一种甲醇重整燃料电池热利用方法与流程

本发明涉及燃料电池技术领域，具体为一种甲醇重整燃料电池热利用方法。

背景技术：

甲醇重整燃料电池采用的技术路线是甲醇重整制氢燃料电池，是质子交换膜燃料电池的一种，该技术原理是采用蒸汽重整法在重整室内将甲醇与水携带的氢转换为氢气，然后把氢气通入电堆中，使氢气与氧气在电堆内部发生电化学反应转化为电能，甲醇及水的混合蒸汽在重整室需要在高温条件下在催化剂催化的作用下重整为氢气，此反应为吸热反应，需要从外界吸收大量的热量；电堆正常工作时，重整室产生的氢气与氧气在电堆内部发生电化学反应发电来，同时会释放出大量的热量，释放的热量需要经过散热介质及时散到电堆之外，避免造成电堆内部热量超过最适温度影响发电效率，甚至在电堆内部热集聚对电堆产生不可逆的损坏。

目前，甲醇水重整系统和电堆发电系统这块有以下的缺点：甲醇与水的混合溶液需要先变成甲醇水蒸气，这是一个吸热过程，需要吸收重整室内的大量热量；甲醇水蒸气的重整制氢反应过程也是吸热反应，在重整室内吸收大量的热，需要重整室提供大量稳定的热量；重整室提供的热量来源要稳定、可靠、可控，这样就增加的热量来源物的控制难度及热量控制难度；电堆的散热需要循环系统支撑，循环系统由循环动力装置、电堆流道、散热装置、循环介质等部件组成，增加了电堆附件的数量，同时占用的体积也大，循环系统增加了系统的复杂性，同时为控制这部分系统需要占据大量系统控制资源，增加了控制难度；电堆的循环介质选取时，要考虑好循环介质的理化特性，循环介质在低温时要具有良好的流动性，不易挥发，热稳定性好，高温不能产生焦灼，温升性能良好，这样增加选择循环介质的难度，成本也会比较高；电堆散失的热量直接散到了空气中，这部分热量难以被重新利用；甲醇水重整系统和电堆发电系统两个系统除了重整制出的氢气通入电堆外，两个系统相互独立，控制系统需要分别控了两套系统，增加了控制难度，而且占用控制系统资源。

技术实现要素：

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种甲醇重整燃料电池热利用方法，用以解决传统甲醇水重整系统和电堆发电系统中重整室的热量控制难度大的缺点；并且利用甲醇与水的混合溶液作为电堆的散热介质，减少电堆散热循环系统的组件数量，使系统体积减小；通过循环介质与整套系统的燃料相同，避免了其他循环介质的使用，降低系统的成本费用；所述方法还把电堆与重整室联系在一起，把电堆反应的余热充分利用，提高整体的利用率，减少了能量的损耗。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种甲醇重整燃料电池热利用方法，所述甲醇重整燃料电池热利用方法对应的热利用系统分别是由电堆、定量装置、重整室、比例阀、冷却装置和燃料箱组成，且甲醇重整燃料电池热利用方法，具体包括以下步骤：

s1、首先将电堆的循环介质入口通过导液管与定量装置的出水口连接，并将电堆的循环介质出口通过导液管与冷却装置的进水口连接，通过在电堆和冷却装置之间的导液管内安装比例阀，然后在比例阀的输出口通过导气管与重整室的进气口连接；

s2、将重整室的出气口通过导气管与电堆的电堆氢气进口连接，同时将冷却装置的出水口通过导液管与燃料箱的进液口连接，并将燃料箱的出液口通过导液管与定量装置的进液口连接，然后在电堆的电堆空气进口连通空气进气管，这样即可完成整个热利用系统各个部件的管道连接安装；

s3、电堆正常工作时，燃料箱内的甲醇水溶液经过定量装置喷射到电堆内部，甲醇水溶液汽化为甲醇水蒸气带走电堆反应释放的热量，并且把电堆内部的温度维持在电堆反应最适温度范围内即160℃-180℃；

s4、将s3汽化出的甲醇水蒸气再通过比例阀装置，把甲醇水蒸气分配为两部分，一部分进入重整室，重整后产生氢气再通入到电堆内反应，另一部分经过冷却装置回到燃料箱，以此循环往复工作。

