高温燃料电池电堆及燃料电池系统和系统控制方法技术方案

高温燃料电池电堆，包括N节单体电池和M个燃料处理单元；其中M和N均为自然数；所述N节单体电池与M个燃料处理单元紧密贴接构成高温燃料电池电堆；于所述燃料处理单元中设置有燃料重整反应催化剂；所述燃料处理单元的反应产物为所述单体电池的阳极燃料，所述燃料处理单元的反应产物出口与所述单体电池的阳极燃料入口相连；所述单体电池包括膜电极中的电解质膜为最高耐受温度150℃-250℃的电解质膜。采用上述控制方法，使该高温燃料电池系统能够在稳定条件下运行，避免了运行过程中温度过低导致的电池性能低及温度过高导致的重整器中催化剂的烧结机MEA性能的破坏，本发明专利技术优化方案中的燃料预处理装置增加了燃料的重整率，使电池的运行条件更加稳定。

High temperature fuel cell stack and fuel cell system and system control method

High temperature fuel cell stack, including N battery and M fuel processing unit; wherein M and N are natural numbers; the N battery M and a fuel processing unit tightly connected in a high temperature fuel cell stack; fuel reforming catalyst is arranged in the fuel processing unit anode fuel; reaction products of the fuel processing unit for the single battery, anode fuel entrance of the fuel processing unit of the reaction product export and the single battery is connected; the monomer battery includes an electrolyte membrane membrane electrode in the electrolyte membrane for maximum tolerable temperature 150 degrees -250 degrees celsius. Using the method, the high temperature fuel cell system can operate under stable conditions, avoiding the sintering performance of MEA catalyst performance of the battery temperature is too low during the operation caused by low and high temperature led to the destruction of the reformer, the invention optimizes fuel pretreatment device scheme increases the fuel reforming rate. The operation condition of the battery is more stable.

