CN212461745U - 一种新型高温醇类重整燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种新型高温醇类重整燃料电池系统。本实用新型的技术方案是：包括燃料制备系统模块、重整器和高温电堆，燃料制备系统模块包括控制器、甲醇水混合箱、与甲醇水混合箱连接甲醇供给单元以及水供给单元，甲醇水混合箱连接混合液计量泵，甲醇水混合箱、甲醇箱以及水箱能够发送液位信号至控制器，控制器能够发送驱动信号至甲醇计量泵、水计量泵以及混合液计量泵，所述混合液计量泵连接重整器，重整器的氢气混合气的出口连接第一换热器，氢气混合气经过第一换热器后进入高温电堆，高温电堆产生的高温水蒸气进入第二换热器。本实用新型提供的方案能够实现水溶液自供给、甲醇水配比灵活调整且能够提高了燃料电池续航里程。

Description

一种新型高温醇类重整燃料电池系统

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种新型高温醇类重整燃料电池系统。

背景技术

醇类重整燃料电池由于采用重整制氢技术，重整气CO浓度相对较高无法直接应用在低温燃料电池电堆系统中，因此采用反应温度在150~200℃之间的高温电堆，该高温电堆能耐受较高浓度的CO，重整反应以甲醇为例主要方程式为：CH₃OH+H₂O→CO₂+3H₂，重整反应燃料为一定质量浓度的醇类水溶液。现行甲醇重整燃料电池系统燃料供应装置为类似燃油汽车的燃油箱，燃料已经按照比例配合好。反应完毕后，生成的水与其它气体一同排到大气中，没有被循环利用。

由于燃料电池中的化学反应：3H₂+1.5O₂→3H₂O，反应完毕会生成水，将燃料电池反应过程中生成的水凝结回收1/3，即可满足甲醇重整所需要的水量。由于燃料电池反应生成的水量多于甲醇重整过程需要的水量，因此这在理论上说明我们的系统循环回收水是可行的。

现有技术的醇类重整制氢高温燃料电池（温度区间为150~200℃）存在以下缺点及不足：1.配备甲醇水混合箱大，增加车辆重量，减少车辆负载能力。由于箱体中有大量水，甲醇水箱容积大，质量相应增加，导致车辆续航里程减少，而且加注频繁；2.相对现行直接注入按配合比配合完成的醇类水溶液，由于重整反应响应范围较大，如果需要对醇类水溶液配合比进行调整，现行产品由于原料配合比已经固定，所以无法进行调节；3.现行反应温度在150~200℃之间高温电堆醇类重整制氢燃料电池发生电化学反应后产生大量的水蒸气，该水蒸气温度约在150~200℃之间并且流量大，现有设备中主要以外排形式直接排出系统，造成一定的热损失，水损失也较大。

实用新型内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型的主要目的在于提供一种能够实现水溶液自供给、甲醇水配比灵活调整且能够提高燃料电池续航里程的新型高温醇类重整燃料电池系统。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下技术方案：一种新型高温醇类重整燃料电池系统，包括燃料制备系统模块、重整器和高温电堆，所述燃料制备系统模块包括控制器、甲醇水混合箱、与甲醇水混合箱连接甲醇供给单元以及水供给单元，所述甲醇供给单元包括依次连接的甲醇箱与甲醇计量泵，所述水供给单元包括依次连接的水箱与水计量泵，所述甲醇水混合箱连接混合液计量泵，所述甲醇水混合箱、甲醇箱以及水箱能够发送液位信号至控制器，所述控制器能够发送驱动信号至甲醇计量泵、水计量泵以及混合液计量泵，所述混合液计量泵连接重整器，所述重整器的氢气混合气的出口连接第一换热器，氢气混合气经过第一换热器后进入高温电堆，高温电堆产生的高温水蒸气进入第二换热器，第二换热器中产生的冷凝水进入去离子器，所述去离子器连接水泵，所述水泵连接三通调节阀，所述三通调节阀的一端连接水箱，另一端为排水端。