优选的，所述燃料箱与定量装置之间的导液管通入的是甲醇水溶液，且定量装置与电堆之间导液管内流通的也是甲醇水溶液。

优选的，所述步骤s3和s4反应过程中进入重整室的甲醇水蒸气的量是精确计算得出来的，通过计算电堆需要的氢气量、重整室内的转化效率反推出需要进入重整室内的甲醇水蒸气的数量，然后通过精确控制的比例阀精确的控制甲醇水蒸气进入重整室的量。

优选的，所述比例阀为三通阀，且比例阀具有三个管道连接口，可将从电堆排出的甲醇蒸气按比例排放到重整室和冷却装置内。

优选的，所述重整室与电堆之间的导气管内通入的是氢气，且导气管内涌入的气体为空气。

优选的，所述冷却装置与燃料箱之间的导液管内通入的为甲醇蒸气液化后的甲醇水溶液。

优选的，所述电堆与所述比例阀之间的导液管上设置有第一蒸气监测组件；所述重整室与所述比例阀之间的导气管上设置有第二蒸气监测组件；所述冷却装置与所述比例阀之间的导液管上设置有第三蒸气监测组件；

所述第一蒸气监测组件，用于监测所述电堆与所述比例阀之间的甲醇水蒸气的流量；

所述第二蒸气监测组件，用于监测所述重整室与所述比例阀之间的甲醇水蒸气的流量；

所述第三蒸气监测组件，用于监测所述冷却装置与所述比例阀之间的甲醇水蒸气的流量；

所述第一蒸气监测组件、第二蒸气监测组件和第三蒸气监测组件，分别设置有对应的第一通信元件、第二通信元件和第三通信元件，用于将蒸气监测组件所测的蒸气监测数据向后台管理中心传输；

所述后台管理中心，用于接收通信元件传输的蒸气监测数据，并对所接收到的蒸气监测数据进行处理运算，判断所述比例阀是否存在异常，若所述比例阀存在异常，则触发报警装置；所述报警装置与所述后台管理中心电性连接，所述报警装置，包括声光报警器。

优选的，所述第一蒸气监测组件、第二蒸气监测组件和第三蒸气监测组件，包括一种智能蒸气表；

所述智能蒸气表，包括蒸气流量监测模块、控制阀控制模块、预警模块和预警回位模块；所述蒸气流量监测模块、所述控制阀控制模块、所述预警模块、所述预警回位模块均与通信元件连接；所述控制阀控制模块连接于控制阀；所述控制阀安装于导液管/导气管上；

所述蒸气流量监测模块，用于对导液管或导气管内的甲醇水蒸气流量进行实时监测，并将所监测的蒸气流量数据通过所述智能蒸气表的显示屏幕显示，同时将所监测的蒸气流量数据通过所述通信元件向所述后台管理中心传输；

所述蒸气流量监测模块，还用于所述蒸气流量数据出现异常时，向预警模块传输预警信号；所述预警模块，用于接收到所述蒸气流量监测模块传输的预警信号后，向所述控制阀控制模块传输控制阀关闭信号，并通过所述通信元件向所述后台管理中心传输控制阀关闭信号和预警信号；所述控制阀控制模块，用于接收到所述预警模块传输的控制阀关闭信号，或接收到所述管理中心传输的控制阀关闭指令后，关闭控制阀；所述控制阀控制模块，还用于接收到所述预警回位模块传输的控制阀开启信号，或接收到所述后台管理中心传输的控制阀开启指令后，开启控制阀；所述预警回位模块，用于向所述控制阀控制模块传输控制阀开启信号，并通过所述通信元件向所述后台管理中心传输控制阀开启信号和解除预警信号。

