CN86100407A

CN86100407A - 燃料电池电源系统

Info

Publication number: CN86100407A
Application number: CN86100407.8A
Authority: CN
Inventors: 三宅泰夫; 田岛リヌ西冈正人; 伊藤靖彦
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1985-01-18
Filing date: 1986-01-18
Publication date: 1986-07-16
Also published as: CN1004459B; JPS61168876A; US4686157A

Abstract

一种燃料电池电源系统，包括把碳氢燃料转化为富氢燃气的燃料调整装置和把燃气转化为电能的燃料电池组。该燃料电池组包含正极燃气室、负极燃气室和燃气冷却室。正极燃气室的入口通过燃气馈送管道与燃料调整装置连接；负极燃气室与作业空气供给装置连接；燃气冷却室的两端口与配有热交换器和鼓风机的冷却剂循环管路连接。本系统的特征在于：该燃气馈送管道和冷却剂循环管路，经由配有阀门的管路彼此连接，以使所述的富氢燃气从所述的燃气馈送管路输入所述的冷却循环管路，或反之。

Description

本发明涉及一种燃料电池电源系统，更具体地说，涉及一种配有燃料调整装置的燃料电池电源系统。

在间接型的燃料电池电源系统中，借助燃料调整装置或燃料处理器，碳氢燃料可转化为富氢燃气，然后供给燃料电池组，在该电池组中，燃气与空气中的氧气进行电化学反应所产生的能量被转化为电能。由于燃料电池系统产生的电能取决于燃料供料速率，所以供给燃料电池组的燃气量必须随负载的变化而增减。然而，由于即使送进燃料调整装置的碳氢燃料量快速增加，重整反应速率不能快速增加，所以用这种燃料调整装置不能快速增加燃气产量。因此，在轻负载运行期间，如果负载快速增加，则会出现燃气的供给速率暂时不足的现象。

为了克服这一缺陷，已有人建议在燃料调整装置和燃料电池组之间配备储气箱。在这种系统中，富氢燃气被储存在该气箱里，以当负载快速增加时，向燃料电池组供应所缺的燃气。然而，这种系统需要配备大容量储气箱，这使系统尺寸过大。也已有人提出应用高功能的燃料调整装置，它所产生的富氢燃气量大于燃料电池组工作时的需要量，而剩余的燃气则经配有流量调节阀的旁通管流回燃料调整装置。然而，这种系统致使燃料调整装置的尺寸大为增加，并使燃料电池电源系统的总效率降低。

由于燃料电池中的电化学反应伴随有热的产生，所以必须清除反应产生的部分热量，才能使燃料电池组的工作温度保持在预定值。为此，通常把空气用作为冷却剂，送至燃料电池组。然而，因为空气的热导率低（一般为2.6×10^-4瓦/米·度），所以这样的一种燃料电池系统需用大型鼓风机和大型热交换器，从而降低燃料电池系统的总效率。

采用磷酸电解质燃料电池系统通常工作在180～200摄氏度，但系统不工作时，其温度保持在70摄氏度左右，以防止电解液劣化。因此，当启动燃料电池系统时，需要把燃料电池组加热到其工作温度。为此，通过向装在空气循环管路中的电加热器通电或向配置在该循环管路中的热交换器输送蒸汽，来加热该循环管路中的作业空气和/或冷却空气。但是，用电加热器需要电源，而用蒸汽需要附加的蒸汽发生装置，它是与用于向燃料调整装置供汽的蒸汽发生装置分开的。

