CN117810495A - 一种基于常温pemfc的高效甲醇重整燃料电池发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于常温PEMFC的高效甲醇重整燃料电池发电系统，属于燃料电池技术领域。一种基于常温PEMFC的高效甲醇重整燃料电池发电系统，包括：甲醇溶液重整单元、高纯甲醇催化反应单元、燃烧烟气单元、空气单元、冷却单元、换热单元。本发明在保留常温PEMFC系统的功率密度高、结构紧凑、启动快速等优点的同时，兼备了高温HPEMFC系统的高稳定性、高整机效率和系统简化的特点，可拓展在更多领域和较高发电功率等级要求的环境下使用，同时具备了较好的低温存储和启动适应性。

Description

一种基于常温PEMFC的高效甲醇重整燃料电池发电系统

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，涉及一种基于常温PEMFC的高效甲醇重整燃料电池发电系统。

背景技术

氢能作为一种清洁高效的能源，能量密度高，可储存运输，来源广泛，产物为水，无污染、零碳排放，逐渐成为全球未来能源领域的发展趋势。氢能的制储和氢燃料电池技术作为氢能利用的核心技术，是氢能技术发展的重中之重。

近年来，醇类重整制氢成为氢能制储的关注焦点。甲醇重整质子交换膜燃料电池(PEMFC)技术，也成为一种较为可行、安全的氢能发电技术。甲醇重整PEMFC发电系统的原理为：甲醇经过重整系统得到粗氢，粗氢经过提纯得到纯氢，纯氢经过PEMFC(质子交换膜燃料电池)，产生电能。根据工作温度可分为常温PEMFC和高温HPEMFC。

常温PEMFC的功率密度较高，单个电堆功率大，启动快速，发电单元紧凑，但系统和过程控制较为复杂，且因低CO耐受性可靠性低，能量内耗较大，整机热、电效率较低。高温HPEMFC整机电效率更高，可达到45％以上，然而受到膜电极技术的限制，目前HPEMFC功率密度较低，单个电堆的功率十分有限，集成大型系统或者氢燃料汽车发动机时可能需要多个电堆叠加，系统整体较为笨重。除此，高温运行还伴有启动时间长等问题。两者共性面对低温贮藏、低温启动困难需借助储能电池等问题。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种基于常温PEMFC的高效甲醇重整燃料电池发电系统，至少解决以下技术问题之一：1、现有甲醇重整常温PEMFC发电系统整机热效率低，系统易毒化；2、高温HPEMFC系统功率密度低，系统较为笨重；3、两者共性面对的低温贮藏、低温启动困难需借助储能电池的问题等。本发明适用于氢燃料电池车、大型热电联产和应急供电系统等10～30kW以上功率等级的应用场景。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种基于常温PEMFC的高效甲醇重整燃料电池发电系统，包括：甲醇溶液重整单元、高纯甲醇催化反应单元、燃烧烟气单元、空气单元、冷却单元、换热单元；

所述甲醇溶液重整单元用于向燃料电池阳极直接提供甲醇溶液经重整、提纯净化后的气体；

所述高纯甲醇催化反应单元用于通过催化燃烧反应向甲醇溶液重整提供热量；

所述燃烧烟气单元用于为甲醇溶液重整提供热量以及提供冷却工质温度调节热量以实现系统的常温和低温启动；

所述空气单元包括第一支路、第二支路和第三支路，所述第一支路为主空气路，主空气路空气进入燃料电池阴极进行电化学反应，所述第二支路空气参与粗提纯气的提纯反应，所述第三支路为Air Bleed空气路，Air Bleed空气路经过与精提纯气充分混合后，共同进入燃料电池阳极参与反应；

所述冷却单元用于冷却燃料电池和压缩空气以及与高温燃烧烟气换热进行冷却工质的温度调节；

所述换热单元用于实现冷却工质与高温燃烧烟气的热量交换；所述换热单元包括第一换热器、第二换热器和电加热器；所述换第二换热器和所述电加热器并联，并通过冷却液管线连接冷却液泵和燃料电池阳极；所述冷却工质通过第二换热器和电加热器与高温燃烧烟气换热，换热后的冷却工质加热燃料电池堆，实现系统的常温和低温启动。

进一步地，所述甲醇溶液重整单元包括顺次连接的甲醇溶液储罐、第二蠕动泵、氢气冷却器、重整器、低温变换器和PROX反应器，PROX反应器出口与燃料电池阳极管道连接，提纯净化后的气体通过管道直接通入燃料电池阳极。

进一步地，所述高纯甲醇催化反应单元包括顺次连接的甲醇储罐、第一蠕动泵和催化燃烧器，催化燃烧器的出口与所述甲醇溶液重整单元的所述重整器的进口连通，催化燃烧产生的高温烟气一部分进入所述重整器。

进一步地，所述空气单元包括顺次连接的空气压缩机、中冷器和膜增湿器；所述膜增湿器的出口与燃料电池的阴极连通；空气经空气压缩机压缩及中冷器换热后进入膜增湿器，增湿后的空气进入燃料电池阴极。

