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CN103887540A - 一种高温液体燃料电池或电池堆的燃料进料装置 - Google Patents

一种高温液体燃料电池或电池堆的燃料进料装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及高温液体燃料电池系统燃料进料子系统，所述高温液体燃料电池系统包括燃料罐、燃料进料子系统、含燃料燃烧室和燃料重整室的燃料重整器、含气体泵和气体管路的气体进料子系统及燃料电池电堆，所述燃料进料子系统包括位于所述燃料罐物料出口与所述燃料重整器物料入口之间的、由一液体管路依次相连的液体泵和流量控制部件；所述燃料进料子系统同时包括用于控制燃料进料启停及燃料进料流量的控制器；所述控制器根据所述燃料重整器内部设置的一温度传感器传送的一温度信号控制燃料进料子系统的启停；所述控制器根据所述温度信号控制流入燃料重整器的液体燃料流量。将该燃料进料子系统降低了系统对液体泵流量的高要求，更易于系统的集成。

Description

一种高温液体燃料电池或电池堆的燃料进料装置
技术领域
本发明涉及高温液体燃料电池系统；具体的说本发明涉及高温液体燃料电池系统燃料进料子系统；本发明还涉及上述高温液体燃料电池系统的燃料进料方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池以其高效、无污染的特性，成为新型的清洁发电方式。常规质子交换膜燃料电池采用纯氢为燃料，限制了其应用范围，开发以重整气为燃料气的质子交换膜燃料电池（通常称为高温重整燃料电池）对于燃料电池的商业化具有重要的意义。
在高温重整燃料电池系统中，重整气供应装置通过对燃料源进行处理以产生富含氢气的燃料气，燃料源用作氢气载体。液态燃料源因具有高能量密度和易于储存和输运的能力，目前被广泛应用，并通常称此类电池为高温液体燃料电池。
对于便携式高温液体燃料电池而言，常用的液态燃料源包括甲醇、乙醇、汽油和丙烷等。在系统工作过程中，液态燃料源通过液体泵直接输送至燃料重整器中，由于重整器需求的液体燃料流量很低，往往小于1ml/min，如果简单使用液体泵，则要求液体泵流量低，并具有较好的精度和扬程特性。这种低流量液泵往往需要专门定制，从而提高了液体泵的供货周期，提高成本。
中国专利200480024524.9披露了一种高效微燃料电池系统，该系统利用两个液体燃料泵将液体燃料同时供应给燃料处理器中的燃料器和重整器。该方法一方面提高了系统的内耗（两个泵同时工作）；另一方面也占用了一定的系统空间；同时由于微流量泵的选择限制使得经过重整器的液态燃料过量，从而导致重整气并不能完全被燃料电池系统利用，继而要重新返回重整器中，增加了燃料电池系统的复杂程度，同时增加了系统的成本。
发明内容
本发明针对以上现有技术的不足，提供一种高温液体（甲醇、乙醇、乙二醇等）为燃料的燃料电池系统的燃料进料子系统及燃料进料方法。
本发明采用的具体技术方案包括以下内容：
一种高温液体燃料电池或电池堆的燃料进料装置，所述燃料进料装置包括液体燃料罐、含燃烧室和重整室的重整器，燃料罐物料出口经液体泵与重整器重整室物料入口管路连接，重整器重整室物料出口与液体燃料电池或电池堆的阳极入口相连；于液体泵物料出口与重整器重整室物料入口连接管路上设有一级分支支路，一级分支支路与液体泵的入口或燃料罐相连。
于一级分支支路与重整器重整室物料入口间的液体泵物料出口与重整器重整室物料入口连接管路上设有二通电磁阀，于一级分支支路管路上设有二通电磁阀；
或者，一级分支支路由第一三通二位电磁阀实现，第一三通二位电磁阀的二个接口分别与燃料罐物料出口与重整器重整室物料入口连接，第一三通二位电磁阀的第三个接口通过管路与液体泵的入口或燃料罐相连。
于一级分支支路上设有二级分支支路，二级分支支路与重整器的燃烧室入口相连。