优选的，所述蒸气流量数据，包括蒸气时段平均流量、蒸气谷值流量和蒸气峰值流量；

所述蒸气流量数据出现异常，是指较长时间连续出现微小的蒸气流量或瞬间超出所述智能蒸气表额定流量值。

优选的，所述通信元件，包括数据传输单元dtu装置和通用分组无线服务gprs装置。

(三)有益效果

本发明提供了一种甲醇重整燃料电池热利用方法。与现有技术相比具备以下有益效果：该甲醇重整燃料电池热利用方法，通过在甲醇重整燃料电池热利用方法对应的热利用系统分别是由电堆、定量装置、重整室、比例阀、冷却装置和燃料箱组成，且甲醇重整燃料电池热利用方法，具体包括以下步骤：s1、首先将电堆的循环介质入口通过导液管与定量装置的出水口连接，并将电堆的循环介质出口通过导液管与冷却装置的进水口连接，s2、将重整室的出气口通过导气管与电堆的电堆氢气进口连接，同时将冷却装置的出水口通过导液管与燃料箱的进液口连接，并将燃料箱的出液口通过导液管与定量装置的进液口连接，s3、电堆正常工作时，燃料箱内的甲醇水溶液经过定量装置喷射到电堆内部，甲醇水溶液汽化为甲醇水蒸气带走电堆反应释放的热量，并且把电堆内部的温度维持在电堆反应最适温度范围内即160℃-180℃，s4、将s3汽化出的甲醇水蒸气再通过比例阀装置，把甲醇水蒸气分配为两部分，一部分进入重整室，重整后产生氢气再通入到电堆内反应，另一部分经过冷却装置回到燃料箱，以此循环往复工作，可实现通过把甲醇水重整系统和电堆发电系统两个系统联合在一起，电堆正常工作时，利用定量装置把甲醇与水的混合溶液定量的喷射到电堆内为电堆散热，汽化后的甲醇水蒸气经过一个比例阀装置，把汽化的甲醇水蒸气按一定量比例分配，一部分作为重整室制氢反应原料，节省了甲醇与水的混合溶液变成甲醇水蒸气需要吸热过程，重整后的氢气再通入电堆内部与氧气发生反应，另一部分汽化的甲醇水蒸气经过冷却装置重新回到燃料箱，以此往复循环使用，利用甲醇与水的混合溶液作为电堆的散热介质，减少了电堆散热循环系统的组件数量，体积也明显变小，通过循环介质与整套系统的燃料相同，避免了其他循环介质的使用，减少了成本费用，电堆散热后的甲醇水蒸气可以直接通入到重整室内，减少了甲醇与水的混合溶液变成甲醇水蒸气需要吸热过程，重整室内的吸热过程由两个反应变成了一个反应甲醇水蒸气的重整制氢反应，会减少重整室的产热量与吸热量，重整室提供的热量来源控制难度及热量控制难度会明显降低，同时甲醇与水的混合溶液即作燃料也做循环散热介质，一物多用，而且经过冷却后回到燃料箱还可以再次利用，提高利用效率，把电堆与重整室联系在一起，把电堆反应的余热充分利用，提高整体的利用率，减少了能量的损耗。

附图说明

图1为本发明甲醇重整燃料电池热利用系统的结构原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例提供一种技术方案：一种甲醇重整燃料电池热利用方法，所述甲醇重整燃料电池热利用方法对应的热利用系统分别是由电堆、定量装置、重整室、比例阀、冷却装置和燃料箱组成，且甲醇重整燃料电池热利用方法，具体包括以下步骤：

s1、首先将电堆的循环介质入口通过导液管与定量装置的出水口连接，并将电堆的循环介质出口通过导液管与冷却装置的进水口连接，通过在电堆和冷却装置之间的导液管内安装比例阀，然后在比例阀的输出口通过导气管与重整室的进气口连接；

s2、将重整室的出气口通过导气管与电堆的电堆氢气进口连接，同时将冷却装置的出水口通过导液管与燃料箱的进液口连接，并将燃料箱的出液口通过导液管与定量装置的进液口连接，然后在电堆的电堆空气进口连通空气进气管，这样即可完成整个热利用系统各个部件的管道连接安装；

s3、电堆正常工作时，燃料箱内的甲醇水溶液经过定量装置喷射到电堆内部，甲醇水溶液汽化为甲醇水蒸气带走电堆反应释放的热量，并且把电堆内部的温度维持在电堆反应最适温度范围内即160℃-180℃；

s4、将s3汽化出的甲醇水蒸气再通过比例阀装置，把甲醇水蒸气分配为两部分，一部分进入重整室，重整后产生氢气再通入到电堆内反应，另一部分经过冷却装置回到燃料箱，以此循环往复工作。

