一种车用甲醇燃料电池系统及其工作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种车用甲醇燃料电池系统及其工作方法。
【背景技术】
[0002]燃料电池汽车具有效率高、噪音低、无污染物排出等优点。在燃料电池的阳极(燃料极)输入氢气(燃料)，在电池阴极输入氧气，完成电化学反应放出热量，可连续不断地向汽车提供电力。
[0003]但自然界没有氢气，人工制取氢气后其储氢、运氢和加氢面临一系列问题。水蒸气重整反应是甲醇制氢法中氢含量最高的反应，该方法对环境不造成污染，可以实现零排放。因此在环境保护日益要求严格的今天，氢燃料电池迅猛发展，采用甲醇水蒸汽重整制氢为氢燃料电池汽车提供氢源是非常好的选择。发明专利(CN103869045B)给出了一种测试甲醇燃料电池阳极材料活性的方法，但没有对甲醇燃料电池整体系统进行解释，整个装置设计还不充分，还需要进一步研究。
[0004]由于车用燃料电池为质子交换膜电池，其氢燃料需要很高的浓度，CO含量需控制在10ppm以下，但工业上提出的甲醇分解法制氢分解气中含有30% (mol)以上的CO，而CO使燃料电池的铂电极严重中毒，需将CO转化，这样就需较大的转化器，因此不宜直接用于燃料电池车上。
[0005]本发明将对一种车用甲醇燃料电池系统进行研究，利用甲醇重整获得高浓度氢气，提出更具有可行性的车用甲醇燃料电池的整体系统方案。
【发明内容】
[0006]本发明的目的正是为了提出一种车用甲醇燃料电池系统，利用甲醇重整获得高浓度氢气并供给燃料电池堆发电。同时本发明的系统又能实现电池堆产生水的循环使用，符合现在中国目前节能减排改革现状。
[0007]本发明提供一种车用甲醇燃料电池系统，主要包括储料箱、重整器、水箱、气体处理器、调节器、催化燃烧器、储气罐、燃料电池堆、变频器；
[0008]储料箱与重整器的甲醇入口连接；
[0009]水箱与重整器的水入口连接；
[0010]重整器的气体出口经管道连接至气体处理器；
[0011 ] 气体处理器具有外壳，气体入口设置于外壳一侧部，氢气出口设置于外壳另一侧部，氢气出口经调节器连接储气罐；
[0012]外壳上部设有混合气体出口，经管道与催化燃烧器连接；
[0013]储气罐经阀连接至燃料电池堆的阳极；
[0014]燃料电池堆的废气出口经管道与催化燃烧器连接；
[0015]燃料电池堆的水出口经管道与水箱连接；
[0016]燃料电池堆的电能输出端电连接变频器。
[0017]进一步地，变频器与电动马达电连接，电动马达的输出轴与齿轮箱连接。
[0018]作为优选，催化燃烧器的排气口连接至换热器，换热器的热气出口通至燃料电池堆。
[0019]本发明还提供了所述系统的工作方法:甲醇从储料箱、水从水箱进入重整器，重整转化为氢气、CO2和CO;转化后的混合气进入气体处理器分离，分离后的氢气经调节器存入储气罐中；氢气由储气罐进入燃料电池堆的阳极，空气中的氧气进入燃料电池堆的阴极，氢气与氧气在燃料电池堆中发生电化学反应生成电能。
[0020]作为优选，甲醇与水在220?280°C下，在重整器中的专用催化剂上进行催化重整。
[0021]作为优选，经气体处理器分离后的氢气利用变压吸附技术处理后存入储气罐。
[0022]作为优选，调节器将氢气加压至25MPa。
[0023]作为优选，燃料电池堆中未反应的氢气进入催化燃烧器中燃烧产生热能，热能经换热器9处理后通入燃料电池堆，使燃料电池堆保持恒定工作温度。
[0024]作为优选，燃料电池堆生成的水进入水箱。
