CN1933227A - 用于燃料电池的净化系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于燃料电池的净化系统，其通过供应至堆叠装置的燃料的完全燃烧而产生惰性气体，并允许在启动或者关闭所述净化系统时使用所述惰性气体净化堆叠装置，以使能够在不设置诸如氮气罐的净化设备的情况下实现燃料电池系统的净化，因此能够改善安装和维护燃料电池系统时的安全性，且因为无需更换净化气体罐而改善了使用的便利性。

Description

用于燃料电池的净化系统
技术领域
本发明涉及一种用于燃料电池的净化系统，尤其是涉及一种用于燃料电池的净化系统，其能够在不具有净化设备的情况下产生氮气N2从而净化所述燃料电池系统。
背景技术
一般来说，燃料电池是一种将燃料的能量直接转化为电能的装置。这种燃料电池是一种燃料电池系统，在该燃料电池系统中在聚合物电解质膜的两侧安装有阳极和阴极，并且该系统在阳极(氧化电极或者燃料电极)发生用作燃料的氧的电化学氧化和在阴极(还原电极或者空气电极)发生用作氧化剂的氧的电化学还原时，通过所产生的电子的运动而产生电能，该燃料电池系统也被称为一种发电设备。
根据操作温度和主要燃料的类型，上述燃料电池被分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸电解液燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)及离子交换膜燃料电池(PEMFC)等。在这些燃料电池中，离子交换膜燃料电池的电解质不是液体而是固态聚合物膜，这与其它类型的燃料电池不同。在离子交换膜燃料电池中，一般以以下方式使用燃料：诸如液化天然气(LNG)和液化石油气(LPG)之类的碳氢(CH)燃料通过在重整装置中进行脱硫、重整反应以及加氢炼制工艺被炼制为氢(H2)，且所炼制的氢被供应至堆叠装置(stack unit)的燃料电极。
图1为离子交换膜燃料电池(PEMFC)式燃料电池的系统图，在该燃料电池中诸如LNG、LPG、CH3OH等(图中为“LNG”)碳氢(CH)燃料，通过在重整装置中进行脱硫、重整反应以及加氢炼制工艺被炼制为氢(H2)，从而将氢用作燃料。
如图1所示，现有技术的燃料电池包括：重整装置10，其用于从LNG中炼制氢；堆叠装置20，其设置有连接至重整装置10以接收所炼制的氢的燃料电极21和从空气中接收氧的空气电极22，用于通过氢和氧之间的电化学反应而产生电和热；电转换器30，其连接至堆叠装置20的输出侧，用于电的转换并将转换的电供应至负载；净化装置40，其用于当系统停止时通过供氮管42用氮净化堆叠装置20，该供氮管42在以下进行说明，净化装置40连接至堆叠装置20的燃料电极21和空气电极22的入口侧；以及控制装置(未示出)，其电连接至上述的重整装置10、堆叠装置20、电转换器30、净化装置40以对它们进行控制。
净化装置40包括：氮气罐41，其用于储存高压状态下的、预定量的惰性气体氮；供氮管42，其将氮气罐41与重整装置10的出口侧和堆叠装置20的燃料电极21的入口侧之间的燃料供应管的中部相连接；以及供氮阀43，其安装在供氮管42的中部并由控制装置开启和关闭。
以上所述的现有技术的燃料电池的操作如下。
即，碳氢燃料在重整装置10被重整并炼制为氢，且所述氢被供应至堆叠装置20的燃料电极21而空气供应至堆叠装置20的空气电极22，由此在燃料电极21处发生氧化反应和在空气电极22处发生还原反应。在此过程中产生的电子在从燃料电极21向空气电极22运动时就产生了电，且所述电被转化为交流电并从而被供应至各种用电设备。
这里，如果堆叠装置20处于操作状态，则供氮阀43由控制装置关闭，且因此燃料(LNG)在重整装置10中被炼制为氢并供应至堆叠装置20的燃料电极21，且同时空气供应至空气电极22，以使氧化反应和还原反应正常的发生，从而产生电能和热能。
另一方面，如果堆叠装置20处于启动或者关闭过程中，供氮阀43由控制装置开启，且因此在氮气罐41中填充的高压氮气(N2)通过供氮管42供应至燃料电池系统的管线中，以使残留在各管线中的燃料和空气排出，由此防止催化剂氧化，并维护所述燃料电池系统的耐用性和稳定性。
然而，在现有技术的燃料电池中，如果燃料电池安装在诸如房间等室内时，由于必须有高压氮气罐41以及燃料电池系统，并且还需将氮填充在氮气罐41中，因此引起安全问题和使用中的不便。
发明内容
因此，鉴于现有技术中燃料电池的上述问题提出了本发明，并且本发明的目的在于提供一种用于燃料电池的净化系统，其能够在不具有供氮设备的情况下通过使用燃料完全燃烧所产生的惰性气体来净化所述燃料电池系统自身。
为实现这些以及其它优点，并且根据本发明的目的，如在此具体实施和广泛描述的，本发明提供一种用于燃料电池的净化系统，其包括：燃料供应装置；重整装置，其连接至所述燃料供应装置，用于重整碳氢燃料并将所述碳氢燃料炼制为氢；堆叠装置，其设置有从所述重整装置接收炼制的氢的燃料电极以及从空气中接收氧的空气电极，用于通过氢和氧之间的电化学反应产生电能和热能；净化装置，其选择性地与所述堆叠装置连通，用于净化所述堆叠装置；以及控制装置，其电连接至所述净化装置，用于控制所述净化装置的操作。
附图说明
所述附图旨在提供对本发明的进一步理解，其并入说明书并构成说明书的一部分，这些附图示出了本发明的实施例并与说明书一起用于解释本发明的原理。
其中：
图1为现有技术的燃料电池一实例的系统图；
图2为根据本发明具有净化装置的燃料电池一实例的系统图；以及
图3为示出根据本发明燃料电池在操作时，燃料运送过程的系统图；以及
图4为示出根据本发明当燃料电池在启动/停止时燃料运送过程的系统图。
具体实施方式
下面将参考一个实施例说明根据本发明的用于燃料电池的净化系统，所述实施例在附图中示出。
图2为根据本发明具有净化系统的燃料电池的一实例的系统图。图3为示出根据本发明当燃料电池在操作时燃料运送过程的系统图。图4为示出根据本发明当燃料电池在启动/停止时燃料运送过程的系统图。
如图2、图3和图4所示，根据本发明的燃料电池包括：重整装置110，其从通过燃料供应装置的燃料供应泵1供应的LNG中炼制氢；堆叠装置120，其设置有连接至重整装置110以接收所炼制的氢的燃料电极121和从空气中接收氧的空气电极122，用于通过氢和氧之间的电化学反应而产生电和热；电转换器130，其连接至堆叠装置120的输出侧，用于将电供应至负载；净化装置140，其根据堆叠装置120是否处于操作状态而进行操作，用于净化堆叠装置120的燃料电极；以及控制装置(未示出)，其电连接至上述的重整装置110、堆叠装置120、电转换器130、净化装置140。
净化装置140包括：催化燃烧器141，用于通过燃料的完全燃烧而产生惰性气体；燃料配送管142，其中部安装有该催化燃烧器141；以及净化气体阀143，其安装于燃料配送管142，并由控制装置选择性地开启或者关闭。
在催化燃烧器141中，主要使用铂(Pt)族元素作为催化剂。主要还使用比铂更便宜和更轻的钯(Pd)作为催化剂。
燃料配送管142在连接于燃料供应泵1和重整装置110入口侧之间的燃料供应管的中部分出，并在重整装置110的出口侧和堆叠装置120的入口侧之间汇合。
净化气体阀143由开/关阀组成，并与堆叠装置120一起连接至控制装置(未示出)，以使该净化气体阀143根据堆叠装置120是否处于操作状态而进行操作。
在附图中，类似的附图标记在本说明书全文中用来指代相同的构件。
根据本发明的用于燃料电池的净化系统的操作效果如下：
即，碳氢燃料在重整装置110重整并炼制为氢，且所述氢被供应至堆叠装置120的燃料电极121，由此发生氧化反应，且同时空气中的氧被供应至堆叠装置120的空气电极122，由此发生还原反应。在此过程中产生的电子在从燃料电极121向空气电极122运动时产生电，且所述电通过电转换器130供应至各种用电设备。
当燃料电池处于启动或者停止过程中，为了防止堆叠装置120的催化剂氧化，净化燃料电池系统是必须的，以维护燃料电池系统的耐用性和稳定性。因此，在本发明中，通过使用燃料本身可以产生惰性气体氮，且所述氮供应至堆叠装置120以净化管线。
例如，如图3所示，在燃料电池系统处于正常操作的状态下时，净化气体阀143由控制装置关闭，从而防止燃料导入催化燃烧器141，以此防止从催化燃烧器141产生氮气。
另一方面，如图4所示，当燃料电池系统处于启动或者停止过程中时，净化气体阀143由控制装置开启，从而允许燃料通过燃料供应管导入由铂制成的催化燃烧器141，碳氢燃料在催化燃烧器141中完全燃烧，从而产生氮气(N2)，且在启动过程中燃料正常供应至燃料电池之前或者在停止过程中在对燃料电池系统的燃料供应断开后，所述氮气供应至燃料电池系统，从而防止燃料电池系统中催化剂氧化，并且因此维护燃料电池的耐用性和稳定性。
以这种方式，燃料电池系统在处于启动或关闭过程中时，利用从供应至燃料电池系统的燃料产生的净化气体而被净化，从而在不设置诸如氮气罐的净化设备的情况下可以进行燃料电池系统的净化，因此能够提高安装和维护燃料电池系统的安全性，并且因为无需更换净化气体罐而改善使用的便利性。