于一级分支支路与重整器重整室物料入口间的液体泵物料出口与重整器重整室物料入口连接管路上设有二通电磁阀，于一级分支支路与二级分支支路间的一级分支支路管路上设有二通电磁阀，于二级分支支路与重整器的燃烧室入口间的二级分支支路管路上设有二通电磁阀，于二级分支支路与液体泵的入口或燃料罐间的一级分支支路管路上设有二通电磁阀；
或者，一级分支支路由第一三通二位电磁阀实现，第一三通二位电磁阀的二个接口分别与燃料罐物料出口与重整器重整室物料入口连接，第一三通二位电磁阀的第三个接口通过管路与液体泵的入口或燃料罐相连；于第一三通二位电磁阀的第三个接口与液体泵的入口或燃料罐的连接管路上设有二级分支支路；二级分支支路由第二三通二位电磁阀实现，第二三通二位电磁阀的二个接口分别与第一三通二位电磁阀的第三个接口与液体泵的入口或燃料罐相连，第二三通二位电磁阀的第三个接口与重整器的燃烧室入口相连。
于重整器的重整室上设有温度传感器，温度传感器通过导线与一控制器信号连接，控制器通过导线与三通二位电磁阀或二通电磁阀信号连接；
所述控制器温度传感器输出的温度信号控制三通二位电磁阀或二通电磁阀动作；进一步控制单位时间内重整器物料入口的燃料进料量，或者进一步控制单位时间内重整器重整室物料入口的燃料进料量和单位时间内流入重整器燃烧室的液体燃料量。
所述控制器由单片机、电阻、三极管和MOSFET组成；
所述温度传感器与单片机信号连接，单片机接收所述温度传感器的输出信号，并与单片机内部设定的温度值进行逻辑比较判断，单片机的输出信号通过电阻连接到三极管的基极，三极管的发射极接地，三极管的集电极与MOSFET的G极线路连接，三极管控制MOSFET主回路的通断，三通二位电磁阀或二通电磁阀通过导线接于MOSFET的主回路上，MOSFET再控制三通二位电磁阀或二通电磁阀的动作。
所述液体燃料罐中储存的液体燃料为甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、甲酸、乙酸中的一种或二种以上的混合溶液或混合水溶液。
本发明具有如下优点：将该燃料进料子系统用于便携式高温液体燃料电池系统中时，降低了系统对液体泵具有低流量的同时具有一定扬程的较高要求，选用常规的液体泵替代精密的微流量液体泵即可实现液体燃料低流量进料的要求，扩大了泵的选择范围、降低了液体泵的成本，更易于系统的集成；同时当燃料进料子系统同时为其他部件提高燃料时，减小了泵的使用数量，降低了系统的内耗，节省了系统的空间。
附图说明
图1、一种本发明所述高温液体燃料电池系统燃料进料方法流程示意图。
其中，1为燃料罐；2为液体泵；3为燃料重整供气气体泵；4为电堆供气气体泵；5、6为第一和第二三通电磁阀；7为燃料重整器，其中701为燃烧室；702为重整室；8高温液体燃料电池堆，其中801为阴极室，802为阳极室；9为控制器；10为温度传感器。
图2、一种本发明所述高温液体燃料电池系统控制器的控制电路原理图。
其中，10为温度传感器；92为单片机；93、96为电阻；94、97为三极管；95、98为MOSFET。
图3、一种本发明所述高温液体燃料电池系统控制器控制电磁阀动作的控制逻辑图。
图4、实施例1所述高温液体燃料电池系统重整器温度随时间的变化。
图5、实施例1所述高温液体燃料电池系统燃料电池电堆电压随时间的变化。
具体实施方式
实施例1
图1为一种本发明所述高温液体燃料电池系统燃料进料方法流程示意图。所示高温液体燃料电池系统包括燃料罐1，液体泵2，燃料重整器气体泵3，电堆供气气体泵4，第一三通电磁阀5，第二三通电磁阀6，燃料重整器7，高温液体燃料电池堆8，控制器9，温度传感器10。
上述高温燃料电池系统工作过程中，其环境温度为室温（25℃），其对外输出功率为50W，工作时电堆供气气体泵4将外界空气输送到燃料电池电堆8的阴极801中，阴极801出口的气液混合物可直接排放至大气中。