本发明中，燃料箱与定量装置之间的导液管通入的是甲醇水溶液，且定量装置与电堆之间导液管内流通的也是甲醇水溶液。

本发明中，步骤s3和s4反应过程中进入重整室的甲醇水蒸气的量是精确计算得出来的，通过计算电堆需要的氢气量、重整室内的转化效率反推出需要进入重整室内的甲醇水蒸气的数量，然后通过精确控制的比例阀精确的控制甲醇水蒸气进入重整室的量。

本发明中，比例阀为三通阀，且比例阀具有三个管道连接口，可将从电堆排出的甲醇蒸气按比例排放到重整室和冷却装置内。

本发明中，重整室与电堆之间的导气管内通入的是氢气，且导气管内涌入的气体为空气。

本发明中，冷却装置与燃料箱之间的导液管内通入的为甲醇蒸气液化后的甲醇水溶液。

本发明中，电堆与比例阀之间的导液管上设置有第一蒸气监测组件；重整室与比例阀之间的导气管上设置有第二蒸气监测组件；冷却装置与比例阀之间的导液管上设置有第三蒸气监测组件；

第一蒸气监测组件，用于监测电堆与比例阀之间的甲醇水蒸气的流量；

第二蒸气监测组件，用于监测重整室与比例阀之间的甲醇水蒸气的流量；

第三蒸气监测组件，用于监测冷却装置与比例阀之间的甲醇水蒸气的流量；

第一蒸气监测组件、第二蒸气监测组件和第三蒸气监测组件，分别设置有对应的第一通信元件、第二通信元件和第三通信元件，用于将蒸气监测组件所测的蒸气监测数据向后台管理中心传输；

后台管理中心，用于接收通信元件传输的蒸气监测数据，并对所接收到的蒸气监测数据进行处理运算，判断比例阀是否存在异常，若比例阀存在异常，则触发报警装置；报警装置与后台管理中心电性连接，报警装置，包括声光报警器。上述技术方案通过第一蒸气监测组件、第二蒸气监测组件和第三蒸气监测组件监测传输的蒸气监测数据，后台管理中心判断所述比例阀是否按照预设的比例值将甲醇水蒸气向重整室和冷却装置传输，能够实现后台管理中心对比例阀传输甲醇水蒸气的实时监测。

本发明中，第一蒸气监测组件、第二蒸气监测组件和第三蒸气监测组件，包括一种智能蒸气表；

智能蒸气表，包括蒸气流量监测模块、控制阀控制模块、预警模块和预警回位模块；蒸气流量监测模块、控制阀控制模块、预警模块、预警回位模块均与通信元件连接；控制阀控制模块连接于控制阀；控制阀安装于导液管/导气管上；

蒸气流量监测模块，用于对导液管或导气管内的甲醇水蒸气流量进行实时监测，并将所监测的蒸气流量数据通过智能蒸气表的显示屏幕显示，同时将所监测的蒸气流量数据通过通信元件向后台管理中心传输；

蒸气流量监测模块，还用于蒸气流量数据出现异常时，向预警模块传输预警信号；预警模块，用于接收到蒸气流量监测模块传输的预警信号后，向控制阀控制模块传输控制阀关闭信号，并通过通信元件向后台管理中心传输控制阀关闭信号和预警信号；控制阀控制模块，用于接收到预警模块传输的控制阀关闭信号，或接收到管理中心传输的控制阀关闭指令后，关闭控制阀；控制阀控制模块，还用于接收到预警回位模块传输的控制阀开启信号，或接收到后台管理中心传输的控制阀开启指令后，开启控制阀；预警回位模块，用于向控制阀控制模块传输控制阀开启信号，并通过通信元件向后台管理中心传输控制阀开启信号和解除预警信号。上述技术方案能够实现对甲醇水蒸气流量进行实时监测，并将监测数据显示给工作人员或传输到后台管理中心，并在甲醇水蒸气流量出现异常时，向后台管理中心传输预警信号，同时并关闭控制阀。

本发明中，蒸气流量数据，包括蒸气时段平均流量、蒸气谷值流量和蒸气峰值流量；

蒸气流量数据出现异常，是指较长时间连续出现微小的蒸气流量或瞬间超出智能蒸气表额定流量值。上述技术方案实现了对甲醇水蒸气的流量数据的多种异常状态进行监测。

本发明中，通信元件，包括数据传输单元dtu装置和通用分组无线服务gprs装置。上述技术方案实现了对蒸气流量数据的传输，提高了蒸气流量数据的传输速率。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。