专利名称：燃料电池的热应用系统及控制方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池，尤其是燃料电池的热应用系统及控制方法。
在燃料电池中，电池堆的电解质膜干燥时降低氢离子H+的传导率或电解质膜收缩使膜和电极的接触阻抗增大，使电池堆的性能降低。通常电池堆内部供应燃料或空气时总是把水转换成水蒸气形状一起供应。
电池堆中供应氢的重整炉内有反应炉，燃料流入到反应炉，燃料中含有水蒸气及氧气，此时重整炉的燃烧器启动，进行重整反应，重整反应生成的氢供应到电池堆，此重整炉的反应方程式为----------(式1)-----------(式2)上述式1的反应需要在600℃以上的高温下进行，启动重整炉内部装配的燃烧器，甲烷(液化天然气的主要成分)供应到重整炉，反应的水(H2O)以同样高温的气体形态供应，二者发生重整反应，产生氢气。
式1的反应式中生成的一氧化碳CO会降低燃料电池催化剂的活性，必须清除。清除一氧化碳的过程是式2的反应式中一氧化碳CO和水H2O进行反应，生成二氧化碳CO2和氢气H2。式2的反应是在800℃左右进行一次反应，200℃左右进行二次反应。提高重整炉内部温度的燃烧器，在重整反应后，排出含有高温燃烧热的气体。
但是，现有技术的燃料电池中，重整炉直接向外部排出高温燃烧热的气体，没有利用其热能，存在浪费能量的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种利用燃料箱中排出气体包含的热能，以提高能量的利用率的燃料电池的热应用系统及其控制方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种燃料电池的热应用系统，包括从接受供应的燃料中生成氢的重整炉和中间放入电解质两侧配置阳极和阴极的电池堆，电池堆通过从重整炉中产生的氢或含氢的燃料供应给阳极，与供应给阴极的氧气或含氧氧化剂发生电化学反应产生电和热，其特征是由重整炉和电池堆构成的燃料箱装配有引导燃料箱中产生的排气及利用排气加热水的温水生成部的排气管路。
所述温水生成部包括装配温度传感器及水位计的水箱，与水箱连通并把水箱内的水向外部流动的温水循环管路，含有温水循环管路的一部分及装配在排气管路上利用排气加热温水循环管路的热交换机，与水箱连接、向热交换机的温水循环管路供应及补充水的上水补充管路。
所述温水循环管路包括装配在连通燃料箱和上水补充管路的温水回路的中间部位的开闭水流的开闭器。也可以在装配燃料箱和上水补充管路的区间内的温水循环管路上装配开闭水流的开闭器。
所述开闭器是泵或开闭阀门。
一种燃料电池的热应用系统的控制方法，其特征是用装配在水箱上的温度传感器测定水箱中储存水的温度，判断是否达到设定温度以上的判断阶段，再进行以下4个阶段a、如果判断阶段中水的温度达到设定温度以上且水箱中储存水的流量也达到设定流量以上时，向水箱中补充水并中断加热水箱中储存水，此为第1阶段；b、如果判断阶段中水的温度达到设定温度以上且水箱中储存水的流量没有达到设定流量以上时，向水箱中补充水并同时加热水箱中储存水，此为第2阶段；c、如果判断阶段中水的温度没有达到设定温度以上且水箱中储存水的流量达到设定流量以上时，向水箱中补充水并同时加热水箱中储存水，此为第3阶段；d、如果判断阶段中水的温度没有达到设定温度以上且水箱中储存水的流量没有达到设定流量以上时，向水箱中补充水并同时中断加热水箱中储存水，此为第4阶段。
本发明的有益效果是应用生成电和热的电池堆及电池堆中供应氢的重整炉中发生的排气，启动温水生成部的热交换机，利用热交换机的启动加热储存在水箱内的水，提高燃料电池的能量利用率。
图2是
图1的燃料电池的热应用系统控制方法及实行过程的模块图。
图中，1重整炉；2电池堆；3燃料箱；4排气管路；10温水生成部；11水箱；11a温度传感器；11b水位计；12温水循环管路；13热交换机；14上水补充管路；14a开闭阀门；15泵。
温水生成部10包括装有温度传感器11a、水位计11b的储存水的水箱11；与水箱11连通并把水箱11内的水向外部流动的温水循环管路12；含有温水循环管路12的一定部分，装配在排气管路4上的利用排气加热温水循环管路12内水的热交换机13；与水箱11连接，通过开闭阀门14a控制向热交换机13的温水循环管路12供应及补充水的上水补充管路14。在水箱11和上水补充管路14之间的温水循环管路12上装有泵15，控制从水箱11向温水循环管路12流入的水。
