一种甲醇重整燃料电池热利用系统论文和设计-周明强

全文摘要

本实用新型公开了一种甲醇重整燃料电池热利用系统，所述系统是由循环动力装置、加热装置、电堆流道、电子节温器装置、散热装置和循环介质组成，本实用新型涉及燃料电池技术领域。该系统，可实现通过在循环系统中增加电子节温器装置，使整个循环系统分成两种循环体系，可缩短了每个循环周期的路程及时间，提高加热速度，减少了周期循环的路程及时间，同时避免了不必要热量的损耗，减少耗电量的同时提高了预热的效率，使电堆升温速度更快，发电等待时间更短，减少了使用者等待的时间。

主设计要求

1.一种甲醇重整燃料电池热利用系统，其特征在于：所述甲醇重整燃料电池热利用系统由循环动力装置、加热装置、电堆流道、电子节温器装置、散热装置和循环介质组成，其中：循环动力装置的输出口通过连接管与电堆的输入端连接，电堆的输出端通过连接管与电子节温器装置的输入口连接；电子节温器装置的第一输出口通过连接管与加热装置的输入口连接，加热装置的内部充入循环介质后将加热装置的输出口通过连接管与循环动力装置的输入口连接；电子节温器装置的第二输出口通过连接管与散热装置的输入口连接，散热装置的输出口通过连接管与电子节温器装置和加热装置之间的连接管使用三管转接头连接。

设计方案

1.一种甲醇重整燃料电池热利用系统，其特征在于：所述甲醇重整燃料电池热利用系统由循环动力装置、加热装置、电堆流道、电子节温器装置、散热装置和循环介质组成，其中：

循环动力装置的输出口通过连接管与电堆的输入端连接，电堆的输出端通过连接管与电子节温器装置的输入口连接；电子节温器装置的第一输出口通过连接管与加热装置的输入口连接，加热装置的内部充入循环介质后将加热装置的输出口通过连接管与循环动力装置的输入口连接；电子节温器装置的第二输出口通过连接管与散热装置的输入口连接，散热装置的输出口通过连接管与电子节温器装置和加热装置之间的连接管使用三管转接头连接。

2.根据权利要求1所述的一种甲醇重整燃料电池热利用系统，其特征在于：所述电子节温器装置有一个输入口和两个输出口，且所述第一输出口连接加热装置，所述第二输出口连接散热装置。

3.根据权利要求1所述的一种甲醇重整燃料电池热利用系统，其特征在于：所述循环动力装置中还设置有甲醇重整室和氢气暂存室，其中，甲醇重整室的氢气输出口通过连接管与电堆连通、且通过连接管与所述氢气暂存室连通。

4.根据权利要求3所述的一种甲醇重整燃料电池热利用系统，其特征在于：n组接头的密封体放置在所述氢气用量表的气体口上，使得每个氢气用量表的腔体分别对应一组接头，每组所述接头包括第一接头和第二接头；

第一连接管一端与氢气暂存室的氢气进出口连接，其另一端与第一三口管体连接，第一三口管体的另两端各连接有第二连接管，每根第二连接管的另一端各连接有第二三口管体，每个第二三口管体的另两端各经过第二电磁阀和测量容表与第三连接管连接，第三连接管的另一端链接有对应的第一接头，每个所述第二接头上都设置有第一电磁阀。

5.根据权利要求4所述的一种甲醇重整燃料电池热利用系统，其特征在于：所述氢气暂存室与连接管的连接处设置有检测体，所述检测体包括盒体，所述盒体的侧壁上方开设有溢出孔，且所述溢出孔的外端口焊接有对接溢出通道，所述溢出通道的另一端连接有充气容量体。

设计说明书

技术领域

本实用新型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系统。

背景技术

甲醇重整燃料电池是一种高温燃料电池，其中高温质子交换膜使用的最适温度为160℃-180℃，燃料电池正常工作时温度需要维持在160℃-180℃范围之间，燃料电池启动阶段时电堆本身温度低于最适温度，需要外部对电堆进行预热处理，待其达到反应温度方可通入氢气进行发电，燃料电池正常工作阶段时电堆本身处于最适温度范围内，氢气与氧气在电堆内部发生电化学反应发电，同时会释放出大量的热量，这部分释放的热量会使电堆的温度升高，要把释放的热量传递到电堆外，需要外部对电堆进行散热处理，避免造成电堆内部热量超过最适温度影响发电效率，甚至电堆内部热集聚对电堆产生不可逆的损坏。