进一步地，所述冷却单元包括冷却液储罐、冷却液泵和第二冷却器，冷却工质经冷却液泵泵入燃料电池进行热交换后排出，换热后的冷却工质经第二冷却器冷却后返回冷却液储罐；

所述冷却单元的冷却工质的一部分经冷却液泵泵入所述空气单元的所述中冷器，与经过所述中冷器的空气换热后返回冷却液储罐。

进一步地，所述燃烧烟气单元包括第一支路管线和和第二支路管线；第一支路管线出口与所述重整器连通；第二支路管线与冷却工质经所述冷却液泵泵入燃料电池的管线连接，第二支路管线内的高温烟气与冷却工质进行热交换。

进一步地，所述燃料电池发电系统还包括蒸发单元、缓冲单元、发电单元和控制部件。

进一步地，所述蒸发单元包括依次连接的第一蒸发器、第二蒸发器、第一冷却器、分液罐；所述缓冲单元包括第一缓冲罐、第二缓冲罐和尾气缓冲罐。

进一步地，所述系统电气控制基于PID控制；所述甲醇溶液重整单元的第二蠕动泵的频率和燃料电池阳极进气压力信号形成反馈调节；所述空气单元的空气压缩机频率和背压阀形成反馈调节；所述高纯甲醇催化反应单元的第一蠕动泵与所述催化燃烧器内温度信号形成反馈调节；所述换热单元的第二换热器和电加热器分别与启动旁通阀和节温器阀门形成反馈调节。

本发明还提供了一种基于常温PEMFC的高效甲醇重整燃料电池发电方法，通过上述燃料电池发电系统实现，包括：

以甲醇溶液和高纯甲醇为输入；

甲醇溶液经重整、净化后直接通入燃料电池阳极；

高纯甲醇进行催化燃烧反应，反应热用于甲醇溶液重整；

空气经过增压、加湿后直接通入燃料电池阴极；

冷却工质经过加压后用于燃料电池冷却；

冷却工质通过并联的换热器和电加热器与高温燃烧烟气换热后实现系统的常温和低温启动。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

1、本发明基于常温PEMFC的高效甲醇重整燃料电池发电系统设计兼具常温PEMFC和高温HPEMFC的特点，具备较高的发电功率(高于10kW)和功率密度(以额定功率15kW为例，发电单元约950W/kg，整机高于180W/kg，额定功率升高，功率密度更高)。

2、原料贮藏方面，使用配置好的甲醇水溶液和高纯甲醇作为输入，冷却液采用冰河冷媒作为工质，冰点低，低温存储适应性强。

3、燃料电池取消了氢气循环系统，改为阳极直通形式，未利用的氢气通入催化燃烧器进行余热利用，阳极通过重整气中的过量水进行增湿，简化了燃料电池发电系统，提升系统的功率密度，节约空间。燃料电池对于阳极和阴极侧的压力差有严格要求，压力差过大，可能造成系统损坏，本发明采用阳极尾气和阴极尾气混合，平衡两侧压力，提高了系统可靠性。

4、高纯甲醇自热燃烧采用催化燃烧形式，可实现低温条件下的快速自动引燃，无需外界点火设施，提高系统的极端环境适应性。燃烧助燃剂采用燃料电池混合尾气，一方面利用未用尽的氢气，另一方面利用阴极尾气中的余热显热。阴极尾气中的低氧特点可降低燃烧反应速率，减少燃烧局部高温点，提升催化剂使用寿命。燃烧产生的热量除向重整和低温变换供热外，高温烟气可进一步加热汽化进口的甲醇溶液和高纯甲醇，充分利用余热、降低排烟温度后排出系统，提高了系统的热效率。本发明只需一台空气加压设备，提高系统功率密度同时，减少设备内耗和系统复杂性。

5、甲醇水蒸气重整后(200～350℃)，经过低温变换反应(180～250℃)初步提纯，精提纯则采用PROX技术(70～100℃)。粗提纯和精提纯之间的潜热通过换热器预热甲醇水溶液，同时冷却粗提纯气体至下一工段的反应温度，充分利用系统潜热。相较于其他的提纯形式，该方式结构紧凑，耗能极小，进一步提高系统热效率。

6、系统运行方面，增加Air Bleed气路，通过向阳极通入少量空气的Air Bleed技术，解决净化系统净化效果不达标可能造成的燃料电池毒化问题。极大提升系统的稳定性。系统采用加压运行，解决CO₂稀释带来的电流密度下降问题。

7、通过甲醇催化快速自点火和启动换热器，结合常温PEMFC的特点，系统可实现快速启动，并且可不借助蓄电池完成启动，冷却工质通过并联的换热器和电加热器与高温燃烧烟气换热后实现系统的常温和低温启动。

8、系统排水可进行回收利用，使系统无需高纯水补给，降低补给要求。

9、常温PEMFC整机电效率约25％～30％，本发明通过系统合理设计可以使常温PEMFC系统整机的总体运行效率高于43％，达到高温HPEMFC系统的电效率水平，兼具常温和高温质子膜燃料电池的优点。

综上，本发明在保留温PEMFC系统的功率密度高、结构紧凑、启动快速等优点的同时，兼备了高温HPEMFC系统的高稳定性、高整机效率和系统简化的特点，可拓展在更多领域和较高发电功率等级要求的环境下使用，同时具备了较好的低温存储和启动适应性。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明甲醇重整燃料电池发电系统示意图；

