗大，氢气纯度低等问题。
储氢液体作为一种新型氢能存储方式，与现有基础燃油基础设施具有良好的匹配性。储氢液体的终端利用技术之一是直接液体燃料电池，其工作点一般在160-200℃。相较于传统的燃料电池，直接液体燃料电池可以将甲醇、甲基环己烷、汽柴油等液体燃料直接通入阳极发电脱氢，不需要进行重整和提纯，且由于其较高工作温度，产物水以蒸汽的形式存在，避免了燃料电池阴极的排水问题。然而与氢气相比，储氢液体的密度和比热容都较大，加热至160-200℃的过程需要较大的能量输入，导致系统寄生能耗的增加，降低了系统的能量利用效率；此外目前的储氢液体燃料电池系统往往采用独立的热管理介质和热管理设备，导致系统体积和重量的增加，降低了系统的能量功率密度。
发明内容
本发明的目的是解决目前储氢液体燃料电池系统能量利用率和能量功率密度低问题。
为了达到上述目的，本发明提供了一种液体燃料电池系统，所述的液体燃料电池系统包含燃料电池、加热器、换热器、三通阀；所述的燃料电池包含阳极反应流道、阴极反应流道、热管理流道；所述的燃料电池的工作介质包含第一工质、第二工质；所述的加热器设于所述的热管理流道的进口处，用于加热所述的第一工质以预热所述的燃料电池；所述的换热器设于所述的热管理流道的出口处，用于将第一工质携带的燃料电池的反应热与所述的第二工质热交换，以预热燃料电池的第二工质；所述的三通阀包含进口阀、第一出口阀、第二出口阀，所述的进口阀与所述的热管理流道出口连通，所述的第一出口阀与所述的阳极反应流道的进口连通，所述的第二出口阀与所述的热管理流道的进口连通。
较佳地，所述的热管理流道进口处还设有循环泵，用于驱动所述的第一工质进入所述的热管理流道。
较佳地，所述的换热器包含但不限于板式换热器、套管式换热器、管壳式换热器中的任意一种。
较佳地，所述的液体燃料电池系统还设有混合器，分别连通所述的三通阀与第一工质储存容器，用于混合作为冷却介质的第一工质和第一工质的补充液。
较佳地，所述的第一工质是储氢液体燃料，包含但不限于是甲醇、甲基环己烷、汽柴油中的任意一种，存储于第一工质储存容器中。
较佳地，所述的第一工质既能够进入所述的阳极反应流道作为阳极反应物进行反应，又能够进入所述的热管理流道作为加热介质或冷却介质。
较佳地，所述的第二工质能够进入所述的阴极反应流道作为阴极反应物进行反应。
较佳地，所述的液体燃料电池系统还设有产物回收容器，用于收集经所述的燃料电池发电脱氢后的产物。
较佳地，所述的液体燃料电池系统在稳定运行阶段不需要外部的能量输入，所述的燃料电池第一工质、第二工质、冷却介质预热所需能量均来自所述的燃料电池自身的反应热。
本发明的有益效果：
(1)燃料电池的第一工质通过加热器加热后预热燃料电池系统，通过换热器预热第二工质，通过三通阀分流提供达到温度要求的阳极反应物，实现反应物与热管理介质的能量耦合，在稳态运行时不需要外部提供额外的热量，可以减少寄生能耗，提升系统能量利用率；
(2)燃料电池的液体燃料既可以作为加热介质用于预热燃料电池系统，又可以作为冷却介质为燃料电池系统散热，在稳定运行阶段充分实现了热量的自给自足，提高了系统的能量利用率；
(3)燃料电池的阳极反应物和热管理介质是同一种工质，不需要设置独立的热管理介质储罐和热管理回路，可以达到简化系统结构，减小系统体积，提高能量功率密度。
附图说明
图1为本发明的液体燃料电池系统示意图。
图中，1-液体燃料罐，2-三通阀，21-进口阀，22-第一出口阀，23-第二出口阀，3-燃料电池，4-燃料泵，5-混合器，6-加热器，7-循环泵，8-换热器，9-空气泵，10-脱氢液体燃料罐。