目前甲醇重整燃料电池利用循环系统对电堆预热和电堆散热，循环系统是由循环动力装置、加热装置、电堆流道、散热装置、循环介质组成，这种循环系统会出现电堆预热时循环介质需要经过完整个循环系统所有部件才算完成一个周期，造成循环介质完成整个周期的路程远、时间长，同时在预热阶段循环介质需要经过无用地散热装置，即使散热装置不工作也会造成循环介质的部分热量损耗，消耗的电量增加，同时使电堆升温的速度降低，整个电堆预热阶段加热速度慢，耗时长，会造成使用者长时间等待。

实用新型内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种甲醇重整燃料电池热利用系统，解决了现有的循环系统循环介质完成整个周期的路程远、时间长，同时在预热阶段循环介质需要经过无用地散热装置，即使散热装置不工作也会造成循环介质的部分热量损耗，消耗的电量增加，同时使电堆升温的速度降低，整个电堆预热阶段加热速度慢，耗时长，会造成使用者长时间等待的问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本实用新型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系统，所述甲醇重整燃料电池热利用系统由循环动力装置、加热装置、电堆流道、电子节温器装置、散热装置和循环介质组成，其中：

优选地，所述电子节温器装置有一个输入口和两个输出口，且所述第一输出口连接加热装置，所述第二输出口连接散热装置。

优选地，所述循环动力装置中还设置有甲醇重整室和氢气暂存室，其中，甲醇重整室的氢气输出口通过连接管与电堆连通、且通过连接管与所述氢气暂存室连通。

优选地，n组接头的密封体放置在所述氢气用量表的气体口上，使得每个氢气用量表的腔体分别对应一组接头，每组所述接头包括第一接头和第二接头；

优选地，所述氢气暂存室与连接管的连接处设置有检测体，所述检测体包括盒体，所述盒体的侧壁上方开设有溢出孔，且所述溢出孔的外端口焊接有对接溢出通道，所述溢出通道的另一端连接有充气容量体。

(三)有益效果

本实用新型提供了一种甲醇重整燃料电池热利用系统，与现有技术相比具备以下有益效果：可实现通过在循环系统中增加电子节温器装置，使整个循环系统分成两种循环体系，可缩短了每个循环周期的路程及时间，提高加热速度，通过增加电子节温器使整个循环系统有了两种循环体系：电堆预热循环体系和电堆散热循环体系，循环介质可以在两种体系内更加迅速地完成相应的工作，两种循环体系互不干扰，电堆预热循环体系运作时不经过无用的散热装置，减少了周期循环的路程及时间，同时避免了不必要的热量损耗，减少耗电量的同时提高了预热效率，使电堆升温速度更快，发电等待时间更短，进一步减少了使用者等待的时间。

附图说明

图1为本实用新型甲醇重整燃料电池热利用系统的结构原理图；

图2为本实用新型电堆预热循环体系热利用系统的结构原理图；

图3为本实用新型电堆散热循环体系热利用系统的结构原理图；

图4为本实用新型氢气暂存室释放氢气的第一功率变化图；

图5为本实用新型氢气暂存室暂存氢气的第一功率变化图；

图6为本实用新型电堆的输出功率变化图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1-6，本实用新型实施例提供一种甲醇重整燃料电池热利用系统，所述甲醇重整燃料电池热利用系统由循环动力装置、加热装置、电堆流道、电子节温器装置、散热装置和循环介质组成，其中：循环动力装置的输出口通过连接管与电堆的输入端连接，电堆的输出端通过连接管与电子节温器装置的输入口连接；电子节温器装置的第一输出口通过连接管与加热装置的输入口连接，加热装置的内部充入循环介质后将加热装置的输出口通过连接管与循环动力装置的输入口连接；电子节温器装置的第二输出口通过连接管与散热装置的输入口连接，散热装置的输出口通过连接管与电子节温器装置和加热装置之间的连接管使用三管转接头连接。