Claims (6)

1.一种用于燃料电池的净化系统，其包括：
燃料供应装置；
重整装置，其连接至该燃料供应装置，用于重整碳氢燃料并将所述碳氢燃料炼制为氢；
堆叠装置，其设置有：燃料电极，以从该重整装置中接收所炼制的氢；以及空气电极，以从空气中接收氧，该堆叠装置用于通过氢和氧之间的电化学反应产生电能和热能；
净化装置，其选择性地与该堆叠装置连通，用于净化该堆叠装置；以及
控制装置，其电连接至该净化装置，用于控制该净化装置的操作。
2.如权利要求1所述的净化系统，其中，该净化装置安装为选择性地与该燃料供应装置和该堆叠装置连通。
3.如权利要求1所述的净化系统，其中，该净化装置包括：燃料配送管，其从该重整装置的入口侧分出并连接至该堆叠装置的该燃料电极的入口侧；燃烧器，其安装在该燃料配送管的中部，用于通过燃料的完全燃烧产生惰性气体；以及净化气体阀，其安装于位于该燃烧器的入口侧的该燃料配送管，用于调节供应至该燃烧器的燃料供应量。
4.如权利要求3所述的净化系统，其中，该燃烧器包括使用铂族元素的催化燃烧器。
5.如权利要求4所述的净化系统，其中，该燃烧器使用钯元素。
6.如权利要求1所述的净化系统，其中，该控制装置电连接至该堆叠装置和该净化装置，以使该净化装置根据该堆叠装置是否处于操作状态而进行操作。
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