[0025]进一步地，电能经变频器处理供给电动马达，电动马达驱动齿轮箱运转。
[0026]本发明是通过利用甲醇重整产生氢气，经过处理、调压，得到供给燃料电池堆的高浓度氢气。且电池堆电解产生的水可以循环使用，节约了水资源。
[0027]采用本发明设计的甲醇燃料电池系统，能够极大拓宽燃料电池氢燃料获取的途径，扩大了甲醇燃料电池的使用范围。
【附图说明】
[0028]图1是本发明的总体方案流程图。
[0029]图中:1、储料箱;2、重整器;3、水箱;4、气体处理器;5、调节器;6、催化燃烧器;7、储气罐;8、燃料电池堆;9、换热器;10、变频器;11、电动马达;12、齿轮箱。
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图对本发明作进一步详细描述:
[0031]本发明的一种车用甲醇燃料电池系统，主要包括储料箱1、重整器2、水箱3、气体处理器4、调节器5、催化燃烧器6、储气罐7、燃料电池堆8、变频器1。
[0032]如附图1所示，储料箱I与重整器2的甲醇入口连接。水箱3与重整器2的水入口连接。
[0033]重整器2的气体出口经管道连接至气体处理器4。
[0034]本发明的气体处理器4具有外壳，气体入口设置于外壳一侧部，氢气出口设置于另一侧部，氢气出口经调节器5连接储气罐7 ο外壳上部设有混合气体出口，用于排出与氢气分离后的CO2、CO和甲醇，该混合气体出口经管道与催化燃烧器6连接。
[0035]储气罐7经阀连接至燃料电池堆8的阳极。
[0036]燃料电池堆8的废气出口经管道与催化燃烧器6连接。燃料电池堆8的水出口经管道与水箱3连接。
[0037]燃料电池堆8的电能输出端电连接变频器10。
[0038]变频器1与电动马达11电连接，电动马达11的输出轴与齿轮箱12连接。齿轮箱12为汽车驱动结构的部件之一。
[0039]催化燃烧器6的排气口连接至换热器9，换热器9的热气出口通至燃料电池堆8。本发明使用换热器9控制调节燃料电池堆8的工作温度。
[0040]下面将根据流程图1，对本发明一种车用甲醇燃料电池系统的工作方法进行详细阐述。
[0041]参见附图1，甲醇从储料箱1、水从水箱3进入重整器2，优选在220?280°C温度范围下，甲醇与水在专用催化剂上催化重整转化为氢气、COdPCO，甲醇的单程转化率可达99%以上，氢气的选择性高于99.5%；转化后的混合气(甲醇、氢气、⑶2和CO)进入气体处理器4分离，混有CO2的甲醇和CO进入催化燃烧器6中燃烧，分离后的氢气利用变压吸附技术，可以得到纯度为99.999 %的氢气，一氧化碳的含量低于5ppm;氢气进入调节器5加压至25MPa，存入储气罐7中，储气罐7根据燃料电池堆8的功率需求供给氢气;氢气进入燃料电池堆8的阳极，空气中的氧气进入燃料电池堆8的阴极，氢气与氧气在燃料电池堆8中发生电化学反应生成电能，电能经变频器10处理供给电动马达11，使电动马达11的功率达90kW，驱动齿轮箱12运转;燃料电池堆8中未反应的氢气进入催化燃烧器6中燃烧产生热能，热能经换热器9处理使燃料电池堆8保持恒定工作温度;燃料电池堆8生成的水进入水箱3，重新进入循环过程。
[0042]气体处理器4用于将甲醇、COdPCO与氢气进行分离。
[0043 ]变频器1用于调整燃料电池堆8的输出功率。
[0044]本发明的甲醇燃料电池系统可用在甲醇汽车上，同时可将燃料电池堆产生的水循环使用，起到节约水资源的目的。
