专利名称：一种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)CO+H2O→CO2+H2---------(式2)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应用重整炉中排出的排气中包含的热，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，其特征是重整炉连有引导重整炉中产生的排气及利用排气加热水的温水生成部的主排气管路，和从主排气管路中分流后引导排气及利用排气向重整炉及电池堆中供应水分的水分供应部的分流排气管路，重整炉中产生的排气通过开闭阀门选择性引导到主排气管路及分流排气管路。
一种燃料电池的热应用系统的控制方法，其特征是控制方法包括以下阶段a、测定水箱的温度，当其温度达到设定温度以上及水箱的流量也达到设定流量以上时，向重整炉及电池堆中供应水分的第1阶段；b、测定水箱的温度，当其温度达到设定温度以上及水箱的流量没有达到设定流量以上时，向水箱中供应水的同时向重整炉及电池堆中供应水分的第2阶段；c、测定水箱的温度，当其温度没有达到设定温度以上及水箱的流量达到设定流量以上时，加热水箱中的水的第3阶段；d、测定水箱的温度，当其温度没有达到设定温度以上及水箱的流量也没有达到设定流量以上时，向水箱中供应水的同时加热水箱中的水的第4阶段。
本发明的有益效果是应用重整炉中产生的排气启动温水生成部的热交换机并利用热交换机的启动，加热储存在温水箱内的水，或应用排气启动水分供应部的蒸汽发生器及加湿装置，利用蒸汽发生器及加湿装置的启动向重整炉及电池堆供应水分，提高燃料电池的能量利用率。通过测量储存在温水箱的水的温度及流量感知热量，通过感知信号启动开闭阀门，通过开闭阀门有选择性实施温水生成部及水分供应部的启动，具有提高燃料电池的自动化及能量利用率的效果。
图1是本发明的一个实施例子的燃料电池的热应用系统的模块图。
图2是图1的燃料电池的热应用系统控制方法及实施过程的模块图。
图中，1燃料箱；2电池堆；3电解质膜；4燃料极；5空气极；6燃料供应管路；10重整炉；10a反应炉；10b燃烧器；11主排气管路；12分流排气管路；13开闭阀门；20温水生成部；21水箱；22温水循环管路；23热交换器；24泵；25上水补充管路；25a上水调整阀门；30水分供应部；31蒸汽发生器；32加湿装置。
重整炉10是内部中装配了反应炉10a及燃烧器10b，装配了引导重整炉10中产生的排气及利用引导的排气加热水的温水生成部20的主排气管路11，装配主排气管路11进行分流并引导排气并利用排气向重整炉10及电池堆2中供应水分的水分供应部11的分流排气管路12，重整器10中产生的排气有选择性引导到主排气管路11及分流排气管路12，在主排气管路11中分流到分流排气管路12的分流点上装配开闭阀门13。
温水生成部20包括由开闭阀门13上装配提供控制信号的温度传感器21a及水位计21b的水箱21，与水箱21连通及并把水箱21内的水向外部流动的温水循环管路22，含有温水循环管路22的一定部分、装配在主排气管路11上并应用排气加热循环炉22的水的热交换机23。温水循环管路22的中间部有给温水循环管路22进行循环的水上施加流动力的泵24，水箱21上供应上水并装配上水调整阀门25a的上水补充管路25。
水分供应部30是利用并列装配在分流排气管路12上的用排气向重整炉10供应水蒸气的蒸汽发生器31和应用排气向电池堆2供应水分的加湿装置32构成。
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1中供应的燃料液与水和空气混合的同时通过燃料供应线6流入到重整炉10中，其中燃料液的一部分流入重整炉10的燃烧器10b进行燃烧，剩余的部分流入重整炉的反应炉10a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4(阳极)后与供应到空气极5(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，应用重整炉10的燃烧器10b中发生的含有燃烧热的排气的热应用系统及其控制方法如图2所示，根据水箱21中装配的温度传感器21a测定储存在水箱21中储存水的温度，其温度T达到设定温度T0以上，利用装配在水箱21的水位计21b测定的水的流量L也达到设定流量L0