另外，本发明也可以是上水补充管路14上装配的开闭阀门14a改用泵也起到同样的作用，同理，温水循环管路12上装配的泵15改用开闭阀门也起到同样的作用，但此时从水箱11中流出水的流出口是形成在水箱11的下侧，流入水的流入口是设置在水箱11的上侧，通过自然对流形成水的流动。
具有上述结构的燃料电池的热应用系统具有以下的作用效果和系统控制方法装入汽油或其他的碳化氢(液化天然气、液化石油气体、CH3OH…)系列燃料的燃料箱中供应的燃料液与水和空气混合的同时流入到重整炉1中，其中燃料液的一部分流入重整炉1的燃烧器进行燃烧，剩余的部分流入重整炉的反应炉后通过脱硫反应及重整反应和氢净化反应产生氢，产生的氢供应到电池堆2的燃料极(阳极)后与供应到空气极(阴极)的氧一起经过电化学反应产生电和热，其中电通过电力转换器(未图示)引加到电器制品，起到电源的作用。
此时，重整炉1的燃烧器中产生的含有燃烧热的排气及电池堆2中产生的排气形成的燃料箱的热应用系统及其控制方法为用装配在水箱11上的温度传感器11a测定水箱中储存的水的温度T，判断是否达到设定温度T0以上的判断阶段，再进行以下4种处理a、如果判断阶段中水的温度T达到设定温度T0以上且水箱中储存水的流量L也达到设定流量L0以上时，向水箱11中补充水并中断加热水箱11中储存水，此为第1阶段；b、如果判断阶段中水的温度T达到设定温度T0以上且水箱中储存水的流量L没有达到设定流量L0以上时，向水箱11中补充水并同时加热水箱11中储存水，此为第2阶段；c、如果判断阶段中水的温度T没有达到设定温度T0以上且水箱11中储存水的流量L达到设定流量L0以上时，向水箱11中补充水并同时加热水箱11中储存水，此为第3阶段；d、如果判断阶段中水的温度T没有达到设定温度T0以上且水箱11中储存水的流量L没有达到设定流量L0以上时，向水箱11中补充水并同时中断加热水箱11中储存水，此为第4阶段。
第1阶段包括用装配在水箱11上的水位计11b测定水箱11中储存水的流量L，判断是否达到设定流量L0以上的判断阶段；水箱11中储存的流量L达到设定流量L0以上时，终止连通在水箱11的温水循环管路12上装配的泵15的启动，中断水的流入，同时关闭连通在温水循环管路12的上水补充管路14的开闭阀门14a，中断补充水供应的阶段。
第2阶段或第4阶段包括用装配在水箱11上的水位计11b测定水箱11中储存水的流量L，判断是否达到设定流量L0以上的判断阶段；水箱11中储存水的流量L没有达到设定流量L0以上时，终止连通在水箱11的温水循环管路12上装配的泵15的启动，中断水的流入，同时开通连通在温水循环管路12的上水补充管路14的开闭阀门14a，使补充水供应到温水循环管路12后被热交换机13加热后向水箱11补充水的阶段。
第3阶段包括用装配在水箱11上的水位计11b测定水箱11中储存的水的流量L，判断是否达到设定流量L0以上的判断阶段；水箱11中储存水的流量L达到设定流量L0以上时，关闭连通在温水循环管路12的上水补充管路14的开闭阀门14a，中断补充水供应，同时启动泵15，水通过连通在水箱11的温水循环管路12流入后被热交换机13加热后再向水箱11流入的阶段。
本发明的燃料电池的热应用系统及其控制方法是利用重整炉及电池堆等构成的燃料箱中发生的含热排气，加热储存在水箱的水，提高燃料电池的能量利用率。
权利要求
1.一种燃料电池的热应用系统，包括从接受供应的燃料中生成氢的重整炉(1)和中间放入电解质两侧配置阳极和阴极的电池堆(2)，电池堆(2)通过从重整炉中产生的氢或含氢的燃料供应给阳极，与供应给阴极的氧气或含氧氧化剂发生电化学反应产生电和热，其特征是由重整炉(1)和电池堆(2)构成的燃料箱(3)装配有引导燃料箱(3)中产生的排气及利用排气加热水的温水生成部(10)的排气管路(4)。
