一种实现冷启动的燃料电池系统的制作方法

本发明属于氢燃料电池领域，特别涉及一种能够实现冷启动的燃料电池系统。

背景技术：

氢能利用技术，如氢燃料电池和氢内燃机，可以提供稳定、高效、无污染的动力，在电动汽车及移动装置等领域有着广泛的应用前景。近10年来，美国、欧洲、日本等发达国家以及我国政府部门和企业投入了巨额资金来发展“氢能经济”，在大规模化氢制备、氢燃料电池等领域都有所突破。2015年世界主要汽车厂商(包括上汽)将批量生产氢燃料电池车。据美国能源部和美国工程院的预测，氢燃料电池车将在15年至20年之内取代现有燃油车及混合动力车，在全球汽车市场居主导地位。此外，氢能技术还可用于备用电源、储能、削峰填谷式并网发电及分布式供能、助燃及环境保护等领域。可以预见，当氢能技术迅速完成市场化进程融入人们的生活后，国家的能源危机以及环境压力将得到极大缓解。

一般的燃料电池，规定最低启动温度不得低于-10℃。而当环境温度低于-10℃时，燃料电池需冷启动，一般的会在燃料电池空气入口、氢气入口和冷却水入口增设加热器(消耗电能的形式来获取热量)，这对燃料电池系统也是一部分能耗。

中国地质大学(武汉)可持续能源实验室研究团队，在中组部第二批“千人计划”程寒松教授的带领下，在原美国工作基础上，通过长期的探索和研究，发现了一类液态有机共轭分子储氢材料，此类材料具有熔点低(目前开发的技术已低至-20℃)、闪点高(150℃以上)、并在自制高效催化剂作用下，释放气体纯度高(99.99％)、脱氢温度低(约150℃)等特点，且循环寿命高(2000次以上)、可逆性强，并且不产生一氧化碳等毒害燃料电池的气体。作为氢的载体，这类材料在使用过程中始终以液态方式存在，可以像石油一样在常温常压下储存和运输，完全可利用现有汽油输送方式和加油站构架。氢并不是以分子的形式存在，而是通过催化加氢，共价结合到有机液体载体分子上。在使用端需要氢气的时候即可通过催化脱氢步骤获得氢气。原料是储油，产物是氢油和氢气，氢油通过催化加氢转变为储油。载体本身不被消耗，可重新加氢，反复循环使用。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种能够实现冷启动的燃料电池系统。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种实现冷启动的燃料电池系统，包括：脱氢处理器、换热器、燃料电池、鼓风机和第一水箱；

其中所述脱氢处理器内设置有脱氢反应釜和分离装置，所述脱氢反应釜用于对储油进行脱氢反应，储油反应生成产物氢油和氢气，分离装置用于对换热后的产物进行分离和提纯；

所述换热器包括串联的第一换热器和第二换热器，换热器内设置有换热介质管和换热管；所述脱氢反应釜产物出口通过管路依次连接第一、第二换热器的换热介质管和分离装置的入口；所述第一换热器换热管的入口和出口分别连通鼓风机的出风口和燃料电池的空气入口，所述第二换热器换热管的出口和入口分别连通第一水箱和燃料电池的冷却水入口；脱氢反应釜的产物作为换热介质经第一、第二换热器的换热介质管对流经两个换热管内的物质进行加热，之后流入分离装置。

进一步的，鼓风机和燃料电池的空气入口通过管路直接连通，管路上设置有第一阀门。

进一步的，第一水箱和燃料电池冷却水入口通过管路直接连通，管路上设置有第二阀门。

进一步的，燃料电池系统还设置有冷却水出口，所述冷却水出口通过管路连接第一水箱，从燃料电池流出的冷却水流回第一水箱。

进一步的，第一水箱的出水口设置有水泵。

进一步的，燃料电池系统还设置有第二水箱，所述第二水箱的出水口依次连通第一、第二换热器的换热管和第二水箱的入水口。

进一步的，燃料电池系统还设置有第一三通阀和第二三通阀，所述第一三通阀的三个阀口分别连通第二水箱出水口、鼓风机的出风口和第一换热器换热管的入口，第二三通阀的三个阀口分别连通第一换热器换热管的出口、燃料电池的空气入口和第二换热器换热管的入口。

进一步的，燃料电池系统还设置有第三三通阀和第四三通阀，所述第三三通阀的三个阀口分别连通第一换热器换热管的出口、第二换热器换热管的入口和燃料电池的冷却水入口，第四三通阀的三个阀口分别连通第二换热器换热管的出口、第一水箱的出水口和第二水箱的入水口

进一步的，脱氢反应釜内设置有脱氢催化剂。

本发明的燃料电池系统能够有效快速地在低温环境中启动燃料电池，且无需增设外部供热装置，从而降低能耗。

附图说明

图1是实施例实现冷启动的燃料电池系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

氢油(液态储氢体系)是一种可在常温常压下呈现液态的储氢体系，包括至少两种不同的储氢组分，储氢组分为不饱和芳香烃或杂环不饱和化合物，且至少一种储氢组分为低熔点化合物，低熔点化合物的熔点低于80℃。