[0045]本发明不限于以上对实施例的描述，本领域技术人员根据本发明揭示的内容，在本发明基础上不必经过创造性劳动所进行的改进和修改，比如重整器和换热器的选择设置等，都应该在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种车用甲醇燃料电池系统，主要包括储料箱(I)、重整器(2)、水箱(3)、气体处理器(4)、调节器(5)、催化燃烧器(6)、储气罐(7)、燃料电池堆(8)、变频器(10);其特征在于: 储料箱(I)与重整器(2)的甲醇入口连接； 水箱(3)与重整器(2)的水入口连接； 重整器(2)的气体出口经管道连接至气体处理器(4); 气体处理器(4)具有外壳，气体入口设置于外壳一侧部，氢气出口设置于外壳另一侧部，氢气出口经调节器(5)连接储气罐(7)； 储气罐(7)连接至燃料电池堆(8)的阳极； 燃料电池堆(8)的废气出口经管道与催化燃烧器(6)连接。2.根据权利要求1所述的一种车用甲醇燃料电池系统，其特征在于:燃料电池堆(8)的水出口经管道与水箱(3)连接。3.根据权利要求1所述的一种车用甲醇燃料电池系统，其特征在于:燃料电池堆(8)的电能输出端电连接变频器(10); 变频器(10)与电动马达(11)电连接，电动马达(11)的输出轴与齿轮箱(12)连接。4.根据权利要求1所述的一种车用甲醇燃料电池系统，其特征在于:所述外壳上部设有混合气体出口，经管道与催化燃烧器(6)连接。5.根据权利要求1或4所述的一种车用甲醇燃料电池系统，其特征在于:催化燃烧器(6)的排气口连接至换热器(9)，换热器(9)的热气出口通至燃料电池堆(8)。6.—种车用甲醇燃料电池系统的工作方法，基于权利要求1-5中任一项所述的一种车用甲醇燃料电池系统，其特征在于: 甲醇从储料箱(I )、水从水箱(3)进入重整器(2 )，重整转化为氢气、COdPCO; 转化后的混合气进入气体处理器(4)分离，分离后的氢气经调节器(5)存入储气罐(7)中； 氢气由储气罐(7)进入燃料电池堆(8)的阳极，空气中的氧气进入燃料电池堆(8)的阴极，氢气与氧气在燃料电池堆(8)中发生电化学反应生成电能。7.根据权利要求6所述的工作方法，其特征在于:甲醇与水在220?280°C下，在重整器(2)中的专用催化剂上进行催化重整。8.根据权利要求6所述的工作方法，其特征在于:经气体处理器(4)分离后的氢气利用变压吸附技术处理后存入储气罐(7)。9.根据权利要求6所述的工作方法，其特征在于:调节器(5)将氢气加压至25MPa。10.根据权利要求6所述的工作方法，其特征在于:储气罐(7)经阀连接至燃料电池堆(8)的阳极。
【专利摘要】本发明公开了一种车用甲醇燃料电池系统，主要包括油箱(1)、重整器(2)、水箱(3)、气体处理器(4)、调节器(5)、催化燃烧器(6)、储气罐(7)、燃料电池堆(8)、变频器(10)。本发明还提供了前述一种车用甲醇燃料电池系统的工作方法，通过利用甲醇水蒸气重整产生氢气，经过气体处理、调压后，得到浓度和压力适当的氢气，为燃料电池堆提供氢燃料，燃料电池堆生成的水循环使用，生成的电能经过变频器调整，驱动马达输出给齿轮箱，未反应的甲醇和氢气经过催化燃烧后的热能可用来控制调节燃料电池堆的工作温度，达到节水超低排放的目的。
【IPC分类】H01M8/10, H01M8/06, H01M8/1011, H01M8/0606, H01M8/04089
【公开号】CN105655615
【申请号】
【发明人】刘永峰, 姚圣卓, 裴普成, 秦建军, 金涛涛
【申请人】北京建筑大学
【公开日】2016年6月8日
【申请日】2016年4月7日