图2为本发明甲醇重整燃料电池发电系统电气控制策略图；

图3为本发明甲醇重整燃料电池发电系统Aspen模拟流程图。

附图标记：空气压缩机B-01；中冷器Z-01；膜增湿器M-01；第一缓冲罐T-01；第二缓冲罐T-02；尾气缓冲罐T-03；第一换热器E-01；第二换热器E-02；催化燃烧器F-01；重整器R-01；低温变换反应器LTS-01；第一蒸发器V-01；第二蒸发器V-02；氢气冷却器PH-01；第一蠕动泵P-01；第二蠕动泵P-02；冷却液泵P-03；PROX反应器D-01；分液罐S-01；第一冷却器C-01；第二冷却器C-02；第三冷却器C-03。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

甲醇重整PEMFC发电系统根据工作温度可分为常温PEMFC和高温HPEMFC，常温PEMFC的功率密度较高，单个电堆功率大，启动快速，发电单元紧凑，但系统和过程控制较为复杂，且因低CO耐受性可靠性低，能量内耗较大，整机热、电效率较低。高温HPEMFC整机电效率更高，可达到45％以上，然而受到膜电极技术的限制，目前HPEMFC功率密度较低，单个电堆的功率十分有限，集成大型系统或者氢燃料汽车发动机时可能需要多个电堆叠加，系统整体较为笨重。除此，高温运行还伴有启动时间长等问题。两者共性面对低温贮藏、低温启动困难需借助储能电池等问题。

本发明提供了一种基于常温PEMFC的高效甲醇重整燃料电池发电系统，包括：甲醇溶液重整单元、高纯甲醇催化反应单元、燃烧烟气单元、空气单元、冷却单元、换热单元；

所述甲醇溶液重整单元用于向燃料电池阳极直接提供甲醇溶液经重整、提纯净化后的气体；

所述高纯甲醇催化反应单元用于通过催化燃烧反应向甲醇溶液重整提供热量；

所述燃烧烟气单元用于为甲醇溶液重整提供热量以及提供冷却工质温度调节热量以实现系统的常温和低温启动；

所述空气单元包括第一支路、第二支路和第三支路，所述第一支路为主空气路，主空气路空气进入燃料电池阴极进行电化学反应，所述第二支路空气参与粗提纯气的提纯反应，所述第三支路为Air Bleed空气路，Air Bleed空气路经过与精提纯气充分混合后，共同进入燃料电池阳极参与反应；

所述冷却单元用于冷却燃料电池和压缩空气以及与高温燃烧烟气换热进行冷却工质的温度调节；

所述换热单元用于实现冷却工质与高温燃烧烟气的热量交换；所述换热单元包括第一换热器、第二换热器和电加热器；所述换第二换热器和所述电加热器并联，并通过冷却液管线连接冷却液泵和燃料电池阳极；所述冷却工质通过第二换热器和电加热器与高温燃烧烟气换热，换热后的冷却工质加热燃料电池堆，实现系统的常温和低温启动。

本发明通过甲醇溶液重整单元和高纯甲醇催化反应单元实现甲醇水溶液和高纯甲醇的输入，高纯甲醇催化反应单元用于通过催化燃烧反应向甲醇溶液重整提供热量，并通过燃烧烟气单元提供了燃烧产生的高温烟气余热充分利用的可能，能够提高系统的热效率。燃料电池阳极通过重整气中的过量水进行增湿，简化了燃料电池发电系统，提升系统的功率密度，节约空间。此外，燃料电池采用阳极直通形式，取消了氢气循环系统。通过换热器和并联的电加热器实现冷却工质和高温燃烧烟气的换热，实现系统的低温和常温启动。

具体的，甲醇溶液重整单元包括顺次连接的甲醇溶液储罐、第二蠕动泵P-02、氢气冷却器PH-01、重整器R-01、低温变换器LTS-01和PROX反应器D-01，PROX反应器D-01出口与燃料电池阳极管道连接，提纯净化后的气体通过管道直接通入燃料电池阳极。

具体的，高纯甲醇催化反应单元包括顺次连接的甲醇储罐、第一蠕动泵P-01和催化燃烧器F-01，催化燃烧器F-01的出口与甲醇溶液重整单元的重整器R-01的进口连通，催化燃烧产生的高温烟气一部分进入重整器R-01。

具体的，空气单元包括顺次连接的空气压缩机B-01、中冷器Z-01和膜增湿器M-01；所述膜增湿器M-01的出口与燃料电池的阴极连通。空气经空气压缩机B-01压缩及中冷器Z-01换热后进入膜增湿器M-01，增湿后的空气进入燃料电池阴极。

进一步地，空气经过压缩增压及中冷器后分为三个支路，空气单元包括三个支路管线；第一支路管线为主空气管线，空气经过加湿进入燃料电池阴极进行电化学反应。产生的高湿度阴极尾气再次用于给空气加湿，同时与精提纯气和燃料电池阳极反应后产生的阳极尾气混合，混合尾气经过加热后作为氧化剂与高纯甲醇进行催化燃烧反应，同时阴极气体带出的电化学反应产物液态水完成分离排液；第二支路管线空气参与粗提纯气的提纯反应；第三支路管线为Air Bleed空气管线，空气经过与精提纯气充分混合后，共同进入燃料电池阳极参与反应。