因此，本发明的一个目的，是要克服通常的燃料电池电源系统的上述缺点，提供这样一种改进的燃料电池电源系统，它具有很好的响应负载变化的特性和高的总效率。

本发明的另一个目的，是要提供这样一种改进的燃料电池电源系统，它可使用小型设备（例如小鼓风机）而又不降低系统的性能。

本发明的再一个目的，是要提供一种改进的燃料电池电源系统，它可启动燃料电池组而不使用任何独立的热发生装置。

通过提供一种燃料电池电源系统（它包括把碳氢燃料转化为富氢燃气的燃料调整装置，和把这种燃气转化为电能的燃料电池组）来实现本发明的上述诸目的。其中，所述的燃料电池组包括正极燃气室、负极燃气室和燃气冷却室。正极燃气室的进口通过燃气馈送管道与燃料调整装置相接;负极燃气室接到作业空气馈送装置上;而燃气冷却室的两端与配有热交换器和鼓风机的冷却剂循环管路相接。本系统的特征在于：经由配有阀门的管路，上述的燃气馈送管路和冷却剂循环管路相互连接，以便把上述富氢燃气从上述的燃气馈送管路，供到上述的冷却剂循环管路，或反之。

在本发明推荐的一个最佳实施例中，装于与燃气供给管路和冷却剂循环管道两端连接的管路中的阀门可被适应地打开，以便把在循环管道中的部分富氢燃气供入燃气供给管路，以求在负载快速增加时，能弥补供给燃料电池组的燃气不足。

在另一个最佳实施例中，燃气供给管路的入口端和鼓风机的出口端，经由各自配有一个阀门的两条管路，与冷却剂循环管道相接。在这种情况下，由燃料调整装置产生的富氢燃气，经由与鼓风机入口端连接的管路，供入冷却剂循环管道;而把冷却剂循环管道中的部分富氢燃气，经由接于鼓风机出口端的管路供到燃气馈送管路，以便在负载快速增加时，补偿输入燃料电池组的燃气不足。

在又一最佳实施例中，装于连接燃气馈送管路和冷却剂循环管道的那条管路中的阀门，在燃料电池电源系统开始工作时被打开，以便把燃料调整装置产生的富氢燃气，作为加热剂经由接于鼓风机入口端的管路而供到该循环管道，一直到燃料电池组被加热到这么一个温度为止，在这个温度下，通过燃气和作业空气的供给而引发燃料电池中的化学反应。

在根据本发明制作的燃料电池电源系统中，富氢燃气被用作为本系统运行中的冷却剂，而且冷却剂循环管道作为燃气的储存器。如果负载快速增加，冷却剂循环管道中的部分富氢燃气，就可作为燃气输入燃气馈送管路，再与从燃料调整装置产生的富氢燃气一起输入燃料电池组。这就可能改善对负载快速增加的响应。

此外，由于富氢燃气的热导率为18.2×10^-4瓦/厘米·度（应为“米·度”-译者注），高于空气的热导率，所以可减少冷却剂量，从而可采用小尺寸的辅助设备，该辅助设备包括一个鼓风机和一个热交换器）而又不降低系统的效率。而且，当系统开始工作时，从燃料调整装置产生的富氢燃气被用作为加热剂，以加热燃料电池组，因此加热速率大为增加，由于不需要用辅助的加热装置来在系统开动时加热燃料电池组，所以系统的总效率也就是以提高。

参见附图作以下介绍，可更明了本发明。这些附图仅作为体现本发明特性的最佳实施例。

图1是根据本发明制作的燃料电池电源系统的原理图;

图2是表示图1所示系统性能特性的一组曲线图。

现在参见图1。图1示出根据本发明制作的燃料电池电源系统，它包括燃料电池组1和燃料调整装置5。燃料电池组1配有负极燃气室2、正极燃气室3和燃气冷却室4。每个室由许多管路组成，而且负极燃气那些管路和正极燃气那些管路按燃料电池分开，而每个燃料电池由电解质基质分开的电极构成。负极燃气室2的入口，经由配有流量调节阀7a的作业空气馈送管路7，与作业空气馈送装置16（例如鼓风机或空气压缩机）连接，而其出口，通过管路13与燃料调整装置5连接。正极燃气室3的入口，经由配有流量调节阀6a的燃气馈给管路6，与燃料调整装置5连接，而其出口，经由管路14与燃料调整装置5连接。