2.根据权利要求1所述的燃料电池的热应用系统，其特征是温水生成部(10)包括装配温度传感器(11a)及水位计(11b)的水箱(11)，与水箱(11)连通并把水箱内的水向外部流动的温水循环管路(12)，含有温水循环管路(12)的一部分及装配在排气管路(4)上利用排气加热温水循环管路(12)的热交换机(13)，与水箱(11)连接、向热交换机(13)的温水循环管路(12)供应及补充水的上水补充管路(14)。
3.根据权利要求2所述的燃料电池的热应用系统，其特征是温水循环管路(12)包括装配在连通燃料箱(3)和上水补充管路(14)的温水回路的中间部位的开闭水流的开闭器。
4.根据权利要求2所述的燃料电池的热应用系统，其特征是在装配燃料箱(3)和上水补充管路(14)的区间内的温水循环管路(12)上装配开闭水流的开闭器。
5.根据权利要求3或4所述的燃料电池的热应用系统，其特征是开闭器是泵。
6.根据权利要求3或4所述的燃料电池的热应用系统，其特征是开闭器是开闭阀门。
7.一种燃料电池的热应用系统的控制方法，其特征是用装配在水箱上的温度传感器(11a)测定水箱中储存水的温度，判断是否达到设定温度以上的判断阶段，再进行以下4个阶段a、如果判断阶段中水的温度达到设定温度以上且水箱中储存水的流量也达到设定流量以上时，向水箱中补充水并中断加热水箱中储存水，此为第1阶段；b、如果判断阶段中水的温度达到设定温度以上且水箱中储存水的流量没有达到设定流量以上时，向水箱中补充水并同时加热水箱中储存水，此为第2阶段；c、如果判断阶段中水的温度没有达到设定温度以上且水箱中储存水的流量达到设定流量以上时，向水箱中补充水并同时加热水箱中储存水，此为第3阶段；d、如果判断阶段中水的温度没有达到设定温度以上且水箱中储存水的流量没有达到设定流量以上时，向水箱中补充水并同时中断加热水箱中储存水，此为第4阶段。
8.根据权利要求7所述的燃料电池的热应用系统的控制方法，其特征是第1阶段包括a、用装配在水箱上的水位计(11b)测定水箱中储存水的流量，判断是否达到设定流量以上的判断阶段；b、水箱中储存水的流量达到设定流量以上时，终止连通在水箱的温水循环管路(12)上装配的泵(15)的启动，中断水的流入，并同时关闭连通在温水循环管路(12)的上水补充管路(14)的开闭阀门(14a)，中断补充水供应的阶段。
9.根据权利要求7所述的燃料电池的热应用系统的控制方法，其特征是第2阶段或第4阶段包括a、用装配在水箱上的水位计(11b)测定水箱中储存水的流量，判断是否达到设定流量以上的判断阶段；b、水箱中储存水的流量没有达到设定流量以上时，终止连通在水箱的温水循环管路(12)上装配的泵(15)的启动，中断水的流入，并同时开通连通在温水循环管路(12)的上水补充管路(14)的开闭阀门(14a)，使补充水供应到温水循环管路(12)后被热交换机(13)加热后向水箱补充水的阶段。
10.根据权利要求7所述的燃料电池的热应用系统的控制方法，其特征是第3阶段包括a、用装配在水箱上的水位计(11b)测定水箱中储存水的流量，判断是否达到设定流量以上的判断阶段；b、水箱中储存水的流量达到设定流量以上时，关闭连通在温水循环管路(12)的上水补充管路(14)的开闭阀门(14a)，中断补充水的供应，并同时启动泵(15)，水通过连通在水箱的温水循环管路(12)流入后被热交换机(13)加热后再向水箱流入的阶段。
11.根据权利要求7或10所述的燃料电池的热应用系统的控制方法，其特征是水箱(11)的水流入到温水循环管路(12)是通过泵或开闭阀门控制。
12.根据权利要求7或10所述的燃料电池的热应用系统的控制方法，其特征是通过上水补充管路(14)供应补充水是通过泵或开闭阀门控制。
全文摘要
本发明公开了一种燃料电池的热应用系统及其控制方法，包括从接受供应的燃料中生成氢的重整炉和中间放入电解质两侧配置阳极和阴极的电池堆，电池堆通过从重整炉中产生的氢或含氢的燃料供应给阳极，与供应给阴极的氧气或含氧氧化剂发生电化学反应产生电和热，由重整炉和电池堆构成的燃料箱装配有引导燃料箱中产生的排气及利用排气加热水的温水生成部的排气管路。能够提高燃料电池的能量利用率。
文档编号H01M8/04GK1474474SQ0212913
公开日2004年2月11日 申请日期2002年8月19日 优先权日2002年8月19日
发明者金寅圭, 朴明硕, 李成焕, 黄龙俊, 高承兑, 张昌龙, 许成根 申请人:乐金电子(天津)电器有限公司