图中，实线表示作为热管理介质的储氢液体燃料的流动路线，虚线表示作为阳极反应物的储氢液体燃料的流动路线，点划线表示阴极反应物的流动路线。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
下面结合图1对本发明进行详细的说明。
本发明所提出的一种液体燃料电池系统包含燃料电池3、加热器6、换热器8、三通阀2。所述的燃料电池3包含阳极反应流道、阴极反应流道、热管理流道；所述的燃料电池3的燃料包含第一工质、第二工质。在本例中，所述的第一工质采用储氢液体燃料作为阳极反应物，储存于液体燃料罐1中；所述的第二工质采用空气作为阴极反应物。所述的加热器6设于所述的热管理流道的进口处，用于加热所述的储氢液体燃料以预热所述的燃料电池3。所述的换热器8设于所述的热管理流道的出口处，用于将所述的阳极反应物携带的燃料电池的反应热与所述的阴极反应物热交换，以预热燃料电池3的阴极反应物。所述的三通阀2包含进口阀21、第一出口阀22、第二出口阀23，所述的进口阀21与所述的热管理流道出口连通，所述的第一出口阀22与所述的阳极反应流道的进口连通，所述的第二出口阀23与所述的热管理流道的进口连通。
本发明所提出的一种液体燃料电池系统，整个液体燃料电池系统反应物的流动路线包含作为热管理介质中加热介质的储氢液体燃料的流动路线、作为热管理介质中冷却介质的储氢液体燃料的流动路线、作为阳极反应物的储氢液体燃料的流动路线、阴极反应物的流动路线。
如图1所示，一些实施例中为了把液体燃料从液体燃料罐1中抽出，所述的液体燃料罐1出口处设有燃料泵4。当储氢液体燃料作为热管理介质流动时，储氢液体燃料能够在所述的热管理流道上进行流动。所述的热管理流道连通有一个三通阀2，所述的三通阀2具有一个进口阀门21、第一出口阀门22、第二出口阀门23，所述的进口阀门21与热管理流道出口相连通，所述的第一出口阀门22与所述的阳极反应流道的进口连通，所述的第二出口阀门23与所述的热管理流道的进口连通。
如图1所示，启动阶段，当储氢液体燃料作为加热介质流动时，三通阀2的与所述的热管理流道的进口连通的阀门(即第二出口阀门23)打开，与所述的阳极反应流道的进口连通的阀门(即第一出口阀门22)关闭。所述的热管理流道进口处设有所述的加热器6，用于加热来自所述的液体燃料罐1的阳极反应物常温储氢液体燃料，常温储氢液体燃料经过加热后作为加热介质通过第二出口阀门23进入所述的热管理流道。加热介质充满全部所述的热管理流道回路后所述的燃料泵4关闭，所述的加热器6出口处设有循环泵7，加热介质在所述的循环泵7驱动下进入所述的热管理流道，从而将所述的燃料电池3预热至启动温度，启动时间控制在15min时对应的加热器功率约为5kW。
如图1所示，将燃料电池3预热至启动温度后进入稳定运行阶段，当储氢液体燃料作为冷却介质流动时，所述的加热器6关闭，储氢液体作为冷却介质通过所述的第二出口阀门23进入燃料电池3的热管理流道，在所述的燃料电池3的进出口将温差控制在10℃，以保证燃料电池内部温度的均一性，带走热量约为8.5kW，剩余的小部分热量由阴阳极反应物带出以及通过电池与环境的辐射和对流换热排出。
与此同时，当储氢液体燃料作为冷却介质流动时，储氢液体燃料也能够预热进入阴极反应流道前的阴极反应物。所述的阴极反应流道进口处设有空气泵9，阴极反应物气体经过所述的空气泵9进入所述的阴极反应流道，所述的阴极反应流道进口处还设有换热器8，用于将燃料电池冷却介质所带出的反应热与燃料电池的阴极反应物气体热交换以预热燃料电池的阴极反应物。
