專利名稱：燃料電池的熱應(yīng)用系統(tǒng)及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池，尤其是燃料電池的熱應(yīng)用系統(tǒng)及控制方法。
在燃料電池中，電池堆的電解質(zhì)膜干燥時(shí)降低氫離子H+的傳導(dǎo)率或電解質(zhì)膜收縮使膜和電極的接觸阻抗增大，使電池堆的性能降低。通常電池堆內(nèi)部供應(yīng)燃料或空氣時(shí)總是把水轉(zhuǎn)換成水蒸氣形狀一起供應(yīng)。
電池堆中供應(yīng)氫的重整爐內(nèi)有反應(yīng)爐，燃料流入到反應(yīng)爐，燃料中含有水蒸氣及氧氣，此時(shí)重整爐的燃燒器啟動(dòng)，進(jìn)行重整反應(yīng)，重整反應(yīng)生成的氫供應(yīng)到電池堆，此重整爐的反應(yīng)方程式為----------(式1)-----------(式2)上述式1的反應(yīng)需要在600℃以上的高溫下進(jìn)行，啟動(dòng)重整爐內(nèi)部裝配的燃燒器，甲烷(液化天然氣的主要成分)供應(yīng)到重整爐，反應(yīng)的水(H2O)以同樣高溫的氣體形態(tài)供應(yīng)，二者發(fā)生重整反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣。
式1的反應(yīng)式中生成的一氧化碳CO會(huì)降低燃料電池催化劑的活性，必須清除。清除一氧化碳的過程是式2的反應(yīng)式中一氧化碳CO和水H2O進(jìn)行反應(yīng)，生成二氧化碳CO2和氫氣H2。式2的反應(yīng)是在800℃左右進(jìn)行一次反應(yīng)，200℃左右進(jìn)行二次反應(yīng)。提高重整爐內(nèi)部溫度的燃燒器，在重整反應(yīng)后，排出含有高溫燃燒熱的氣體。
但是，現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池中，重整爐直接向外部排出高溫燃燒熱的氣體，沒有利用其熱能，存在浪費(fèi)能量的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種利用燃料箱中排出氣體包含的熱能，以提高能量的利用率的燃料電池的熱應(yīng)用系統(tǒng)及其控制方法。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種燃料電池的熱應(yīng)用系統(tǒng)，包括從接受供應(yīng)的燃料中生成氫的重整爐和中間放入電解質(zhì)兩側(cè)配置陽極和陰極的電池堆，電池堆通過從重整爐中產(chǎn)生的氫或含氫的燃料供應(yīng)給陽極，與供應(yīng)給陰極的氧氣或含氧氧化劑發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電和熱，其特征是由重整爐和電池堆構(gòu)成的燃料箱裝配有引導(dǎo)燃料箱中產(chǎn)生的排氣及利用排氣加熱水的溫水生成部的排氣管路。
所述溫水生成部包括裝配溫度傳感器及水位計(jì)的水箱，與水箱連通并把水箱內(nèi)的水向外部流動(dòng)的溫水循環(huán)管路，含有溫水循環(huán)管路的一部分及裝配在排氣管路上利用排氣加熱溫水循環(huán)管路的熱交換機(jī)，與水箱連接、向熱交換機(jī)的溫水循環(huán)管路供應(yīng)及補(bǔ)充水的上水補(bǔ)充管路。
所述溫水循環(huán)管路包括裝配在連通燃料箱和上水補(bǔ)充管路的溫水回路的中間部位的開閉水流的開閉器。也可以在裝配燃料箱和上水補(bǔ)充管路的區(qū)間內(nèi)的溫水循環(huán)管路上裝配開閉水流的開閉器。
所述開閉器是泵或開閉閥門。