以上时，向重整炉10及电池堆2中供应水分的第1阶段；根据水箱21中装配的温度传感器21a测定储存在水箱21中储存水的温度，其温度T达到设定温度T0以上，利用装配在水箱21的水位计21b测定的水的流量L没有达到设定流量L0以上时，向水箱21中供应水的同时向重整炉10及电池堆2中供应水分的第2阶段；根据水箱21中装配的温度传感器21a测定储存在水箱21中储存的水的温度，其温度T没有达到设定温度T0以上，利用装配在水箱21的水位计21b测定的水的流量L达到设定流量L0以上时，向水箱21中供应水的同时加热水箱21中的水的第3阶段；根据水箱21中装配的温度传感器21a测定储存在水箱21中储存水的温度，其温度T没有达到设定温度T0以上，利用装配在水箱21的水位计21b测定的水的流量L也没有达到设定流量L0以上时，向水箱21中供应水的同时加热水的第4阶段。
第1阶段是由用温度传感器21a测量储存在水箱21的水的温度后判断其温度T是否达到设定温度T0以上的阶段；水的温度T达到设定温度T0以上时，启动开闭阀门13向分流排气管路12供应排气的阶段；用水位计21b测量储存在水箱的水的流量后判断其流量L是否达到设定流量L0以上的阶段；应用供应到分流排气管路12的排气启动装配在分流排气管路的蒸汽发生器向重整炉10供应水分，而且启动加湿装置32向电池堆2添加水分，同时水的流量L达到设定流量L0以上时，关闭上水补充管路25的上水调整阀门25a，中断上水补充，并中断泵24的运行，即中断加热温水循环管路22内部水的循环阶段。
第2阶段是由用温度传感器21a测量储存在水箱21的水的温度后判断其温度T是否达到设定温度T0以上的阶段；水的温度T达到设定温度T0以上时，启动开闭阀门13向分流排气管路12供应排气的阶段；用水位计21b测量储存在水箱的水的流量后，判断其流量L是否达到设定流量L0以上的阶段；应用供应到分流排气管路12的排气启动装配在分流排气管路的蒸汽发生器向重整炉10供应水分，而且启动加湿装置32向电池堆2添加水分，同时水的流量L没有达到设定流量L0以上时，中断泵24的运行，即中断循环加热温水循环管路22内部的水，然后打开上水调整阀门25a，通过上水补充管路25向水箱21补充上水的阶段。
第3阶段是由用温度传感器21a测量储存在水箱21的水的温度后，判断其温度T是否达到设定温度T0以上的阶段；水的温度T没有达到设定温度T0以上时，启动开闭阀门13向主排气管路11供应排气的阶段；用水位计21b测量储存在水箱的水的流量后判断其流量L是否达到设定流量L0以上的阶段；应用供应到主排气管路11的排气，启动装配在主排气管路的热交换机23，加热温水循环管路22内的水，同时水的流量L达到设定流量L0以上时，启动泵25循环储存在水箱21内的水，并关闭上水调整阀门25a，中断通过上水补充管路25的供应上水的阶段。
第4阶段是由用温度传感器21a测量储存在水箱21的水的温度后，判断其温度T是否达到设定温度T0以上的阶段；水的温度T没有达到设定温度T0以上时，启动开闭阀门13向主排气管路11供应排气的阶段；用水位计21b测量储存在水箱的水的流量后，判断其流量L是否达到设定流量L0以上的阶段；应用供应到主排气管路11的排气启动装配在主排气管路的热交换机23，加热温水循环管路22内的水，同时中断泵24的运行，即中断储存在水箱21的水通过温水循环管路22进行循环，并打开上水调整阀门25a，向上水补充管路25补充被热交换机23加热后的上水，并储存在水箱21的阶段。
本发明的燃料电池的热应用系统及其控制方法是应用重整炉中排出的排气启动温水生成部或启动水分供应部，提高燃料电池的能量应用度。
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(10)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，其特征是重整炉(10)连有引导重整炉(10)中产生的排气及利用排气加热水的温水生成部(20)的主排气管路(11)，和从主排气管路(11)中分流后引导排气及利用排气向重整炉(10)及电池堆(2)中供应水分的水分供应部(30)的分流排气管路(12)，重整炉(10)中产生的排气通过开闭阀门(13)选择性引导到主排气管路(11)及分流排气管路(12)。