进一步地，储氢组分选自杂环不饱和化合物，杂环不饱和化合物中的杂原子为N、S、O及P中的一种或多种。

进一步地，杂环不饱和化合物中杂环和芳环的总数为1～20，杂原子的总数为1～20。

进一步地，相对于液态储氢体系的总质量而言，低熔点化合物的质量分数为5～95％。

进一步地，液态储氢体系还包括加氢添加剂，加氢添加剂为极性溶剂和/或非极性溶剂。

进一步地，相对于每克储氢组分而言，加氢添加剂的加入量为0.1～10mL。

进一步地，不同的储氢组分分别选自苯、甲苯、乙苯、邻二甲苯、对二甲苯、苯乙烯、苯乙炔、蒽、萘、芴、苯胺、咔唑、N-甲基咔唑、N-乙基咔唑、N-正丙基咔唑、N-异丙基咔唑、N-正丁基咔唑、吲哚、N-甲基吲哚、N-乙基吲哚、N-丙基吲哚、喹啉、异喹啉、吡啶、吡咯、呋喃、苯并呋喃、噻吩、嘧啶及咪唑所组成的组及其衍生物。

进一步地，极性溶剂选自乙醇、甲醇、乙醚、甲醚、乙腈、乙酸乙酯、甲酰胺、异丙醇、正丁醇、二氧六环、正丁醚、异丙醚、二氯甲烷、氯仿及二氯乙烷中的一种或多种。

进一步地，非极性溶剂选自正己烷、正戊烷、环己烷、均三甲苯、二硫化碳、石油醚及四氯化碳中的一种或多种。

进一步地，储氢体系还包括脱氢添加剂，脱氢添加剂选自十氢化萘、均三甲苯、石油醚及苯醚中的一种或多种。

进一步地，相对于每克储氢组分而言，脱氢添加剂的加入量为0.1～10mL。

氢油(液态储氢载体)在加氢催化剂的作用下进行加氢化学反应生成储油(液态氢源材料)，储油(液态氢源材料)在脱氢催化剂的作用下进行脱氢化学反应还原为氢油(液态储氢载体)。

实施例

如图1所示的燃料电池系统，包括：脱氢处理器1、换热器、燃料电池2、第一水箱3、第二水箱4、水泵5和鼓风机6。

其中脱氢处理器内设置有脱氢反应釜和分离装置，脱氢反应釜内设置有脱氢催化剂，用于对储油进行脱氢反应，储油反应生成产物氢油和氢气，分离装置用于对换热后的产物进行分离和提纯。

换热器包括串联的第一换热器7和第二换热器8，换热器内分别设置有换热介质管和换热管，两个换热器的换热介质管之间相互连通，同时换热管之间相互连通。

脱氢反应釜的产物出口连接第一换热器的换热介质管入口，分离装置的进料口连接第二换热器的换热介质管出口，脱氢反应的产物作为换热介质管里的换热介质对换热管进行加热。

燃料电池设置有氢气入口9、空气入口10、冷却水入口11和冷却水出口12。分离装置设置有排气口和排液口，排气口连接燃料电池的氢气入口。

第一换热器换热管的入口和出口分别连通鼓风机的出风口和燃料电池的空气入口。鼓风机和燃料电池的空气入口通过管路直接连通，管路上设置有第一阀门13。冷却水出口通过管路连接第一水箱，从燃料电池流出的冷却水流回第一水箱。第一水箱和燃料电池冷却水入口通过管路直接连通，管路上设置有第二阀门14。第一水箱的出水口设置有水泵。

第一换热器换热管入口和第二换热器换热管出口分别连接第二水箱的出水口和进水口。

燃料电池系统还设置有第一三通阀15和第二三通阀16，第一三通阀的三个阀口分别连通第二水箱出水口、鼓风机的出风口和第一换热器换热管的入口，第二三通阀的三个阀口分别连通第一换热器换热管的出口、燃料电池的空气入口和第二换热器换热管的入口。

燃料电池系统还设置有第三三通阀17和第四三通阀18，第三三通阀的三个阀口分别连通第一换热器换热管的出口、第二换热器换热管的入口和燃料电池的冷却水入口，第四三通阀的三个阀口分别连通第二换热器换热管的出口、第一水箱的出水口和第二水箱的入水口。

具体操作如下：

脱氢反应釜产出的气液混合物(储油和氢气)，经过两级换热器换热后，再进入脱氢处理器的分离装置中分离提纯，产出燃料电池所需的高纯氢进入燃料电池，此氢气具有一定温度，无需预热。

燃料电池空气端：先将第一阀门关闭，切换第一三通阀连通鼓风机和第一换热器的换热管入口，切换第二三通阀连通第一换热器换热管出口和燃料电池的空气入口。此时鼓风机带进的空气经换热器预热，进入燃料电池。

燃料电池冷水端：先将第二阀门关闭，切换第四三通阀连通水泵和第二换热器换热管出口，切换第三三通阀连接第二换热器换热管入口和燃料电池冷去水入口。此时水泵带进的冷却水经换热器预热，进入燃料电池。

等燃料电池预热结束后(通过燃料电池接口温度测试控制)，切换第一三通阀连通第一换热器换热管入口和第二水箱出口，开启第一阀门，第二三通阀和第三三通阀切换连通两个换热器，开启第二阀门，切换第四三通阀连通第二换热器换热管出口和第二水箱入口。此时脱氢装置产出的气液混合物(储油和氢气)通过水箱进行换热，达到散热目的。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。