优选的，所述水箱以及甲醇箱分别连接有液位计。

优选的，经过第一换热器后的氢气混合气的温度为150~200℃。

优选的，所述高温水蒸气的温度为150~200℃，第二换热器产生的冷凝水的温度不高于80℃。

本实用新型相对于现有技术具有如下优点，正常工作时，甲醇箱和水箱一次注入完成，电堆系统启动。水箱水量渐渐减少，通过此系统可充分利用电堆反应生成的高温水回收利用，逐渐补充水箱水量，三通调节阀是否外排由水箱内的液位计的参数控制。

按照重整反应和电堆反应方程式可以看出甲醇水溶液1mol水产生3mol氢气，按照50%氢气利用率计算，即1.5mol氢气发生电化学反应，产生1.5mol水蒸气，通过此循环反而剩余0.5mol水。但是由于甲醇重整燃料电池需要大量热量，热量绝大部分通过燃烧器燃烧甲醇水而得，所以甲醇水消耗量并不完全是重整反应，相当一部分用于燃烧放热。若燃烧消耗甲醇水量与重整反应所需甲醇水量之比为3:10，系统循环水量仍有充裕。若系统反应水量有剩余，可通过控制系统调节三通调节阀外排低温冷凝水；若系统反应水不足，可在加注甲醇的时候少量补充水，水箱容积可适当做小，水二次加注量小,形成系统水内循环。由于系统水内循环，水箱体积、质量均减少，若相同体积下，甲醇箱容积变大，一次携带燃料的净量增加，燃料电池系统续航里程相应增加。

附图说明

图1为本实用新型的一种新型高温醇类重整燃料电池系统的系统框图。

图中：1、燃料制备系统模块；3、甲醇水混合箱；4、甲醇箱；5、甲醇计量泵；6、控制器；7、混合液计量泵；8、水箱；9、水计量泵；12、重整器；13、第一换热器；14、高温电堆；15、第二换热器；16、去离子器；17、水泵；18、三通调节阀；19、排水端。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，一种新型高温醇类重整燃料电池系统，包括燃料制备系统模块1、重整器12和高温电堆14，所述燃料制备系统模块2包括控制器6、甲醇水混合箱3、与甲醇水混合箱3连接甲醇供给单元以及水供给单元，所述甲醇供给单元包括依次连接的甲醇箱4与甲醇计量泵5，所述水供给单元包括依次连接的水箱8与水计量泵9，所述甲醇水混合箱3连接混合液计量泵7，所述甲醇水混合箱3、甲醇箱4以及水箱8能够发送液位信号至控制器6，所述控制器6能够发送驱动信号至甲醇计量泵5、水计量泵9以及混合液计量泵7，所述混合液计量泵7连接重整器12，所述重整器12的氢气混合气的出口连接第一换热器13，氢气混合气经过第一换热器13后进入高温电堆14，高温电堆14产生的高温水蒸气进入第二换热器15，第二换热器15中产生的冷凝水进入去离子器16，所述去离子器16连接水泵17，所述水泵17连接三通调节阀18，所述三通调节阀18的一端连接水箱8，另一端为排水端19。

优选的，所述水箱8以及甲醇箱4分别连接有液位计。液位计能够发送信号到控制器。

其中第二换热器15和第一换热器13的余热可以实现再利用，例如分别将余热传递至连接重整器12，这样设置能够充分利用第一换热器13和第二换热器15的热量来提供重整器12入口甲醇水气化需要的热量，达到能量完全利用，当然第二换热器15和第一换热器13的余热也完全可以利用在其它方面。