如图1所示，当储氢液体燃料作为阳极反应物流动时，在所述的三通阀2与所述的阳极反应流道之间设有温度检测器，当所述的温度检测器检测到温度达到启动温度时，进入稳定运行阶段，所述的三通阀2的与所述的阳极反应流道进口连通的阀门(即第一出口阀门22)打开，储氢液体燃料作为阳极反应物进入所述的阳极反应流道进行反应发电脱氢，产生10kW热量，所述的燃料电池3还包含有脱氢液体燃料罐10，用于收集脱氢产物。
与此同时，所述的燃料泵4出口处还设有混合器5，稳定运行阶段，所述的燃料泵4再次开启，用于向所述的混合器5中补充储氢液体燃料以弥补因分流造成的冷却介质流量损失。补充储氢液体燃料与作为冷却介质的储氢液体燃料在所述的混合器5中混合，冷却介质带出的热量用于加热来自所述的液体燃料罐1的常温补充液，消耗热量约2kW，随后在所述的循环泵7的驱动下再次进入所述的燃料电池3对其进行冷却。冷却介质剩余未消耗的热量通过管道的热辐射和热对流排放到周围环境中。
综上所述，本发明所提出的一种液体燃料电池系统，在启动阶段，通过加热器加热液体燃料，经过热管理流道来预热液体燃料电池系统，在稳定运行阶段，液体燃料一部分作为阳极反应物进入燃料电池发电，另一部分作为冷却介质经燃料电池产生的反应热带出，用于预热进入燃料电池前的阳极反应物、阴极反应物、冷却介质，实现了热量的自给自足，大大提高了能量的利用率。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种液体燃料电池系统，其特征在于：所述的液体燃料电池系统包含燃料电池、加热器、换热器、三通阀；
所述的燃料电池包含阳极反应流道、阴极反应流道、热管理流道；
所述的燃料电池的工作介质包含第一工质、第二工质；
所述的加热器设于所述的热管理流道的进口处，用于加热所述的第一工质以预热所述的燃料电池；
所述的换热器设于所述的热管理流道的出口处，用于将第一工质携带的燃料电池的反应热与所述的第二工质热交换，以预热燃料电池的第二工质；所述的三通阀包含进口阀、第一出口阀、第二出口阀，所述的进口阀与所述的热管理流道出口连通，所述的第一出口阀与所述的阳极反应流道的进口连通，所述的第二出口阀与所述的热管理流道的进口连通。
2.如权利要求1所述的液体燃料电池系统，其特征在于：所述的热管理流道进口处还设有循环泵，用于驱动所述的第一工质进入所述的热管理流道。
3.如权利要求1所述的液体燃料电池系统，其特征在于：所述的换热器包含但不限于板式换热器、套管式换热器、管壳式换热器中的任意一种。
4.如权利要求1所述的液体燃料电池系统，其特征在于：所述的液体燃料电池系统还设有混合器，分别连通所述的三通阀与第一工质储存容器，用于混合作为冷却介质的第一工质和第一工质的补充液。
5.如权利要求1所述的液体燃料电池系统，其特征在于：所述的第一工质是储氢液体燃料，包含但不限于是甲醇、甲基环己烷、汽柴油中的任意一种，存储于第一工质储存容器中。
6.如权利要求1所述的液体燃料电池系统，其特征在于：所述的第一工质既能够进入所述的阳极反应流道作为阳极反应物进行反应，又能够进入所述的热管理流道作为加热介质或冷却介质。
7.如权利要求1所述的液体燃料电池系统，其特征在于：所述的第二工质能够进入所述的阴极反应流道作为阴极反应物进行反应。
8.如权利要求1所述的液体燃料电池系统，其特征在于：所述的液体燃料电池系统还设有产物回收容器，用于收集经所述的燃料电池发电脱氢后的产物。
9.如权利要求1所述的液体燃料电池系统，其特征在于：所述的液体燃料电池系统在稳定运行阶段不需要外部的能量输入，所述的燃料电池的第一工质、第二工质、冷却介质预热所需能量均来自所述的燃料电池自身的反应热。
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