利用上述系统可实现基于大循环和小循环的甲醇重整燃料电池热利用，上述系统具体可分为电堆预热循环体系和电堆散热循环体系，电堆预热循环体系的热利用的工作原理如下：

a1、首先将循环动力装置的输出口通过连接管与电堆的输入端进行连接，并将电堆的输出端通过连接管与电子节温器装置的输入口连接；

a2、然后将电子节温器装置的第一输出口通过连接管与加热装置的输入口连接，并将加热装置的的内部充入循环介质，之后将加热装置的输出口通过连接管与循环动力装置的输入口连接；

a3、然后将电子节温器装置的第二输出口通过连接管与散热装置的输入口连接，之后散热装置的输出口可通过连接管与电子节温器装置和加热装置之间的连接管使用三管转接头进行连接，连接安装完成后，即可启动整个设备开始工作；

a4、当电子节温器装置检测循环介质的温度比电堆最适温度低时，电子节温器装置控制关闭第二输出口管路，使电堆预热循环体系工作，此时循环动力装置、加热装置、电堆流道、电子节温器装置和循环介质处于工作状态，对电堆进行加热处理，使整个电堆系统快速升温，尽快达到氢气与氧气反应的最适温度。

电堆散热循环体系的热利用工作原理如下：

b1、首先将循环动力装置的输出口通过连接管与电堆的输入端进行连接，并将电堆的输出端通过连接管与电子节温器装置的输入口连接；

b2、然后将电子节温器装置的第一输出口通过连接管与加热装置的输入口连接，并将加热装置的的内部充入循环介质，之后将加热装置的输出口通过连接管与循环动力装置的输入口连接；

b3、然后将电子节温器装置的第二输出口通过连接管与散热装置的输入口连接，之后散热装置的输出口可通过连接管与电子节温器装置和加热装置之间的连接管使用三管转接头进行连接，连接安装完成后，即可启动整个设备开始工作；

b4、当电子节温器装置检测循环介质的温度处于电堆最适温度内，或者高于电堆最适温度，电子节温器装置控制打开第二输出口，使散热装置管路畅通，从而使电堆散热热循环体系工作，此时循环动力装置、加热装置、电堆流道、电子节温器装置、散热装置和循环介质处于工作状态，对电堆进行散热处理，使整个电堆系统维持在最适温度范围内，即可使氢气与氧气发生电化学反应的效率最高、发电量最大。

该技术方案的有益效果是：电堆预热循环体系和电堆散热循环体系，两者互不干扰，电堆预热循环体系运作时不经过无用的散热装置，减少了周期循环的路程及时间，同时避免了不必要的热量损耗，减少耗电量的同时提高了预热效率，使电堆升温速度更快，发电等待时间更短，进一步减少了使用者等待的时间。

本实用新型中，电堆预热循环体系分别是由循环动力装置、加热装置、电堆流道、电子节温器装置和循环介质组成。

该技术方案的有益效果是：降低预热循环体系的成本，减小热量损耗。

本实用新型中，电堆散热循环体系分别是由循环动力装置、加热装置、电堆流道、电子节温器装置、散热装置和循环介质组成。

该技术方案的有益效果是：通过散热装置可有效地避免温度过高的情况。

本实用新型中，电子节温器装置有一个输入口和两个输出口，且第一输出口连接加热装置，第二输出口连接散热装置。

该技术方案的有益效果是：通过设置不同的输入口，方便对温度进行控制。

本实用新型中，所述循环动力装置中还设置有甲醇重整室和氢气暂存室，其中，甲醇重整室的氢气输出口通过连接管与电堆连通、且通过连接管与所述氢气暂存室连通。此时，该系统的工作原理如下：

步骤a4中，对电堆进行加热处理，使整个电堆系统快速升温，尽快达到氢气与氧气反应的最适温度,其中，当达到氢气与氧气反应的最适温度时，需要对氢气进入电堆的输入量进行控制，如图4-图5所示，其中，记纵坐标为第一功率p，横坐标为时间t，其步骤如下：

c1、检测进入电堆的氢气输入量对应的第一功率；

c2、确定甲醇重整电池的所需量对应的第二功率，当检测出第一功率小于其第二功率时，控制氢气暂存室释放氢气，其执行步骤c3,当检测出第一功率大于其第二功率时，控制氢气暂存室暂存氢气，其执行步骤c4，当检测出第一功率等于其第二功率时，控制甲醇重整室制得的氢气只通过连接管传输到电堆，其执行步骤c5，如图6所示，当检测到电堆的输出功率小于其第二功率时，执行步骤c6；