燃料罐1中的装有甲醇溶液，甲醇溶液通过液体泵2输送。当第一三通电磁阀5的a、b连通时，甲醇燃料被输送至甲醇重整器7的燃烧室701，与气泵3输送的空气混合进行催化燃烧反应，释放的热能用来加热重整器。当第一三通电磁阀5的a、c连通，同时第二三通电磁阀6的a’、b’连通时，甲醇燃料被输送至甲醇重整器7的重整室702发生重整反应产生氢气混合气；当第一三通电磁阀5的a、c连通和三通电磁阀6的a’、c’连通时，甲醇燃料被输送至液体泵2的进料管路进行循环输送。甲醇重整器7中生成的氢气混合气被输送至燃料电池堆8的阳极802。在电池堆中氢气与空气中的氧气发生电化学反应，对外输出电能。阳极802出口的尾气可直接排放至大气中，也可循环输送中甲醇重整器的燃烧室701进行催化燃烧。第一三通电磁阀5和第二三通电磁阀6的切换通过中央控制器9进行控制。
图2为上述控制器的控制电路原理图。重整器内部的温度传感器10的输出信号输入到单片机92，并由单片机92的内部逻辑进行判断，其输出信号通过电阻93和96分别连接到三极管94和97的基极，三极管94和97控制MOSFET95和98的通断，MOSFET95和98再分别控制电磁阀5和6的动作。
图3为上述控制器控制第一三通电磁阀5和第二三通电磁阀6动作的控制逻辑图。整个控制过程包括重整器升温过程控制、重整反应启动过程控制和重整器温度稳定过程控制三个阶段。在上述控制阶段中，第一三通电磁阀5上电时a、b连通，断电时a、c连通；第二三通电磁阀6上电时a’、b’连通，断电时a’、c’连通。
在重整器升温过程控制阶段，第二三通电磁阀6处于断电状态，即此时第二三通电磁阀6的a’、c’连通。燃料溶液从燃料罐1经液体泵2、第一三通电磁阀5或流向燃料重整器7中的燃料燃烧室701，并在燃料燃烧室701中发生燃烧反应进而导致燃料重整器温度升高，或经第二三通电磁阀6循环至燃料罐1与液体泵2之间的管路；与此同时单片机92通过查询重整器内部的温度传感器91的温度信号，判断重整器升温速率是否在4-6℃/min之内，若超出该范围，则单片机92通过调节第一三通电磁阀5中PWM控制的脉冲宽度，使重整器温升速度控制在4-6℃/min之内，从而保证重整器升温过程迅速且稳定，至重整器温度升高至大于等于235℃时，重整器升温过程控制阶段结束，进入重整反应启动过程控制阶段。
在重整反应启动过程控制阶段，第一三通电磁阀5的占空比固定，即电磁阀动作的脉宽和频率保持不变，当第一三通电磁阀5断电时，第二三通电磁阀处于PWM控制状态，燃料溶液从燃料罐1经液体泵2、第一三通电磁阀5、第二三通电磁阀6或流向燃料重整器7中的燃料重整室702进行重整反应，或循环至燃料罐1与液体泵2之间的管路；当第一三通电磁阀5上电时，第二三通电磁阀6保持为断电状态。由于重整反应为吸热反应，并且此时燃料燃烧的放热反应速率小于重整反应的吸热反应的速率，重整器温度缓慢下降，当重整器温度下降至小于等于230℃时，重整反应启动过程控制阶段结束，进入重整器温度稳定过程控制阶段。
在重整器温度稳定过程控制阶段，第一三通电磁阀5以固定占空比进行通断控制以保证燃料在燃料燃烧室中的燃烧放热反应速率不变，而通过控制重整反应的速率（即吸热反应）来使放热和吸热反应达到平衡。具体过程为：单片机92通过查询重整器内部传感器10的温度信号，判断重整器温度是否在220-230℃之内，若重整器温度超出该范围，则单片机92通过调节第二三通电磁阀6的占空比。即第二三通电磁阀6在第一三通电磁阀5断电时的上电时间，使重整器温度控制在220-230℃之内，进而保证燃料重整器7产生的混合气气量稳定且氢气含量较高。当重整器进入停车阶段时，单片机92控制第一三通电磁阀5和第二三通电磁阀6均为断电状态，停止向甲醇重整器7的重整室702和燃烧室701进料。
图4为图1中所述高温液体燃料电池系统重整器温度随时间的变化。
其中重整器所进燃料为1M甲醇溶液，从图中可以看出，从重整器开始启动，至重整器升温至235℃所需时间大概需50分钟，自此之后至重整器稳定工作在220-230℃之间，所需时间大概为10分钟，之后近1小时内，重整器工作温度稳定。
图5为图1中所述高温液体燃料电池系统电堆电压随时间的变化。
高温液体燃料电池系统运行条件：氢气混合气温度：180℃，氢气含量≥75%，氢气流量≥1.8L/min，电堆温度160-170℃，系统对外输出功率50W；在图中可以看出，在整个高温液体燃料电池系统启动1小时左右，电堆开始对外放电。