一種燃料電池的熱應(yīng)用系統(tǒng)的控制方法，其特征是用裝配在水箱上的溫度傳感器測(cè)定水箱中儲(chǔ)存水的溫度，判斷是否達(dá)到設(shè)定溫度以上的判斷階段，再進(jìn)行以下4個(gè)階段a、如果判斷階段中水的溫度達(dá)到設(shè)定溫度以上且水箱中儲(chǔ)存水的流量也達(dá)到設(shè)定流量以上時(shí)，向水箱中補(bǔ)充水并中斷加熱水箱中儲(chǔ)存水，此為第1階段；b、如果判斷階段中水的溫度達(dá)到設(shè)定溫度以上且水箱中儲(chǔ)存水的流量沒有達(dá)到設(shè)定流量以上時(shí)，向水箱中補(bǔ)充水并同時(shí)加熱水箱中儲(chǔ)存水，此為第2階段；c、如果判斷階段中水的溫度沒有達(dá)到設(shè)定溫度以上且水箱中儲(chǔ)存水的流量達(dá)到設(shè)定流量以上時(shí)，向水箱中補(bǔ)充水并同時(shí)加熱水箱中儲(chǔ)存水，此為第3階段；d、如果判斷階段中水的溫度沒有達(dá)到設(shè)定溫度以上且水箱中儲(chǔ)存水的流量沒有達(dá)到設(shè)定流量以上時(shí)，向水箱中補(bǔ)充水并同時(shí)中斷加熱水箱中儲(chǔ)存水，此為第4階段。
本發(fā)明的有益效果是應(yīng)用生成電和熱的電池堆及電池堆中供應(yīng)氫的重整爐中發(fā)生的排氣，啟動(dòng)溫水生成部的熱交換機(jī)，利用熱交換機(jī)的啟動(dòng)加熱儲(chǔ)存在水箱內(nèi)的水，提高燃料電池的能量利用率。
圖2是

圖1的燃料電池的熱應(yīng)用系統(tǒng)控制方法及實(shí)行過程的模塊圖。
圖中，1重整爐；2電池堆；3燃料箱；4排氣管路；10溫水生成部；11水箱；11a溫度傳感器；11b水位計(jì)；12溫水循環(huán)管路；13熱交換機(jī)；14上水補(bǔ)充管路；14a開閉閥門；15泵。
溫水生成部10包括裝有溫度傳感器11a、水位計(jì)11b的儲(chǔ)存水的水箱11；與水箱11連通并把水箱11內(nèi)的水向外部流動(dòng)的溫水循環(huán)管路12；含有溫水循環(huán)管路12的一定部分，裝配在排氣管路4上的利用排氣加熱溫水循環(huán)管路12內(nèi)水的熱交換機(jī)13；與水箱11連接，通過開閉閥門14a控制向熱交換機(jī)13的溫水循環(huán)管路12供應(yīng)及補(bǔ)充水的上水補(bǔ)充管路14。在水箱11和上水補(bǔ)充管路14之間的溫水循環(huán)管路12上裝有泵15，控制從水箱11向溫水循環(huán)管路12流入的水。
另外，本發(fā)明也可以是上水補(bǔ)充管路14上裝配的開閉閥門14a改用泵也起到同樣的作用，同理，溫水循環(huán)管路12上裝配的泵15改用開閉閥門也起到同樣的作用，但此時(shí)從水箱11中流出水的流出口是形成在水箱11的下側(cè)，流入水的流入口是設(shè)置在水箱11的上側(cè)，通過自然對(duì)流形成水的流動(dòng)。
具有上述結(jié)構(gòu)的燃料電池的熱應(yīng)用系統(tǒng)具有以下的作用效果和系統(tǒng)控制方法裝入汽油或其他的碳化氫(液化天然氣、液化石油氣體、CH3OH…)系列燃料的燃料箱中供應(yīng)的燃料液與水和空氣混合的同時(shí)流入到重整爐1中，其中燃料液的一部分流入重整爐1的燃燒器進(jìn)行燃燒，剩余的部分流入重整爐的反應(yīng)爐后通過脫硫反應(yīng)及重整反應(yīng)和氫凈化反應(yīng)產(chǎn)生氫，產(chǎn)生的氫供應(yīng)到電池堆2的燃料極(陽極)后與供應(yīng)到空氣極(陰極)的氧一起經(jīng)過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電和熱，其中電通過電力轉(zhuǎn)換器(未圖示)引加到電器制品，起到電源的作用。
