一种基于多种燃料的燃料电池系统技术方案

本发明专利技术涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种基于多种燃料的燃料电池系统。包括燃料罐、等离子体催化重整反应器、低温水气变换反应器、第一换热器、第二换热器、高温水气变换反应器、第三换热器及高温质子交换膜燃料电池电堆，其中等离子体催化重整反应器的顶部与燃料罐连接，底部通过管路依次与第一换热器、高温水气变换反应器、第二换热器及低温水气变换反应器连接，低温水气变换反应器产物出口通过管路依次与第二换热器和高温质子交换膜燃料电池电堆连接，第三换热器与高温质子交换膜燃料电池电堆并联连接。本发明专利技术可以实现多种燃料在同一燃料电池系统中高效发电。同一燃料电池系统中高效发电。同一燃料电池系统中高效发电。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多种燃料的燃料电池系统


[0001]本专利技术涉及燃料电池
，特别涉及一种基于多种燃料的燃料电池系统。

技术介绍

[0002]燃料电池的最佳燃料是氢，但氢气的存储和运输仍不能较好解决。开发基于多种燃料重整制氢的高温质子交换膜燃料电池技术具有广泛的应用前景，不但可以兼容现有的汽油或柴油等燃料保障系统，而且可采用甲醇、乙醇和甲烷等可再生燃料为进料。该类燃料电池系统具有部件温度跨度范围宽、不同燃料下系统的余热不同及系统快速启动等问题。这些问题的存在，影响该类燃料电池系统的运行与能量转换效率，甚至决定该类燃料电池系统能否使用。针对这些问题，需开展从系统流程到部件的全面设计与优化。然而，基于多种燃料的燃料电池技术研究还处于起步阶段，目前没有针对这些问题的系统、全面的解决方案报道。