优选的，经过第一换热器13后的氢气混合气的温度为150~200℃。

优选的，所述高温水蒸气的温度为150~200℃，第二换热器15产生的冷凝水的温度不高于80℃。

本方案的一种新型高温醇类重整燃料电池系统，其工作原理是，首先将100%浓度的甲醇和水分别通过注入装置一次注入到水箱8以及甲醇箱4中储存，通过水箱8以及甲醇箱4中的液位计反馈信号到控制器控制注入量，该甲醇和水均为常温；然后分别通过甲醇计量泵5及水计量泵9泵送介质进入甲醇水混合箱3混合均匀，甲醇水混合箱3内配有混合器，泵入过程中通过甲醇计量泵5和水计量泵9对甲醇和水流量进行调节，使甲醇水混合箱3内甲醇水溶液浓度可按任意配合比进行配置，并且甲醇水混合箱3内燃料量也可通过甲醇计量泵5和水计量泵9调整；甲醇水混合箱3内混合好的燃料由混合液计量泵输入到重整器12内发生重整制氢反应产生大量高温氢气混合气，温度在300℃左右，经过第一换热器13换热使氢气混合气温度降至150~200℃之间，满足进入高温电堆14前氢气混合气在最佳温度区间。

氢气混合气与空气在高温电堆14内反应，反应方程式：3H2+1.5O2→3H2O，由于电堆反应温度在150~200℃之间，所以反应气产物高温水蒸气及热空气温度均在该区间，该反应气通过第二换热器15冷凝降温至75℃以下，水冷凝后通入去离子器16除去电堆反应可能附带的离子得到低温去离子水，通过水泵17泵入三通调节阀18至水箱8。

正常工作时，甲醇箱4和水箱8一次注入完成，电堆系统启动。水箱8水量渐渐减少，通过此系统可充分利用电堆反应生成的高温水回收利用，逐渐补充水箱8水量，三通调节阀18是否外排由水箱8内的液位计的参数控制。参照附图，与控制器6连接的虚线为电信号走向。

按照重整反应和电堆反应方程式可以看出甲醇水溶液1mol水产生3mol氢气，按照50%氢气利用率计算，即1.5mol氢气发生电化学反应，产生1.5mol水蒸气，通过此循环反而剩余0.5mol水。但是由于甲醇重整燃料电池需要大量热量，热量绝大部分通过燃烧器燃烧甲醇水而得，所以甲醇水消耗量并不完全是重整反应，相当一部分用于燃烧放热。若燃烧消耗甲醇水量与重整反应所需甲醇水量之比为3:10，系统循环水量仍有充裕。若系统反应水量有剩余，可通过控制系统调节三通调节阀18外排低温冷凝水；若系统反应水不足，可在加注甲醇的时候少量补充水，水箱8容积可适当做小，水二次加注量小,形成系统水内循环。由于系统水内循环，水箱8体积、质量均减少，若相同体积下，甲醇箱4容积变大，一次携带燃料的净量增加，燃料电池系统续航里程相应增加。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种新型高温醇类重整燃料电池系统，其特征在于：包括燃料制备系统模块、重整器和高温电堆，所述燃料制备系统模块包括控制器、甲醇水混合箱、与甲醇水混合箱连接甲醇供给单元以及水供给单元，所述甲醇供给单元包括依次连接的甲醇箱与甲醇计量泵，所述水供给单元包括依次连接的水箱与水计量泵，所述甲醇水混合箱连接混合液计量泵，所述甲醇水混合箱、甲醇箱以及水箱能够发送液位信号至控制器，所述控制器能够发送驱动信号至甲醇计量泵、水计量泵以及混合液计量泵，所述混合液计量泵连接重整器，所述重整器的氢气混合气的出口连接第一换热器，氢气混合气经过第一换热器后进入高温电堆，高温电堆产生的高温水蒸气进入第二换热器，第二换热器中产生的冷凝水进入去离子器，所述去离子器连接水泵，所述水泵连接三通调节阀，所述三通调节阀的一端连接水箱，另一端为排水端。

2.根据权利要求1所述的一种新型高温醇类重整燃料电池系统，其特征在于：所述水箱以及甲醇箱分别连接有液位计。

3.根据权利要求1所述的一种新型高温醇类重整燃料电池系统，其特征在于：经过第一换热器后的氢气混合气的温度为150~200℃。

4.根据权利要求1所述的一种新型高温醇类重整燃料电池系统，其特征在于：所述高温水蒸气的温度为150~200℃，第二换热器产生的冷凝水的温度不高于80℃。

Images