【技术实现步骤摘要】
高温燃料电池电堆及燃料电池系统和系统控制方法
本专利技术属于燃料电池
，具体的说涉及一种高温燃料电池电堆；本专利技术还涉及包含上述燃料电池电堆的燃料电池系统及系统的控制方法。
技术介绍
质子交换膜燃料电池是一种通过电化学反应将储存在化合物燃料中的化学能直接转换为电能的设备。通常，质子交换膜燃料电池包括电解质膜以及由其分隔的阳极和阴极。质子交换膜燃料电池以氢气作为燃料，在阳极催化剂作用下生成质子和电子，质子通过离子交换膜到达阴极，在阴极催化剂表面与阴极氧气发生还原反应，电子则通过外电路对外做功并由阳极转移至阴极。质子交换膜燃料电池具有较高的能量密度，不经过燃烧过程，故不受卡诺循环的限制，具有极高的电能转换效率。传统的质子交换膜燃料电池系统通过直接储氢装置为电池工作提供氢源，由于氢气液化所需压力较高且其化学性质非常活泼，储存与安全问题均使其应用受到限制。为解决直接储氢问题为燃料电池的使用带来的限制，通常采用甲醇重整制氢的方式为燃料电池提供燃料。甲醇重整燃料电池是以甲醇重整的方式为质子交换膜燃料电池供给氢气，使得氢气的储存与安全性问题在一定程度上得到解决。以甲醇重整燃料电池为核心构成的甲醇重整燃料电池系统使得燃料电池在各类移动设备上的应用成为可能。目前对甲醇重整燃料电池系统的研究主要存在以下问题：1、质子交换膜燃料电池工作时会产生大量的热。甲醇重整反应为吸热反应，工作过程中需为其提供大量的热，以保证其较高的转化效率。对于普遍采用的甲醇外重整燃料电池系统，由于其将重整反应与燃料电池放电反应置于不同装置内进行，因而导致整个系统的热效率较低。2、甲醇重整过程会产生部分一氧化碳，当一氧化碳浓度达到一定值时，会使电池的阳极催化剂中毒，导致电池性能下降，从而导致电池在整个工作过程中的稳定性变差。
技术实现思路
一种高温燃料电池电堆，包括N节单体电池和M个燃料处理单元；其中M和N均为自然数；所述N节单体电池与M个燃料处理单元紧密贴接构成高温燃料电池电堆；于所述燃料处理单元中设置有燃料重整反应催化剂；所述燃料处理单元的反应产物为所述单体电池的阳极燃料；所述膜电极中的电解质膜的最高耐受温度在所述重整反应催化剂的有效工作温度范围内。所述电解质膜的最高耐受温度在150℃-250℃；所述重整反应催化剂的有效工作温度范围在130℃-400℃之间。目前，BASF公司的高温电解质膜的最高耐受温度为180℃，ADVENT公司的高温电解质膜的最高耐受温度为220℃，国内大连化学物理研究所的高温电解质膜的最高耐受温度为200℃；无锡凯锡催化剂有限公司的甲醇重整催化剂的有效工作温度为200-350℃；辽宁海泰科技发展有限公司的甲醇重整制氢催化剂的有效工作温度为210-320℃。上述结构的高温燃料电池电堆，可有效解决高温重整燃料电池热效率低的问题，但在上述结构的设计过程中，仍需考虑电解质膜耐受温度和重整反应催化剂有效工作温度匹配的问题，因此本专利技术通过“电解质膜的最高耐受温度在重整反应催化剂的有效工作温度范围内”的条件限制，实现了燃料重整吸热与电池反应放热的热平衡。所述N节单体电池与M个燃料处理单元交错堆叠构成高温燃料电池电堆。上述电堆结构为较优的设计方式，易于实现。所述燃料为C1-C4的烃类、甲醇、乙醇、甲酸、乙酸、二甲醚、页岩气中的一种或两种以上的混合物。本专利技术中的燃料选择为传统高温重整燃料电池中的燃料。一种采用所述高温燃料电池电堆的高温燃料电池系统，包括，高温燃料电池电堆，用于将反应燃料中的化学能转化为电能的装置；燃料存储供应单元，包括用于存储反应燃料的燃料容器，以及将所述反应燃料提供给所述高温燃料电池电堆中燃料处理单元的液泵和液体管路；空气供应单元，用于将空气提供给高温燃料电池电堆中的单体电池和燃料处理单元的气泵和气体管路；辅助加热部件，用于为高温燃料电池电堆加热。燃料重整单元和燃料燃烧单元均为密闭的中空容器；所述高温燃料电池系统还包括同时具有燃料重整单元和燃料燃烧单元的燃料预处理装置；所述燃料重整单元与所述燃料燃烧单元紧密贴接；所述燃料存储供应单元提供的反应燃料经所述液体管路进入燃料预处理装置中燃料重整单元，重整反应产物经另一液体管路进入所述高温燃料电池电堆；所述燃料存储供应单元提供的反应燃料经所述液体管路进入燃料预处理装置中燃料燃烧单元发生燃烧反应，反应生成热用于为所述重整单元供热。通过上述方式进一步实现了燃料的预处理，即重整处理，同时由于重整反应需要吸热，设计一燃料燃烧单元，利用燃烧反应放出的热量保持重整单元的温度，使重整反应持续进行。所述高温燃料电池电堆中燃料处理单元具有一反应产物出口A，所述反应产物出口A与所述燃料预处理装置中燃料燃烧单元管路连接，将余量反应产物提供给燃料预处理装置中燃料燃烧单元使其发生燃烧反应，反应生成热用于为所述重整单元供热。为保证燃料电池的反应效率，通常来说，燃料重整的进料量通常大于燃料电池反应所需的燃料的量，因此通过上述设计实现了过量重整反应产物返回至燃料预处理装置中的燃料燃烧单元，在余量反应产物燃烧发出的热量足以供重整单元所需时，可以停止对燃料燃烧单元的燃料供应，节省燃料，提高燃料效率和热效率。所述系统还包括一辅助电源，用于在系统启动阶段为所述液泵和气泵以及其他系统辅助部件提供电能。所述辅助电源为二次电池或电源，可为锂离子电池、铅蓄电池、液流电池、锌锰电池。所述空气供应单元与所述高温燃料电池电堆经所述气体管路连接，所述气体管路经与高温燃料电池电堆换热后与所述高温燃料电池电堆空气进口连通。所述空气供应单元与所述高温燃料电池电堆经所述气体管路连接，所述气体管路经与高温燃料电池电堆和/或燃料预处理装置换热后与所述高温燃料电池电堆空气进口连通。所述气体管路经与高温燃料电池电堆换热的方式为气体管路盘绕于电堆堆体的一侧表面或气体管路缠绕于电堆堆体上。所述气体管路经与高温燃料电池电堆换热的方式为气体管路盘绕于电堆堆体的一侧表面或气体管路缠绕于电堆堆体上；所述气体管路经与燃料预处理装置的换热方式为气体管路盘绕于燃料预处理装置的一侧表面或气体管路缠绕于燃料预处理装置上。气体管路经换热后进入高温燃料电池电堆的空气温度有所提高，有利于电堆反应效率的提高和热效率的提高。一种所述高温燃料电池系统的控制方法，于所述高温燃料电池电堆中设置有温度感应装置；当高温燃料电池电堆中的温度TS小于设定值TS0时，所述辅助加热部件工作，为高温燃料电池电堆提供热量。一种所述高温燃料电池系统的控制方法，于所述燃料预处理装置中的燃料重整单元和燃料燃烧单元分别设置有温度感应装置；当燃料燃烧单元中的温度值TB＜设定下限TBL时或燃料重整单元中的温度值TR＜设定下限TRL时，燃料存储供应单元为燃料燃烧单元提供燃料，当燃料燃烧单元中的温度值TB≥设定上限TD时或燃料重整单元中的温度值TR≥设定上限TRH时，燃料存储供应单元停止为燃料燃烧单元提供燃料，其中TRL＜TRH≤TBH，TBL≤TRH。采用上述控制方法，使该高温燃料电池系统能够在稳定条件下运行，避免了运行过程中温度过低导致的电池性能低及温度过高导致的重整器中催化剂的烧结机MEA性能的破坏。本专利技术所述高温燃料电池电堆解决燃料外重整热利用效率低的问题，实现了将燃料重整吸热与燃料电池工本文档来自技高网...