此時(shí)，重整爐1的燃燒器中產(chǎn)生的含有燃燒熱的排氣及電池堆2中產(chǎn)生的排氣形成的燃料箱的熱應(yīng)用系統(tǒng)及其控制方法為用裝配在水箱11上的溫度傳感器11a測(cè)定水箱中儲(chǔ)存的水的溫度T，判斷是否達(dá)到設(shè)定溫度T0以上的判斷階段，再進(jìn)行以下4種處理a、如果判斷階段中水的溫度T達(dá)到設(shè)定溫度T0以上且水箱中儲(chǔ)存水的流量L也達(dá)到設(shè)定流量L0以上時(shí)，向水箱11中補(bǔ)充水并中斷加熱水箱11中儲(chǔ)存水，此為第1階段；b、如果判斷階段中水的溫度T達(dá)到設(shè)定溫度T0以上且水箱中儲(chǔ)存水的流量L沒有達(dá)到設(shè)定流量L0以上時(shí)，向水箱11中補(bǔ)充水并同時(shí)加熱水箱11中儲(chǔ)存水，此為第2階段；c、如果判斷階段中水的溫度T沒有達(dá)到設(shè)定溫度T0以上且水箱11中儲(chǔ)存水的流量L達(dá)到設(shè)定流量L0以上時(shí)，向水箱11中補(bǔ)充水并同時(shí)加熱水箱11中儲(chǔ)存水，此為第3階段；d、如果判斷階段中水的溫度T沒有達(dá)到設(shè)定溫度T0以上且水箱11中儲(chǔ)存水的流量L沒有達(dá)到設(shè)定流量L0以上時(shí)，向水箱11中補(bǔ)充水并同時(shí)中斷加熱水箱11中儲(chǔ)存水，此為第4階段。
第1階段包括用裝配在水箱11上的水位計(jì)11b測(cè)定水箱11中儲(chǔ)存水的流量L，判斷是否達(dá)到設(shè)定流量L0以上的判斷階段；水箱11中儲(chǔ)存的流量L達(dá)到設(shè)定流量L0以上時(shí)，終止連通在水箱11的溫水循環(huán)管路12上裝配的泵15的啟動(dòng)，中斷水的流入，同時(shí)關(guān)閉連通在溫水循環(huán)管路12的上水補(bǔ)充管路14的開閉閥門14a，中斷補(bǔ)充水供應(yīng)的階段。
第2階段或第4階段包括用裝配在水箱11上的水位計(jì)11b測(cè)定水箱11中儲(chǔ)存水的流量L，判斷是否達(dá)到設(shè)定流量L0以上的判斷階段；水箱11中儲(chǔ)存水的流量L沒有達(dá)到設(shè)定流量L0以上時(shí)，終止連通在水箱11的溫水循環(huán)管路12上裝配的泵15的啟動(dòng)，中斷水的流入，同時(shí)開通連通在溫水循環(huán)管路12的上水補(bǔ)充管路14的開閉閥門14a，使補(bǔ)充水供應(yīng)到溫水循環(huán)管路12后被熱交換機(jī)13加熱后向水箱11補(bǔ)充水的階段。
第3階段包括用裝配在水箱11上的水位計(jì)11b測(cè)定水箱11中儲(chǔ)存的水的流量L，判斷是否達(dá)到設(shè)定流量L0以上的判斷階段；水箱11中儲(chǔ)存水的流量L達(dá)到設(shè)定流量L0以上時(shí)，關(guān)閉連通在溫水循環(huán)管路12的上水補(bǔ)充管路14的開閉閥門14a，中斷補(bǔ)充水供應(yīng)，同時(shí)啟動(dòng)泵15，水通過連通在水箱11的溫水循環(huán)管路12流入后被熱交換機(jī)13加熱后再向水箱11流入的階段。