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(20)包括开闭阀门(13)上装配提供控制信号的温度传感器(21a)及水位计(21b)的水箱(21)，与水箱(21)连通并把水箱内的水向外部流动的温水循环管路(22)，含有温水循环管路(22)的一定部分、装配在主排气管路(11)并利用排气加热温水循环管路(22)的水的热交换机(23)。
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(22)包括给温水循环管路(22)进行循环的水施加流动力的泵(24)、给水箱(21)供应上水及装配上水调整阀门(25a)的上水补充管路(25)。
4.根据权利要求1所述的燃料电池的热应用系统，其特征是水分供应部(30)由并列装配在分流排气管路(12)上的利用排气向重整炉(10)供应水蒸气的蒸汽发生器(31)和应用排气向电池堆(2)供应水分的加湿装置(32)组成。
5.一种燃料电池的热应用系统的控制方法，其特征是控制方法包括以下阶段a、测定水箱的温度，当其温度达到设定温度以上及水箱的流量也达到设定流量以上时，向重整炉及电池堆中供应水分的第1阶段；b、测定水箱的温度，当其温度达到设定温度以上及水箱的流量没有达到设定流量以上时，向水箱中供应水的同时向重整炉及电池堆中供应水分的第2阶段；c、测定水箱的温度，当其温度没有达到设定温度以上及水箱的流量达到设定流量以上时，加热水箱中的水的第3阶段；d、测定水箱的温度，当其温度没有达到设定温度以上及水箱的流量也没有达到设定流量以上时，向水箱中供应水的同时加热水箱中的水的第4阶段。
6.根据权利要求5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、用装配在水箱上的温度传感器测量储存在水箱的水的温度的阶段；b、根据测定的温度启动开闭阀门向分流排气管路供应排气的阶段；c、用装配在水箱上的水位计测量储存在水箱的水的流量的阶段；d、应用供应到分流排气管路的排气启动装配在分流排气管路的蒸汽发生器，向重整炉及电池堆中供应水分，同时根据水位计中测量的水的流量，中断为了加热水箱的水而进行的水的循环，并中断补充上水阶段的进行。
7.根据权利要求5所述的燃料电池的热应用系统的控制方法，其特征是第2阶段包括a、用装配在水箱的温度传感器测量储存在水箱的水的温度的阶段；b、根据测定的温度启动开闭阀门向分流排气管路供应排气的阶段；c、用装配在水箱的水位计测量储存在水箱的水的流量的阶段；d、应用供应到分流排气管路的排气启动装配在分流排气管路的蒸汽发生器，向重整炉及电池堆中供应水分，同时根据水位计中测量的水的流量，中断为了加热水箱的水而进行的水的循环，但启动补充上水阶段的进行。
8.根据权利要求5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、用装配在水箱的温度传感器测量储存在水箱的水的温度的阶段；b、根据测定的温度启动开闭阀门向主排气管路供应排气的阶段；c、用装配在水箱的水位计测量储存在水箱的水的流量的阶段；d、应用供应到主排气管路的排气启动装配在主排气管路的温水生成部，加热储存在水箱的水，同时根据水位计中测量的水的流量，中断补充上水阶段的进行。
9.根据权利要求5所述的燃料电池的热应用系统的控制方法，其特征是第5阶段包括a、用装配在水箱的温度传感器测量储存在水箱的水的温度的阶段；b、根据测定的温度启动开闭阀门向主排气管路供应排气的阶段；c、用装配在水箱的水位计测量储存在水箱的水的流量的阶段；d、应用供应到主排气管路的排气启动装配在主排气管路的温水生成部，加热储存在水箱的水，同时根据水位计中测量的水的流量加热水箱的水和中断水箱内的水的外部循环阶段进行。
全文摘要
本发明的燃料电池的热应用系统及其控制方法是由从接受供应的燃料中生成氢的重整炉、中间放入电解质两侧配置阳极和阴极的同时其中阳极供应重整炉中发生的氢或含氢的燃料及阴极供应氧气或含氧氧化剂使利用氢和氧的电化学反应发生电和热的电池堆、装配引导重整炉中发生的排气及利用排气加热水的温水生成部的主排气管路、装配从主排气管路中分流后引导排气及利用排气向重整炉及电池堆中供应水分的水分供应部的分流排气管路、具备重整炉中发生的排气选择性引导到主排气管路及分流排气管路的开闭阀门构成，使能够提高燃料电池的能量应用度。
文档编号H01M8/04GK1474475SQ0212914
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