具体的，冷却单元包括冷却液储罐和冷却液泵P-03和第二冷却器C-02，冷却工质经冷却液泵P-03泵入燃料电池进行热交换后排出，换热后的冷却工质经第二冷却器C-02冷却后返回冷却液储罐。

进一步地，冷却单元的冷却工质的一部分经冷却液泵P-03泵入空气单元的中冷器Z-01，与经过中冷器Z-01的空气换热后返回冷却液储罐。

具体的，燃烧烟气单元包括第一支路管线和和第二支路管线；第一支路管线出口与甲醇溶液重整单元的重整器连通；第二支路管线与冷却工质经冷却液泵P-03泵入燃料电池的管线连接，第二支路管线内的高温烟气与冷却工质进行热交换。

具体的，换热单元包括第一换热器E-01、第二换热器E-02和电加热器EH-01。换热单元第二换热器E-02和电加热器EH-01并联，并通过冷却液管线连接冷却液泵P-03和燃料电池阳极，实现系统常温和低温启动。

进一步地，上述常温PEMFC的高效甲醇重整燃料电池发电系统还包括蒸发单元、缓冲单元、发电单元和控制部件。

具体的，蒸发单元包括依次连接的第一蒸发器V-01、第二蒸发器V-02、第一冷却器C-01、分液罐S-01。

具体的，缓冲单元包括第一缓冲罐T-01、第二缓冲罐T-02和尾气缓冲罐T-03。

需要说明的是，系统内高温元器件置入一个高温保温箱Hot Box中，形成近热孤立系统，包括催化反应器F-01、重整器R-01、低温变换反应器LTS-01、第一蒸发器V-01、第二蒸发器V-02、第三冷却器C-03、第一换热器E-01。

具体的，蒸发单元的第一蒸发器V-01设置在原料气管线上，第一蒸发器V-01包括多个进口端和多个出口端，第一蒸发器V-01的其中一个进口端与甲醇溶液重整单元的氢气冷却器PH-01的一个出口端相连，第一蒸发器V-01的另一个进口端与甲醇溶液重整单元的重整器R-01的一个出口端相连，第一蒸发器V-01的其中一个出口端依次连接第二蒸发器V-02、第一换热器E-01和第一冷却器C-01。

蒸发单元的第二蒸发器V-02、第一冷却器C-01、分液罐S-01设置在燃烧烟气单元的第一支路管线上；第二蒸发器V-02通过燃烧烟气单元的第一支路管线分别与第一蒸发器V-01及换热单元所述第一换热器E-01连接，同时通过高纯甲醇单元的管线与催化燃烧器F-01和第一蠕动泵P-01连接，第一冷却器C-01分别与第一换热器E-01分液罐S-01连接。

换热单元第一换热器E-01通过燃烧烟气单元的第一支路管线分别与蒸发单元第二蒸发器V-02和第一冷却器C-01连接，同时通过空气单元主空气管线分别与缓冲单元尾气缓冲罐T-03及高纯甲醇催化反应单元的催化燃烧器F-01连接；第二换热器E-02和电加热器EH-01并联，并通过冷却液管线连接冷却液泵P-03和燃料电池阳极。

缓冲单元第一缓冲罐T-01通过甲醇溶液重整单元的管线分别与第二蠕动泵P-02和氢气冷却器PH-01连接，第二缓冲罐T-02通过空气单元Air Bleed空气管线与中冷器Z-01连接，同时通过甲醇溶液重整单元的重整气管线分别连接燃料电池阳极和第三冷却器C-03；尾气缓冲罐T-03通过主空气管线分别连接燃料电池阴极和第一换热器E-01，同时通过甲醇溶液重整单元的重整气管线连接燃料电池阳极。

工作时，甲醇溶液通过加压泵后，依次经过第一缓冲罐T-01、预热；第一蒸发器V-01汽化并加热至重整温度，重整器R-01内进行反应；产物粗重整气进入低温变换反应器LTS-01进行粗提纯；粗提纯气经过第三冷却器C-03进行冷却至PROX反应所需的温度；冷却粗提纯气进入PROX反应器进行精提纯；精提纯气体经过第二缓冲罐T-02，进入燃料电池阳极进行电化学反应；阳极尾气进入尾气缓冲罐T-03与阴极尾气混合。

空气经过空气压缩机加压后，通过中冷器Z-01进行冷却后分成三路。第一路为主空气路，依次经过膜增湿器M-01进行加湿(可选择的，可采用其他增湿形式；若采用自增湿型燃料电池可省略膜增湿器)；燃料电池阴极进行电化学反应；高湿度阴极尾气再次进入膜增湿器M-01给进气增湿；进入尾气缓冲罐T-03与阳极尾气混合，以确保阴极和阳极侧压力平衡，阴极气体带出的电化学反应产物液态水在此进行分离排液；此后进入第一换热器E-01进行加热后进入催化燃烧器F-01，作为氧化剂参与反应，由于燃料电池排气仍然具有一定的温度，可将该部分余热进行再次利用。第二路为PROX提纯空气，通过控制阀门连接至PROX反应器D-01，参与提纯反应。