其中，图6，记纵坐标为输出功率p1，横坐标为时间T。

c3、降低进入电堆中的氧气输入量，同时提高甲醇重整室制得的氢气生成量，经过时间t1后，提高进入电堆中的氧气进入量，且执行步骤c5；

c4、提高进入电堆中的氧气输入量，同时降低甲醇重整室制得的氢气生成量，经过时间t3后，降低进入电堆中的氧气进入量，且执行步骤c7；

c5、经过时间t2后，转到步骤c1；

c6、将甲醇重整室制得的氢气一部分通过连接管传输至电堆，另一部分通过氢气暂存室将其暂存，经过时间t4，转至步骤c1；

c7、经过时间t5后，转到步骤c1；

其中，甲醇重整室及氢气暂存室设置在循环动力装置中。

进一步的，第二功率为甲醇重整燃料电池的额定功率，或根据实际使用要求设定的数值。

上述第一功率可通过功率气体检测仪获得，且其是测量的当前氢气输入量对应功率的实际值，上述时间t1、t2、t3、t4是为了氢气处于不同的执行步骤对应的某一状态时，提供给其的反应时间，其好处是：确保每一步骤都能有效的进行。

该技术方案的有益效果是：一定程度上节省了氢气资源，同时提高了对氢气资源的高效利用。

本实用新型中，氢气暂存室可将氢气进行暂存和释放，在其暂存或释放后需要对氢气暂存室中的氢气通过氢气用量表进行测量，在对其进行测量前需检测氢气用量表是否处于异常状态，其步骤如下：

d1、将设置有n组接头的密封体放置在氢气用量表的气体口上，使得每个氢气用量表的腔体分别对应一组接头，每组接头包括第一接头和第二接头；

d2、将第一连接管一端与氢气暂存室的氢气进出口连接，其另一端与第一三口管体连接，第一三口管体的另两端各连接有第二连接管，每根第二连接管的另一端各连接有第二三口管体，每个第二三口管体的另两端各经过第二电磁阀和测量容表与第三连接管连接，第三连接管的另一端链接有对应的第一接头，每个第二接头上都设置有第一电磁阀；

d3、打开左侧和右侧上腔体上的第二电磁阀，并关闭其上的第一电磁阀，同时关闭左侧和右侧下腔体上的第二电磁阀，并打开其上的第一电磁阀，打开氢气暂存室的氢气进出口，使得气体从氢气暂存室的氢气进出口输出，经测量容表后进入至左侧和右侧上腔体内部，同时左侧和右侧下腔体排出气体；

d4、读取测量容表测量的第一计数值，判断第一计数值与第一预设值的差值是否小于第一预设差值，若否，氢气用量表处于异常状态；

d5、关闭左侧和右侧上腔体上的第二电磁阀，并打开其上的第一电磁阀，同时打开左侧和右侧下腔体上的第二电磁阀，并关闭其上的第一电磁阀，打开氢气暂存室的氢气进出口，使得气体从氢气暂存室的氢气进出口输出，经测量容表后进入至左侧和右侧下腔体内部，同时左侧和右侧上腔体排出气体；

d6、读取测量容表测量的第二计数值，判断第二计数值与第二预设值的差值是否小于第二预设差值，若否，氢气用量表处于异常状态。

本实施例每次动作均可以同时检测2个腔体的容量，检测完2个容量腔容量后，不需要更换第二三口管体的连接关系，整个过程可实现自动控制，自动检测，其好处是：提高了检测速度。

上述第一预设差值与第二预设差值是通过大量实验测量计算得到的；上述第一计数值代表左侧和右侧上腔体容量，第二计数值代表左侧和右侧下腔体容量；上述异常状态主要是判断氢气用量表是否可以准确的测量出氢气用量。

该技术方案的有益效果是：保证对氢气测量的准确性。

本实用新型中，氢气暂存室将氢气进行暂存和释放过程中，还需检测氢气暂存室与连接管的连接处是否漏气，连接处设置有检测体，检测体包括盒体，盒体的侧壁上方开设有溢出孔，且溢出孔的外端口焊接有对接溢出通道，溢出通道的另一端连接有充气容量体，当连接处出现气体泄漏时，泄露的气体通过溢出孔、溢出通道传输至充气容量体中，并判断充气容量体获取的气体体积与预设体积的大小是否小于第三预设差值，当其大于第三预设差值时，则连接处漏气。

上述第三预设差值是经大量实验反复测量计算得到的预设差值，充气容量体例如可以是：气球等，其好处是：便于直观的了解到漏气情况。

其中，对于充气容量体获取的气体体积的计算，例如：已知，设气体密度为f，气体与充气容量体的总质量为M，充气容量体的质量为m，则气体体积V＝(M-m)\/f。

该技术方案的有益效果是：便于及时解决漏气问题，提高其运行效率。

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实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型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，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

设计图

一种甲醇重整燃料电池热利用系统论文和设计

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