技术实现思路

[0003]针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种基于多种燃料的燃料电池系统，以实现多种燃料在同一燃料电池系统中高效发电。
[0004]为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0005]一种基于多种燃料的燃料电池系统，包括燃料罐、等离子体催化重整反应器、水气变换反应装置、第三换热器及高温质子交换膜燃料电池电堆，其中等离子体催化重整反应器的顶部与燃料罐连接，底部通过管路与水气变换反应装置连接，水气变换反应装置与高温质子交换膜燃料电池电堆和第三换热器连接。
[0006]所述水气变换反应装置包括通过管路依次连接的第一换热器、高温水气变换反应器、第二换热器及低温水气变换反应器，第一换热器与所述等离子体催化重整反应器的底部连接；低温水气变换反应器产物出口通过管路依次与第二换热器和高温质子交换膜燃料电池电堆连接，第三换热器与高温质子交换膜燃料电池电堆并联连接。
[0007]所述等离子体催化重整反应器包括一密闭容器，于密闭容器上部设有燃料入口和空气入口，于密闭容器下部设有产物出口；于密闭容器内的中部设有等离子体产生装置，于等离子体产生装置上方的密闭容器侧壁处设有中部进料口；燃料入口通过管路经燃料泵与所述燃料罐相连，产物出口与第一换热器连接。
[0008]所述第一换热器为具有两层的板翅式换热器，上层进口与所述等离子体催化重整反应器的下部产物出口连接，上层出口与所述高温水气变换反应器的进料口连接；所述第一换热器的下层为进料冷物流预热层，下层进口与所述第二换热器连接，下层出口与所述等离子体催化重整反应器的中部进料口连接；所述第一换热器的下层设有液态进料口，液态进料口与液态水进料泵相连。
[0009]所述高温水气变换反应器为一密闭容器，且下端设有下端进料口，上端设有上端出料口，所述高温水气变换反应器的下端进料口与所述第一换热器的上层出口连接，上端
出料口与第二换热器相连接；所述高温水气变换反应器的下端侧壁上设有一水进料口；所述高温水气变换反应器内装有高温变换催化剂。
[0010]所述高温水气变换反应器的外壁上设有一冷却夹套，用于通冷物流，所述冷物流为空气；冷却夹套设有进料口和出料口，冷却夹套的进料口与空气泵Ⅱ连接，冷却夹套的出料口与所述等离子体催化重整反应器的中部进料口连接。
[0011]所述第二换热器为具有四层的板翅式换热器，从右至左依次为第一至第四层，第一层进料口与所述高温水气变换反应器的上端出料口连接，第一层出料口与所述低温水气变换反应器的进料口连接；
[0012]第二层进料口经燃料进料泵与所述燃料罐连接，第二层出料口与所述第一换热器上设有的下层进料口连接；
[0013]第三层进料口与所述低温水气变换反应器的出料口连接，第三层出料口通过三通A与所述第三换热器和所述高温质子交换膜燃料电池电堆连接。
[0014]所述低温水气变换反应器为一密闭容器，且上端设有上端进料口、下端设有下端出料口；所述低温水气变换反应器的上端进料口通过连接管路与所述第二换热器的第一层出料口连接，在连接管路侧壁上设有液态水加料口；所述低温水气变换反应器的下端出料口与所述第二换热器的第三层进料口连接；所述低温水气变换反应器中装填有活性组分为铂和/或铜的催化剂。
[0015]所述高温质子交换膜燃料电池电堆设置有阳极进口、阳极出口、阴极进口、阴极出口、电堆导热油腔进口及电堆导热油腔出口；
[0016]阳极进口与三通A相连，阳极出口与所述第三换热器的催化燃烧腔的进口连接；
[0017]阴极进口与空气泵Ⅳ连接，阴极出口排空；
[0018]所述第三换热器与第四换热器并联，且通过三通C与电堆导热油腔进口相连，通过三通B与电堆导热油腔出口相连。
[0019]所述高温质子交换膜燃料电池电堆的上方设有与其连接的导热油高位槽。
[0020]所述第三换热器为多层换热器，包含有催化燃烧腔、导热油腔、燃烧尾气换热腔、第一路水汽化腔及第二路水汽化腔，其中第一路水汽化腔的进口与第二水泵连接，第一路水汽化腔的出口与所述第二换热器的第四层进料口连接；第二路水汽化腔的进口与第一水泵连接，第二路水汽化腔的出口与所述高温水气变换反应器下端侧壁水进料口连接；
[0021]催化燃烧腔的进口经阀门与三通A相连，催化燃烧腔的出口与燃烧尾气换热腔的进口连接；烧尾气换热腔的出口排空；
[0022]导热油腔的进口经阀门和三通B相连，导热油腔的出口与三通C相连。
[0023]所述第四换热器为管翅式换热器，用于冷却导热油；翅片外设置有一风扇，用于给换热器提供冷空气。
[0024]本专利技术的优点及有益效果是：本专利技术通过等离子体催化重整技术，可以实现多种燃料在同一燃料处理器中重整制氢，氢气干基浓度≥40％，CO干基浓度≤3％，可直接作为高温质子交换膜燃料电池的燃料，从而实现将多种燃料的化学能转化为电能。不但可以兼容现有的汽油或柴油等燃料保障系统，而且可采用甲醇、乙醇和甲烷等可再生燃料为进料。且由于采用的高温质子交换膜燃料电池具有高耐CO能力，相比低温质子交换膜燃料电池，无需采用选择性氧化、膜分离或变压吸附等方法进一步将CO脱到ppm，简化了系统流程。此
外，采用等离子体辅助喷雾燃烧和催化燃烧，可实现系统的快速启动及稳定运行。
[0025]本专利技术中利用多股流板翅式换热器，可实现系统中高、低温冷热物流的梯级换热，不仅可以提高系统的效率，而且结构紧凑、压降低、换热面积大。
附图说明
[0026]图1为本专利技术一种基于多种燃料的燃料电池系统的结构原理示意图；
[0027]图2为本专利技术实施例中不同进料下的系统放电性能图：(a)为柴油进料下的系统放电性能图；(b)为甲醇进料下的系统放电性能图；
[0028]图中：1
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燃料罐；2
‑
燃料泵；3
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燃料进料泵；4
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空气压缩机；5
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空气泵Ⅰ；6
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等离子体催化重整反应器；7
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低温水气变换反应器；8
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第一换热器；9
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第二换热器；1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多种燃料的燃料电池系统，其特征在于，包括燃料罐(1)、等离子体催化重整反应器(6)、水气变换反应装置、第三换热器(16)及高温质子交换膜燃料电池电堆(23)，其中等离子体催化重整反应器(6)的顶部与燃料罐(1)连接，底部通过管路与水气变换反应装置连接，水气变换反应装置与高温质子交换膜燃料电池电堆(23)和第三换热器(16)连接。2.根据权利要求1所述的基于多种燃料的燃料电池系统，其特征在于，所述水气变换反应装置包括通过管路依次连接的第一换热器(8)、高温水气变换反应器(13)、第二换热器(9)及低温水气变换反应器(7)，第一换热器(8)与所述等离子体催化重整反应器(6)的底部连接；低温水气变换反应器(7)产物出口通过管路依次与第二换热器(9)和高温质子交换膜燃料电池电堆(23)连接，第三换热器(16)与高温质子交换膜燃料电池电堆(23)并联连接。3.根据权利要求2所述的基于多种燃料的燃料电池系统，其特征在于，所述等离子体催化重整反应器(6)包括一密闭容器，于密闭容器上部设有燃料入口和空气入口，于密闭容器下部设有产物出口；于密闭容器内的中部设有等离子体产生装置，于等离子体产生装置上方的密闭容器侧壁处设有中部进料口；燃料入口通过管路经燃料泵(2)与所述燃料罐(1)相连，产物出口与第一换热器(8)连接。4.根据权利要求3所述的基于多种燃料的燃料电池系统，其特征在于，所述第一换热器(8)为具有两层的板翅式换热器，上层进口与所述等离子体催化重整反应器(6)的下部产物出口连接，上层出口与所述高温水气变换反应器(13)的进料口连接；所述第一换热器(8)的下层为进料冷物流预热层，下层进口与所述第二换热器(9)连接，下层出口与所述等离子体催化重整反应器(6)的中部进料口连接；所述第一换热器(8)的下层设有液态进料口，液态进料口与液态水进料泵(10)相连。5.根据权利要求4所述的基于多种燃料的燃料电池系统，其特征在于，所述高温水气变换反应器(13)为一密闭容器，且下端设有下端进料口，上端设有上端出料口，所述高温水气变换反应器(13)的下端进料口与所述第一换热器(8)的上层出口连接，上端出料口与第二换热器(9)相连接；所述高温水气变换反应器(13)的下端侧壁上设有一水进料口；所述高温水气变换反应器(13)内装有高温变换催化剂。6.根据权利要求5所述的基于多种燃料的燃料电池系统，其特征在于，所述高温水气变换反应器(13)的外壁上设有一冷却夹套，用于通冷物流，所述冷物流为空气；冷却夹套设有进料口和出料口，冷却夹套的进...

【专利技术属性】
技术研发人员：王素力，黄基才，孙公权，
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：