为解决LTS+PROX净化效果不理想造成燃料电池毒化风险性提高的问题，引入第三路Air Bleed空气路，Air Bleed技术是指向阳极提纯氢气中通入少量空气(体积分数2％～5％)，从而使燃料电池可在远高正常耐受CO浓度条件下正常工作的技术，Air Bleed空气通过控制阀门连接至第二缓冲罐T-02，与提纯气进行充分混合，可共同进入燃料电池阳极。

高纯甲醇经过第一蠕动泵P-01增压后，依次经过第二蒸发器V-02进行汽化；进入催化燃烧器F-01，与燃料电池尾气进行燃烧反应，反应热用以向重整器R-01供热，阳极尾气中含有部分未利用的氢气在此进行余热回收，参与反应后低含氧量的空气可降低燃烧反应温度，避免出现局部高温点，延长催化剂寿命，便于温度控制；燃烧后产生高温烟气。催化燃烧器F-01中所采用的催化剂为贵金属Pt，保证燃料可在低温和无外界点火的情况下进行快速自点火反应。

燃烧产生的高温烟气依次经过第一蒸发器V-01，将甲醇溶液汽化并加热至重整反应温度；经第二蒸发器V-02加热汽化高纯甲醇；通过第一换热器E-01换热，用以加热燃料电池尾气，进行余热再次利用；最后进入冷却装置降至限定排气温度以下，经过排液罐汽水分离后排出。燃烧烟气可进行旁通，通过启动第二换热器E-02，用以加热冷却单元中的冷却工质，冷却工质加热燃料电池堆，进而完成系统常温和低温启动。

冷却单元通过冷却液泵P-03加压，分别供给燃料电池堆和中冷器Z-01。通过冷却工质带走燃料电池电化学反应热量和空气压缩的压缩热，高温冷却液进入第二冷却器C-02冷却后，循环利用。低温和常温启动时，冷却液可通过启动换热单元的换热器进行加热，第二换热器E-02并联一路电加热器EH-01路，用以进行温度调节，并可满足常温启动条件。启动过程中，可停止或减少中冷器Z-01供液，以提升快速空气进气温度。

具体的，本发明采用的电气控制策略见图2。整个系统基于PID控制，甲醇溶液重整单元的第二蠕动泵P-02的频率和燃料电池阳极进气压力信号形成反馈调节，设定预设压力值，当阳极进气压力低于设定值时，压力传感器向甲醇溶液第二蠕动泵P-02控制器发出电流信号，增加泵频率，提升压力至预设值，反之降低；空气压力和尾气压力分别通过空气单元的空气压缩机B-01频率和背压阀进行反馈调节，原理同上。高纯甲醇催化反应单元的第一蠕动泵P-01则与催化燃烧器F-01内温度信号形成反馈调节，设定预设温度值，当催化燃烧器F-01内温度低于设定值时，温度传感器向甲醇第一蠕动泵P-01控制器发出电流信号，增加第一蠕动泵P-01频率，增加催化燃烧器F-01中的燃料供给，提升温度至预设值，反之降低；换热单元的第二换热器E-02和电加热器EH-01分别与启动旁通阀和节温器阀门形成反馈调节，设定预设温度值，当反应器温度偏离设定值时，温度传感器向冷却液泵P-03控制器发出电流信号，调节阀门开度，进而调节第二换热器E-02和电加热器EH-01的工质流量，进而调节系统温度，最大程度简化控制系统。

一种基于常温PEMFC的高效甲醇重整燃料电池发电方法，通过所述发电系统实现，包括：

以甲醇溶液和高纯甲醇为输入；

甲醇溶液经重整、净化后直接通入燃料电池阳极；

高纯甲醇进行催化燃烧反应，反应热用于甲醇溶液重整；

空气经过增压、加湿后直接通入燃料电池阴极；

冷却工质经过加压后用于燃料电池冷却；

冷却工质通过并联的换热器和电加热器与高温燃烧烟气换热后实现系统的常温和低温启动。

具体的，甲醇溶液经重整、净化后直接通入燃料电池阳极，包括甲醇溶液经过加压、冷却、汽化加热至重整温度得到粗重整气，粗重整气经过低温变换得到粗提纯气，粗提纯气经过冷却、PROX反应得到精提纯气，精提纯气经过缓冲后直接通入燃料电池阳极进行电化学反应。

需要说明的是，甲醇溶液经重整、净化后直接通入燃料电池阳极是通过甲醇溶液重整单元实现的。甲醇溶液水醇摩尔比为1.3，甲醇溶液储存在甲醇溶液储罐中，通过蠕动泵加压后，依次经过压力缓冲，冷却，通过蒸发汽化并加热至重整温度；蒸发汽化后的气体即为原料气，原料气进行重整反应；反应完毕得到的产物为粗重整气，粗重整气进行低温变换反应，进行粗提纯；粗提纯气进行冷却至PROX反应所需的温度；经过冷却的粗提纯气进行PROX反应进行精提纯；精提纯气体经过压力缓冲，进入燃料电池阳极进行电化学反应；阳极尾气经过缓冲与阴极尾气混合，以平衡燃料电池堆内部阴极和阳极的压力，降低超压风险，提高系统可靠性。