本發(fā)明的燃料電池的熱應(yīng)用系統(tǒng)及其控制方法是利用重整爐及電池堆等構(gòu)成的燃料箱中發(fā)生的含熱排氣，加熱儲(chǔ)存在水箱的水，提高燃料電池的能量利用率。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池的熱應(yīng)用系統(tǒng)，包括從接受供應(yīng)的燃料中生成氫的重整爐(1)和中間放入電解質(zhì)兩側(cè)配置陽極和陰極的電池堆(2)，電池堆(2)通過從重整爐中產(chǎn)生的氫或含氫的燃料供應(yīng)給陽極，與供應(yīng)給陰極的氧氣或含氧氧化劑發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電和熱，其特征是由重整爐(1)和電池堆(2)構(gòu)成的燃料箱(3)裝配有引導(dǎo)燃料箱(3)中產(chǎn)生的排氣及利用排氣加熱水的溫水生成部(10)的排氣管路(4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池的熱應(yīng)用系統(tǒng)，其特征是溫水生成部(10)包括裝配溫度傳感器(11a)及水位計(jì)(11b)的水箱(11)，與水箱(11)連通并把水箱內(nèi)的水向外部流動(dòng)的溫水循環(huán)管路(12)，含有溫水循環(huán)管路(12)的一部分及裝配在排氣管路(4)上利用排氣加熱溫水循環(huán)管路(12)的熱交換機(jī)(13)，與水箱(11)連接、向熱交換機(jī)(13)的溫水循環(huán)管路(12)供應(yīng)及補(bǔ)充水的上水補(bǔ)充管路(14)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池的熱應(yīng)用系統(tǒng)，其特征是溫水循環(huán)管路(12)包括裝配在連通燃料箱(3)和上水補(bǔ)充管路(14)的溫水回路的中間部位的開閉水流的開閉器。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃料電池的熱應(yīng)用系統(tǒng)，其特征是在裝配燃料箱(3)和上水補(bǔ)充管路(14)的區(qū)間內(nèi)的溫水循環(huán)管路(12)上裝配開閉水流的開閉器。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的燃料電池的熱應(yīng)用系統(tǒng)，其特征是開閉器是泵。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的燃料電池的熱應(yīng)用系統(tǒng)，其特征是開閉器是開閉閥門。
7.一種燃料電池的熱應(yīng)用系統(tǒng)的控制方法，其特征是用裝配在水箱上的溫度傳感器(11a)測(cè)定水箱中儲(chǔ)存水的溫度，判斷是否達(dá)到設(shè)定溫度以上的判斷階段，再進(jìn)行以下4個(gè)階段a、如果判斷階段中水的溫度達(dá)到設(shè)定溫度以上且水箱中儲(chǔ)存水的流量也達(dá)到設(shè)定流量以上時(shí)，向水箱中補(bǔ)充水并中斷加熱水箱中儲(chǔ)存水，此為第1階段；b、如果判斷階段中水的溫度達(dá)到設(shè)定溫度以上且水箱中儲(chǔ)存水的流量沒有達(dá)到設(shè)定流量以上時(shí)，向水箱中補(bǔ)充水并同時(shí)加熱水箱中儲(chǔ)存水，此為第2階段；c、如果判斷階段中水的溫度沒有達(dá)到設(shè)定溫度以上且水箱中儲(chǔ)存水的流量達(dá)到設(shè)定流量以上時(shí)，向水箱中補(bǔ)充水并同時(shí)加熱水箱中儲(chǔ)存水，此為第3階段；d、如果判斷階段中水的溫度沒有達(dá)到設(shè)定溫度以上且水箱中儲(chǔ)存水的流量沒有達(dá)到設(shè)定流量以上時(shí)，向水箱中補(bǔ)充水并同時(shí)中斷加熱水箱中儲(chǔ)存水，此為第4階段。