燃料电池组1的燃气冷却室4的两端口都与配有热交换器8和鼓风机9的冷却剂循环管道10相接，从而构成部分冷却剂循环回路。循环管道10在鼓风机9的入口端，通过配有入口阀门11a的管道11，与燃气供馈送路6连接，而鼓风机9的出口端，通过配有出口阀门12a的管道12，与燃气馈送管路6连接。循环管道10在鼓风机9的入口端，通过配有阀门18a的管道18，还与管路14连接。

燃料调整装置5包括重整炉（未示于图1中），在重整炉中，通过蒸汽重整反应，碳氢燃料被转化成富氢燃气;还包括移转化器（未示于图1中），在移转化器中，富氢燃气中的一氧化碳被转化为二氧化碳。燃料调整装置5配有用来加热重整炉的燃烧器15。

在运行中，除了阀门11a、12a和18a以外，其它阀门都开着，碳氢燃料和蒸汽输入燃料调整装置5，在燃料调整装置5中，通过蒸汽重整反应，碳氢燃料被转化为富氢燃气。从燃料调整装置5产生的富氢燃气，经由管路6继续输入燃料电池组1的正极燃气室3，同时，借助空气馈送装置16，并经管路7，继续把作业空气吸入或压进负极燃气室2。

在燃料电池组中，进行富氢燃气的电化学反应，从而产生电能。在整个系统工作之前，系统启动时通过打开入口阀门11a把富氢燃气作为一冷却剂被注入循环管道10，富氢燃气在鼓风机9的压力作用下输入冷却室4，在那里，它吸收燃料电池组1的热量;接着，富氢燃气被热交换器8冷却，并经循环管道10循环，从而使燃料电池组1的工作温度保持在预定值，即190℃。

在轻负载运行期间，当负载快速增加时，阀门12a被打开，可避免燃料调整装置5向正极燃气室3馈送燃气速率的暂时不足。如果系统的控制器检测到负载快速增加，就打开阀门12a，循环管道10中的部分富氢燃气经管路12输入燃气馈送管路6。这样，燃料调整装置5和循环管道10都向燃料电池组1提供富氢燃气燃料。在燃料调整装置5的燃气供给速率增加到与负载相应的程度以后，就关闭阀门12a。

由于循环管路10的容量之大足可补偿燃气不足，所以循环管路10中的富氢燃气可用作燃气，直到燃料调整装置5的燃气供给速率达到与负载相应的程度为止。例如，连续输出功率为100千瓦的燃料电池系统，在满载运行时约需1.75米³/分的燃气，而在25%的负载运行时，需要的燃气为0.45米³/分。如果负载从25%快速增加到100%，如图2a所示，则燃气缺少量为1.3米³/分左右。如图2b所示，负载从25%增加到100%时，装置5的燃气馈送速率在1分钟内就能够增加。那么，从循环管道流出的富氢燃气量大约为0.65米³，这就是燃气短缺量的一半，大约相当于循环管道容积（5米³）的13%左右，如图2c所示。因此，冷却能力几乎不受冷却剂取出的影响。

当由于负载减少而产生过量的富氢燃气时，通过打开阀门11a，沿燃气管道6流动的富氢燃气经由管道11输入循环管道10，以补充冷却剂。此后，阀门11a关闭。

从负极室2和正极室3排出的废气，分别经由管路13和14，输入燃烧器15，以便把它们用作燃料和燃烧空气。

如果燃料电池系统是压力型的，则燃烧器15排出的废气可经由管路17输入空气压缩机16的涡轮机，作为空气压缩机16的动力源。在非压力型的燃料电池系统中，该废气可用作为热源，用来产生准备供给燃料调整装置5的蒸汽。