由于系统采用甲醇重整气作为燃料，因此燃料电池阳极供气中含有约30％的CO₂，为使燃料电池可达到纯氢条件下的电流密度，需将系统加压运行，运行压力约2Bar。燃料电池的运行压力可通过空气压缩机、泵以及尾气缓冲罐后的背压阀进行控制。加压运行提升了燃料电池电堆内部气体的吹扫作用和水蒸气分压，可有效防止膜电极膜淹和膜干，对于水管理具有增益效果。由于系统输入的甲醇溶液，需要按照水醇摩尔比1.3进行配置，补给具有一定的困难，成本较高，因此经过冷凝后系统排水可通过外接循环泵通入原料罐等形式进行回收，以此形成纯甲醇补给系统，无需额外水补充，可降低系统补给难度。尾气缓冲罐上的排液阀可兼具Purge阀功能，配合空气压缩机供风，吹扫燃料电池堆内生成的液态水。

具体的，高纯甲醇进行催化燃烧反应，包括高纯甲醇经过加压、汽化加热后与燃料电池尾气进行燃烧反应。

需要说明的是，高纯甲醇进行催化燃烧反应是通过高纯甲醇催化反应单元实现的。高纯甲醇储存在甲醇储罐中，经过蠕动泵增压后，经过蒸发汽化获得甲醇气体；甲醇气体与燃料电池尾气进行催化燃烧反应，反应热用以向重整反应供热，提供给甲醇溶液进行重整。阳极尾气中含有部分未利用的氢气在此进行余热回收，变工况条件下，通过阳极燃料过量供给，过量氢气进行燃烧，防止燃料电池过载且不影响系统效率，形成能量缓冲，提高系统稳定性。催化燃烧反应中所采用的催化剂为贵金属铂Pt，保证甲醇气体和阳极尾气可在低温和无外界点火的情况下进行快速自点火反应。

具体的，高纯甲醇经催化燃烧反应产生高温燃烧烟气，高温燃烧烟气分为第一支路和第二支路；第一支路的高温燃烧烟气用于为甲醇溶液重整提供热量；第二支路的高温燃烧烟气用于加热冷却单元中的冷却工质。

需要说明的是，催化燃烧反应产生高温燃烧烟气，通过燃烧单元流通。高温燃烧烟气分为两个支路，第一支路高温燃烧烟气首先经过蒸发，提供热量使得甲醇溶液汽化并加热至重整温度；之后经过再次蒸发，加热汽化高纯甲醇；通过换热器，用以加热燃料电池尾气，进行余热再次利用；最后进行冷却，降至限定排气温度以下，经过分液装置完成汽水分离后排出。第二支路高温燃烧烟气，通过换热，用以加热冷却系统中的冷却工质，换热后的冷却工质加热燃料电池堆，进而完成系统常温和低温启动，余气降至限定排气温度以下后排出。

具体的，所述冷却工质经过加压后用于燃料电池冷却，包括冷却工质经过加压后，分别供给燃料电池和中冷器，冷却工质可通过冷却单元循环使用；冷却工质通过第二换热器和与之并联的电加热器与高纯甲醇催化燃烧反应产生的高温燃烧烟气换热，换热后的冷却工质加热燃料电池堆，实现系统的常温和低温启动。

具体的，所述实现系统的常温和低温启动，包括：第二支路的高温燃烧烟气用于加热冷却工质，冷却工质通过启动换热器进行温度调节，第二换热器并联一路电加热器路，用以实现温度调节，满足常温和低温启动条件。

具体的，冷却工质经过加压后用于燃料电池冷却是通过冷却单元实现的。冷却液采用冰河冷媒作为冷却工质，冰点低，低温存储适应性强。冷却液储存于冷却液储罐中，通过冷却液泵加压，分别供给燃料电池堆和中冷器。通过冷却工质带走燃料电池电化学反应热量和空气压缩的压缩热，高温冷却液进行冷却后重新进入冷却液储罐，循环利用。低温和常温启动时，冷却液可通过启动换热器进行温度调节，换热器并联一路电加热器路，用以实现温度调节，可满足常温启动条件。启动过程中，可停止或减少中冷器供液，以快速提升空气进气温度，缩短系统启动时间。

具体的，所述空气经过增压、加湿后直接通入燃料电池阴极，包括空气经过压缩增压及中冷器后分为三个支路，第一支路为主空气路，经过加湿，进入燃料电池阴极进行电化学反应，产生的高湿度阴极尾气再次用于给空气加湿，同时与精提纯气和燃料电池阳极反应后产生的阳极尾气混合，混合尾气经过加热后作为氧化剂与高纯甲醇进行燃烧反应，同时阴极气体带出的电化学反应产物液态水完成分离排液；第二支路空气参与粗提纯气的提纯反应；第三支路空气为Air Bleed空气路，经过与精提纯气充分混合后，共同进入燃料电池阳极参与反应。