【技术保护点】
高温燃料电池电堆，其特征在于：包括N节单体电池和M个燃料处理单元；其中M和N均为自然数；所述N节单体电池与M个燃料处理单元紧密贴接构成高温燃料电池电堆；于所述燃料处理单元中设置有燃料重整反应催化剂；所述燃料处理单元的反应产物为所述单体电池的阳极燃料，所述燃料处理单元的反应产物出口与所述单体电池的阳极燃料入口相连；所述单体电池包括膜电极中的电解质膜为最高耐受温度150℃‑250℃的电解质膜。

【技术特征摘要】
1.高温燃料电池电堆，其特征在于：包括N节单体电池和M个燃料处理单元；其中M和N均为自然数；所述N节单体电池与M个燃料处理单元紧密贴接构成高温燃料电池电堆；于所述燃料处理单元中设置有燃料重整反应催化剂；所述燃料处理单元的反应产物为所述单体电池的阳极燃料，所述燃料处理单元的反应产物出口与所述单体电池的阳极燃料入口相连；所述单体电池包括膜电极中的电解质膜为最高耐受温度150℃-250℃的电解质膜。2.如权利要求1所述高温燃料电池电堆，其特征在于：所述N节单体电池与M个燃料处理单元均为长方体，N节单体电池与M个燃料处理单元交错层状堆叠构成高温燃料电池电堆。3.如权利要求1-2任一所述高温燃料电池电堆，其特征在于：所述燃料处理单元处理的燃料为C1-C4的烃类、甲醇、乙醇、甲酸、乙酸、二甲醚、页岩气中的一种或两种以上的混合物。4.如权利要求1所述高温燃料电池电堆，其特征在于：所述重整反应催化剂的有效工作温度范围在130℃-400℃之间，重整反应催化剂为重整制氢催化剂。5.如权利要求1所述高温燃料电池电堆，其特征在于：电解质膜为ABPBI、MPBI、PPBI、OPBI、TPS中的一种。6.一种采用权利要求1-5任一所述高温燃料电池电堆的高温燃料电池系统，其特征在于：包括，高温燃料电池电堆，用于将反应燃料中的化学能转化为电能的装置，包括N节单体电池和M个燃料处理单元；燃料存储供应单元，包括用于存储反应燃料的燃料容器，以及将所述反应燃料提供给所述高温燃料电池电堆中燃料处理单元的液泵和液体管路；空气供应单元，包括用于将空气提供给高温燃料电池电堆中的单体电池和燃料处理单元的气泵和气体管路；辅助加热部件，包括用于为高温燃料电池电堆加热。7.如权利要求6所述高温燃料电池系统，其特征在于：还包括同时具有燃料重整单元和燃料燃烧单元的燃料预处理装置；所述燃料重整单元与所述燃料燃烧单元紧密贴接；所述燃料存储供应单元提供的反应燃料经所述液体管路进入燃料预处理装置中燃料重整单元，重整反应产物经另一液体管路进入所述高温燃料电池电堆的燃料处理单元；所述燃料存储供应单元提供的反应燃料经所述液体管路进入燃料预处理装置中燃料燃烧单元发生燃烧反应，反应生成热用于为所述重整单元供热...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙公权，孙雪敬，杨林林，孙海，秦兵，麻胜南，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21