通常，燃料调整装置的持续工作时间（即燃料调整装置产生预定温度和成份的富氢燃气基质所需的时间）大约为4小时，而燃料电池的持续工作时间（即燃料电池产生额定电功率所需的时间）为前者的一半。根据本发明，燃料电池组1首先由燃料调整装置5产生的富氢燃气的热加热为时约1.5时，然后由燃料电池产生的反应热加热。

当启动燃料电池系统时，燃料调整装置首先进入工作状态，以便使其输出的燃气或富氢燃气的温度逐渐上升。在富氢燃气的温度达到160～170℃，最好是200℃以后，打开阀门11a和回流管路18的阀门18a，以便燃料调整装置5产生的高温富氢燃气，经由管道11和10以及鼓风机9，输入燃料电池组1的燃气冷却室4。从燃气冷却室4的出口放泄的部分燃气，由循环管道10经管道18排出，作为燃料输入燃烧器15，而其剩余的那一部分燃气，和经管道11不断地输入管道10的富氢燃气一起在管道10中循环，以便对燃料电池组1加热1.5小时左右。在这段时间内，热交换器8是不工作的。

当燃料电池组1的温度达到130℃左右时，阀门18a关闭，接着阀门11a关闭，以便把预定量的富氢燃气关在循环管道10里，作为冷却剂。然后打开阀门6a，使富氢燃气经由管道6进入燃料电池组1的正极燃气室3。阀门7也打开，使作业空气进入负极燃气室2。在燃料电池组1里进行燃料电池的电化学反应，于是燃料电池组1就由燃料电池的反应热加热。但是，应该注意的是，燃料电池组1既可由燃料电池的反应热加热，也可由燃料调整装置5产生的富氢燃料的热加热，直到燃料电池组1达到预定的工作温度为止。在这种情况下，阀门11a保持在开着的位置，所以部分富氢燃气可经由管道11进入燃料电池组1。

如果燃料电池组1的温度达到其工作温度，则燃料电池就被置于正常工作状态。

因此，根据本发明，可以在总效率和对负载变化的响应上提供具有良好性能的燃料电池系统。由于富氢燃气具有高的热导率，既能用作冷却剂，也能用作加热剂，所以还可采用小尺寸的设备，例如小型鼓风机，而不会降低系统的性能。

应该理解的是，并不打算把本发明仅限于上述的实例，只要不超过按下述权利要求所规定的本发明的范围，熟悉本专业的人很容易想到许多类似的方案。

Claims

1、一种燃料电池电源系统，包括把碳氢燃料转化为富氢燃气的燃料调整装置，和把富氢燃气转化为电能的燃料电池组；该燃料电池组包含正极燃气室、负极燃气室和燃气冷却室；所述的正极燃气室的入口通过燃气馈送管道与燃气调整装置连接；所述的负极燃气室与作业空气供给装置连接；所述的燃气冷却室的两端口与配有热交换器和鼓风机的冷却剂循环管路连接；本系统的特征在于：该燃气馈送管道和冷却剂循环管路，经由配有阀门的管路彼此连接，以使该富氢燃气从该燃气馈送管路输入该冷却剂循环管路，或反之。

2、根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，置于与燃气馈送管道和冷却剂循环管路互连的管路的阀门，可适时地被打开，以便当负载快速增加时，循环管路中的部分富氢燃气能输入燃气馈送管路。

3、根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，燃气馈送管路和冷却剂循环管路，经由各自配有阀门的两条管路相连接，连接处是在置于冷却剂循环管路中的鼓风机的出口和入口。

4、根据权利要求3所述的燃料电池系统，其中，置于与燃料馈送管路和冷却剂循环管路相连的那条管路中的阀门，可在系统开始工作时被适时地打开，以便由燃料调整装置产生的、作为加热剂的富氢燃气，经由连接于鼓风机入口端的那条管路，输入冷却剂循环管路，一直到燃料电池组被加热到某一温度，在这一温度下，靠供给燃气和作业空气引发燃料电池的反应。