需要说明的是，所述空气经过增压、加湿后直接通入燃料电池阴极是通过空气流通单元实现的。空气经过空气压缩机加压后，温度升高，直接通入增湿器和燃料电池中，可能超过其安全使用温度，因此需通过中冷器进行冷却至安全温度，冷却后分成三个支路。第一支路为主空气路，依次经过膜增湿器进行加湿，需要说明的是，也可以选用其他增湿形式对空气增湿，若采用自增湿型燃料电池可以省略膜增湿器；增湿后的空气进入燃料电池阴极进行电化学反应；反应之后的高湿度阴极尾气再次进入膜增湿器给进气增湿；之后进行缓冲后与阳极尾气混合，以确保阴极和阳极侧压力平衡，阴极气体带出的电化学反应产物液态水在此进行分离排液；此外，阴极尾气为参与反应后低含氧量的空气，通过调压背压阀，进入换热器完成换热，进行加热后进入催化燃烧器，作为氧化剂参与反应，同时可降低燃烧反应温度，避免出现局部高温点，延长催化剂寿命，便于温度控制；由于燃料电池排气仍然具有一定的温度，可将该部分余热进行再次利用。第二支路空气参与粗提纯气的提纯反应，通过控制阀门连接至PROX反应器，参与提纯反应。第三支路为Air Bleed空气路，通过向阳极提纯氢气中通入少量空气(体积分数2％～5％)，从而使燃料电池可在远高正常耐受CO浓度条件下正常工作，该支路空气通过控制阀门连接至缓冲罐完成缓冲，与精提纯气进行充分混合，共同进入燃料电池阳极参与反应，解决了LTS+PROX净化效果不理想造成燃料电池毒化风险性提高的问题。

本发明使用常温PEMFC作为甲醇重整燃料电池发电系统的发电单元，相较于高温HPEMFC，其具备较高的发电功率(高于10kW)和功率密度(以额定功率15kW为例，发电单元约950W/kg，整机高于180W/kg。额定功率升高，功率密度更高)。原料贮藏方面，使用配置好的甲醇水溶液和高纯甲醇作为输入，冷却液采用冰河冷媒作为工质，冰点低，低温存储适应性强。燃料电池发电单元方面，取消了氢气循环系统，改为阳极直通形式，未利用的氢气通入燃烧器进行余热利用，阳极通过重整气中的过量水进行增湿，简化了发电单元系统，提升系统的功率密度，节约空间。阳极尾气和阴极尾气混合，平衡两侧压力，提高系统可靠性。甲醇自热燃烧采用催化燃烧形式，可实现低温条件下的快速自动引燃，无需外界点火设施，提高系统的极端环境适应性。燃烧助燃剂采用燃料电池混合尾气，一方面利用未用尽的氢气，另一方面利用尾气中的余热显热。尾气中的低氧特点可降低燃烧反应速率，减少燃烧局部高温点，提升催化剂使用寿命。燃烧产生的热量除向重整和低温变换供热外，高温烟气可进一步加热汽化进口的甲醇溶液和高纯甲醇，充分利用余热、降低排烟温度后排出系统，提高了系统的热效率。除此，该设计只需一台空气加压设备，提高系统功率密度同时，减少设备内耗和系统复杂性。甲醇水蒸气重整后(200～350℃)，经过低温变换反应(180～250℃)初步提纯，精提纯则采用PROX技术(70～100℃)。粗提纯和精提纯之间的潜热通过换热器预热甲醇水溶液，同时冷却粗提纯气体至下一工段的反应温度。充分利用系统潜热。相较于其他的提纯形式，该方式结构紧凑，耗能极小，进一步提高系统热效率。系统运行方面，增加AirBleed气路，通过向阳极通入少量空气的Air Bleed技术，解决净化系统净化效果不达标可能造成的燃料电池毒化问题。极大提升系统的稳定性。系统采用加压运行，解决CO2稀释带来的电流密度下降问题。通过甲醇催化快速自点火和启动换热器，结合常温PEMFC的特点，系统可实现快速启动，并且可不借助蓄电池完成启动，提升低温启动性能。

此外系统排水可进行回收利用，使系统无需高纯水补给，降低补给要求。在燃料电池发电单元电效率在行业平均水平约50％情况下，系统整机总体热效率高于43％，可达到高温HPEMFC系统的电效率水平。

综上，本发明提供的一种基于常温PEMFC的高效甲醇重整燃料电池发电系统，在保留常温PEMFC系统的功率密度高、结构紧凑、启动快速等优点的同时，兼备了高温HPEMFC系统的高稳定性、高整机效率和系统简化的特点，可拓展在更多领域和较高发电功率等级要求的环境下使用，同时具备了较好的低温存储和启动适应性。

为验证系统设计的合理性，利用Aspen软件建立工艺仿真模型，开展系统工艺流程仿真计算。建模见图3。以系统净输出15kW电能为例(燃料电池输出功率减去系统内泵、风机和控制系统用电)，选取典型的输出功率工况进行系统整机的仿真计算，其中，空气当量系数为2.0。通过调节高纯甲醇的进口流量，使高纯甲醇燃烧放出的热量，与甲醇溶液预热汽化、甲醇重整吸热、甲醇汽化和空气预热吸热之和相等，调节系统整体达到热平衡。系统排气温度70℃，甲醇重整选择性97％，净化提纯可将CO降至5ppm以下。考虑系统热损耗和AirBleed技术对输出功率的影响，假定燃料电池电效率为行业平均水平约50％的条件下，依照系统输出功率给定物料进口边界条件，通过系统整体吉布斯自由能最小化计算方法，经过Aspen软件运行计算可知系统净输出功率15kW时，其整机热效率约43％；根据燃料电池负载与特点，系统低于额定功率时电效率提升，因此可判断系统整机的总体运行效率高于43％。可见通过系统合理设计可以使常温PEMFC系统整机热效率达到高温HPEMFC系统的水平，验证了本发明的可行性和合理性，说明本系统完成了兼具常温和高温质子膜燃料电池的优点的目标。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于常温PEMFC的高效甲醇重整燃料电池发电系统，其特征在于，所述发电系统包括：甲醇溶液重整单元、高纯甲醇催化反应单元、燃烧烟气单元、空气单元、冷却单元、换热单元；