可以看出，本发明所述高温液体燃料电池系统的甲醇进料方式，实现了重整器的快速启动和稳定运行，保证了重整器温度一定范围内波动，实现了燃烧反应和重整反应平衡控制，使该系统中的重整器能够为电堆提供稳定和高品质的氢源，从而使高温液体燃料电池系统在一定时间内的稳定运行。

Claims (7)

1.一种高温液体燃料电池或电池堆的燃料进料装置，所述燃料进料装置包括液体燃料罐（1）、含燃烧室和重整室的重整器（7），燃料罐物料出口经液体泵（2）与重整器重整室物料入口管路连接，重整器重整室物料出口与液体燃料电池或电池堆（8）的阳极入口相连，其特征在于：
于液体泵（2）物料出口与重整器重整室物料入口连接管路上设有一级分支支路，一级分支支路与液体泵（2）的入口或燃料罐相连。
2.如权利要求1所述燃料进料装置，其特征在于：
于一级分支支路与重整器重整室物料入口间的液体泵（2）物料出口与重整器重整室物料入口连接管路上设有二通电磁阀，于一级分支支路管路上设有二通电磁阀；
或者，一级分支支路由第一三通二位电磁阀（5）实现，第一三通二位电磁阀（5）的二个接口分别与燃料罐物料出口与重整器重整室物料入口连接，第一三通二位电磁阀（5）的第三个接口通过管路与液体泵（2）的入口或燃料罐相连。
3.如权利要求1所述燃料进料装置，其特征在于：
于一级分支支路上设有二级分支支路，二级分支支路与重整器（7）的燃烧室入口相连。
4.如权利要求3所述燃料进料装置，其特征在于：
于一级分支支路与重整器重整室物料入口间的液体泵（2）物料出口与重整器重整室物料入口连接管路上设有二通电磁阀，于一级分支支路与二级分支支路间的一级分支支路管路上设有二通电磁阀，于二级分支支路与重整器（7）的燃烧室入口间的二级分支支路管路上设有二通电磁阀，于二级分支支路与液体泵（2）的入口或燃料罐间的一级分支支路管路上设有二通电磁阀；
或者，一级分支支路由第一三通二位电磁阀（5）实现，第一三通二位电磁阀（5）的二个接口分别与燃料罐物料出口与重整器重整室物料入口连接，第一三通二位电磁阀（5）的第三个接口通过管路与液体泵（2）的入口或燃料罐相连；于第一三通二位电磁阀（5）的第三个接口与液体泵（2）的入口或燃料罐的连接管路上设有二级分支支路；二级分支支路由第二三通二位电磁阀（6）实现，第二三通二位电磁阀（6）的二个接口分别与第一三通二位电磁阀（5）的第三个接口与液体泵（2）的入口或燃料罐相连，第二三通二位电磁阀（6）的第三个接口与重整器（7）的燃烧室入口相连。
5.如权利要求1、2、3或4所述燃料进料装置，其特征在于：
于重整器（7）的重整室上设有温度传感器（10），温度传感器（10）通过导线与一控制器（9）信号连接，控制器（9）通过导线与三通二位电磁阀（5）或二通电磁阀信号连接；
所述控制器温度传感器输出的温度信号控制三通二位电磁阀（5）或二通电磁阀动作；进一步控制单位时间内重整器物料入口的燃料进料量，或者进一步控制单位时间内重整器重整室物料入口的燃料进料量和单位时间内流入重整器燃烧室的液体燃料量。
6.如权利要求5所述燃料进料装置，其特征在于：
所述控制器由单片机、电阻、三极管和MOSFET组成；
所述温度传感器与单片机信号连接，单片机接收所述温度传感器的输出信号，并与单片机内部设定的温度值进行逻辑比较判断，单片机的输出信号通过电阻连接到三极管的基极，三极管的发射极接地，三极管的集电极与MOSFET的G极线路连接，三极管控制MOSFET主回路的通断，三通二位电磁阀或二通电磁阀通过导线接于MOSFET的主回路上，MOSFET再控制三通二位电磁阀或二通电磁阀的动作。
7.如权利要求1所述燃料进料装置，其特征在于：
所述液体燃料罐（1）中储存的液体燃料为甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、甲酸、乙酸中的一种或二种以上的混合溶液或混合水溶液。
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