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃料電池的熱應(yīng)用系統(tǒng)的控制方法，其特征是第1階段包括a、用裝配在水箱上的水位計(jì)(11b)測(cè)定水箱中儲(chǔ)存水的流量，判斷是否達(dá)到設(shè)定流量以上的判斷階段；b、水箱中儲(chǔ)存水的流量達(dá)到設(shè)定流量以上時(shí)，終止連通在水箱的溫水循環(huán)管路(12)上裝配的泵(15)的啟動(dòng)，中斷水的流入，并同時(shí)關(guān)閉連通在溫水循環(huán)管路(12)的上水補(bǔ)充管路(14)的開閉閥門(14a)，中斷補(bǔ)充水供應(yīng)的階段。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃料電池的熱應(yīng)用系統(tǒng)的控制方法，其特征是第2階段或第4階段包括a、用裝配在水箱上的水位計(jì)(11b)測(cè)定水箱中儲(chǔ)存水的流量，判斷是否達(dá)到設(shè)定流量以上的判斷階段；b、水箱中儲(chǔ)存水的流量沒有達(dá)到設(shè)定流量以上時(shí)，終止連通在水箱的溫水循環(huán)管路(12)上裝配的泵(15)的啟動(dòng)，中斷水的流入，并同時(shí)開通連通在溫水循環(huán)管路(12)的上水補(bǔ)充管路(14)的開閉閥門(14a)，使補(bǔ)充水供應(yīng)到溫水循環(huán)管路(12)后被熱交換機(jī)(13)加熱后向水箱補(bǔ)充水的階段。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃料電池的熱應(yīng)用系統(tǒng)的控制方法，其特征是第3階段包括a、用裝配在水箱上的水位計(jì)(11b)測(cè)定水箱中儲(chǔ)存水的流量，判斷是否達(dá)到設(shè)定流量以上的判斷階段；b、水箱中儲(chǔ)存水的流量達(dá)到設(shè)定流量以上時(shí)，關(guān)閉連通在溫水循環(huán)管路(12)的上水補(bǔ)充管路(14)的開閉閥門(14a)，中斷補(bǔ)充水的供應(yīng)，并同時(shí)啟動(dòng)泵(15)，水通過連通在水箱的溫水循環(huán)管路(12)流入后被熱交換機(jī)(13)加熱后再向水箱流入的階段。
11.根據(jù)權(quán)利要求7或10所述的燃料電池的熱應(yīng)用系統(tǒng)的控制方法，其特征是水箱(11)的水流入到溫水循環(huán)管路(12)是通過泵或開閉閥門控制。
12.根據(jù)權(quán)利要求7或10所述的燃料電池的熱應(yīng)用系統(tǒng)的控制方法，其特征是通過上水補(bǔ)充管路(14)供應(yīng)補(bǔ)充水是通過泵或開閉閥門控制。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種燃料電池的熱應(yīng)用系統(tǒng)及其控制方法，包括從接受供應(yīng)的燃料中生成氫的重整爐和中間放入電解質(zhì)兩側(cè)配置陽極和陰極的電池堆，電池堆通過從重整爐中產(chǎn)生的氫或含氫的燃料供應(yīng)給陽極，與供應(yīng)給陰極的氧氣或含氧氧化劑發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電和熱，由重整爐和電池堆構(gòu)成的燃料箱裝配有引導(dǎo)燃料箱中產(chǎn)生的排氣及利用排氣加熱水的溫水生成部的排氣管路。能夠提高燃料電池的能量利用率。
文檔編號(hào)H01M8/04GK1474474SQ0212913
公開日2004年2月11日 申請(qǐng)日期2002年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月19日
發(fā)明者金寅圭, 樸明碩, 李成煥, 黃龍俊, 高承兌, 張昌龍, 許成根 申請(qǐng)人:樂金電子(天津)電器有限公司