所述甲醇溶液重整单元用于向燃料电池阳极直接提供甲醇溶液经重整、提纯净化后的气体；

所述高纯甲醇催化反应单元用于通过催化燃烧反应向甲醇溶液重整提供热量；

所述燃烧烟气单元用于为甲醇溶液重整提供热量以及提供冷却工质温度调节热量以实现系统的常温和低温启动；

所述空气单元包括第一支路、第二支路和第三支路，所述第一支路为主空气路，主空气路空气进入燃料电池阴极进行电化学反应，所述第二支路空气参与粗提纯气的提纯反应，所述第三支路为Air Bleed空气路，Air Bleed空气路经过与精提纯气充分混合后，共同进入燃料电池阳极参与反应；

所述冷却单元用于冷却燃料电池和压缩空气以及与高温燃烧烟气换热进行冷却工质的温度调节；

所述换热单元用于实现冷却工质与高温燃烧烟气的热量交换；所述换热单元包括第一换热器、第二换热器和电加热器；所述换第二换热器和所述电加热器并联，并通过冷却液管线连接冷却液泵和燃料电池阳极；所述冷却工质通过第二换热器和电加热器与高温燃烧烟气换热，换热后的冷却工质加热燃料电池堆，实现系统的常温和低温启动。

2.根据权利要求1所述的燃料电池发电系统，其特征在于，所述甲醇溶液重整单元包括顺次连接的甲醇溶液储罐、第二蠕动泵、氢气冷却器、重整器、低温变换器和PROX反应器，PROX反应器出口与燃料电池阳极管道连接，提纯净化后的气体通过管道直接通入燃料电池阳极。

3.根据权利要求2所述的燃料电池发电系统，其特征在于，所述高纯甲醇催化反应单元包括顺次连接的甲醇储罐、第一蠕动泵和催化燃烧器，催化燃烧器的出口与所述甲醇溶液重整单元的所述重整器的进口连通，催化燃烧产生的高温烟气一部分进入所述重整器。

4.根据权利要求1所述的燃料电池发电系统，其特征在于，所述空气单元包括顺次连接的空气压缩机、中冷器和膜增湿器；所述膜增湿器的出口与燃料电池的阴极连通；空气经空气压缩机压缩及中冷器换热后进入膜增湿器，增湿后的空气进入燃料电池阴极。

5.根据权利要求4所述的燃料电池发电系统，其特征在于，所述冷却单元包括冷却液储罐、冷却液泵和第二冷却器，冷却工质经冷却液泵泵入燃料电池进行热交换后排出，换热后的冷却工质经第二冷却器冷却后返回冷却液储罐；

所述冷却单元的冷却工质的一部分经冷却液泵泵入所述空气单元的所述中冷器，与经过所述中冷器的空气换热后返回冷却液储罐。

6.根据权利要求2所述的燃料电池发电系统，其特征在于，所述燃烧烟气单元包括第一支路管线和和第二支路管线；第一支路管线出口与所述重整器连通；第二支路管线与冷却工质经所述冷却液泵泵入燃料电池的管线连接，第二支路管线内的高温烟气与冷却工质进行热交换。

7.根据权利要求1所述的燃料电池发电系统，其特征在于，所述燃料电池发电系统还包括蒸发单元、缓冲单元、发电单元和控制部件。

8.根据权利要求7所述的燃料电池发电系统，所述蒸发单元包括依次连接的第一蒸发器、第二蒸发器、第一冷却器、分液罐；

所述缓冲单元包括第一缓冲罐、第二缓冲罐和尾气缓冲罐。

9.根据权利要求8所述的燃料电池发电系统，其特征在于，所述系统电气控制基于PID控制；

所述甲醇溶液重整单元的第二蠕动泵的频率和燃料电池阳极进气压力信号形成反馈调节；

所述空气单元的空气压缩机频率和背压阀形成反馈调节；

所述高纯甲醇催化反应单元的第一蠕动泵与所述催化燃烧器内温度信号形成反馈调节；

所述换热单元的第二换热器和电加热器分别与启动旁通阀和节温器阀门形成反馈调节。

10.一种基于常温PEMFC的高效甲醇重整燃料电池发电方法，通过权利要求1-9任一项所述系统实现，其特征在于，包括：

以甲醇溶液和高纯甲醇为输入；

甲醇溶液经重整、净化后直接通入燃料电池阳极；

高纯甲醇进行催化燃烧反应，反应热用于甲醇溶液重整；

空气经过增压、加湿后直接通入燃料电池阴极；

冷却工质经过加压后用于燃料电池冷却；

冷却工质通过并联的换热器和电加热器与高温燃烧烟气换热后实现系统的常温和低温启动。