高溫燃料電池電堆及燃料電池系統和系統控制方法技術方案

高溫燃料電池電堆，包括N節單體電池和M個燃料處理單元；其中M和N均為自然數；所述N節單體電池與M個燃料處理單元緊密貼接構成高溫燃料電池電堆；于所述燃料處理單元中設置有燃料重整反應催化劑；所述燃料處理單元的反應產物為所述單體電池的陽極燃料，所述燃料處理單元的反應產物出口與所述單體電池的陽極燃料入口相連；所述單體電池包括膜電極中的電解質膜為最高耐受溫度150℃-250℃的電解質膜。采用上述控制方法，使該高溫燃料電池系統能夠在穩定條件下運行，避免了運行過程中溫度過低導致的電池性能低及溫度過高導致的重整器中催化劑的燒結機MEA性能的破壞，本發明專利技術優化方案中的燃料預處理裝置增加了燃料的重整率，使電池的運行條件更加穩定。

High temperature fuel cell stack and fuel cell system and system control method

High temperature fuel cell stack, including N battery and M fuel processing unit; wherein M and N are natural numbers; the N battery M and a fuel processing unit tightly connected in a high temperature fuel cell stack; fuel reforming catalyst is arranged in the fuel processing unit anode fuel; reaction products of the fuel processing unit for the single battery, anode fuel entrance of the fuel processing unit of the reaction product export and the single battery is connected; the monomer battery includes an electrolyte membrane membrane electrode in the electrolyte membrane for maximum tolerable temperature 150 degrees -250 degrees celsius. Using the method, the high temperature fuel cell system can operate under stable conditions, avoiding the sintering performance of MEA catalyst performance of the battery temperature is too low during the operation caused by low and high temperature led to the destruction of the reformer, the invention optimizes fuel pretreatment device scheme increases the fuel reforming rate. The operation condition of the battery is more stable.

【技術實現步驟摘要】
高溫燃料電池電堆及燃料電池系統和系統控制方法
本專利技術屬于燃料電池
，具體的說涉及一種高溫燃料電池電堆；本專利技術還涉及包含上述燃料電池電堆的燃料電池系統及系統的控制方法。
技術介紹
質子交換膜燃料電池是一種通過電化學反應將儲存在化合物燃料中的化學能直接轉換為電能的設備。通常，質子交換膜燃料電池包括電解質膜以及由其分隔的陽極和陰極。質子交換膜燃料電池以氫氣作為燃料，在陽極催化劑作用下生成質子和電子，質子通過離子交換膜到達陰極，在陰極催化劑表面與陰極氧氣發生還原反應，電子則通過外電路對外做功并由陽極轉移至陰極。質子交換膜燃料電池具有較高的能量密度，不經過燃燒過程，故不受卡諾循環的限制，具有極高的電能轉換效率。傳統的質子交換膜燃料電池系統通過直接儲氫裝置為電池工作提供氫源，由于氫氣液化所需壓力較高且其化學性質非常活潑，儲存與安全問題均使其應用受到限制。為解決直接儲氫問題為燃料電池的使用帶來的限制，通常采用甲醇重整制氫的方式為燃料電池提供燃料。甲醇重整燃料電池是以甲醇重整的方式為質子交換膜燃料電池供給氫氣，使得氫氣的儲存與安全性問題在一定程度上得到解決。以甲醇重整燃料電池為核心構成的甲醇重整燃料電池系統使得燃料電池在各類移動設備上的應用成為可能。目前對甲醇重整燃料電池系統的研究主要存在以下問題：1、質子交換膜燃料電池工作時會產生大量的熱。甲醇重整反應為吸熱反應，工作過程中需為其提供大量的熱，以保證其較高的轉化效率。對于普遍采用的甲醇外重整燃料電池系統，由于其將重整反應與燃料電池放電反應置于不同裝置內進行，因而導致整個系統的熱效率較低。2、甲醇重整過程會產生部分一氧化碳，當一氧化碳濃度達到一定值時，會使電池的陽極催化劑中毒，導致電池性能下降，從而導致電池在整個工作過程中的穩定性變差。
技術實現思路
一種高溫燃料電池電堆，包括N節單體電池和M個燃料處理單元；其中M和N均為自然數；所述N節單體電池與M個燃料處理單元緊密貼接構成高溫燃料電池電堆；于所述燃料處理單元中設置有燃料重整反應催化劑；所述燃料處理單元的反應產物為所述單體電池的陽極燃料；所述膜電極中的電解質膜的最高耐受溫度在所述重整反應催化劑的有效工作溫度范圍內。所述電解質膜的最高耐受溫度在150℃-250℃；所述重整反應催化劑的有效工作溫度范圍在130℃-400℃之間。目前，BASF公司的高溫電解質膜的最高耐受溫度為180℃，ADVENT公司的高溫電解質膜的最高耐受溫度為220℃，國內大連化學物理研究所的高溫電解質膜的最高耐受溫度為200℃；無錫凱錫催化劑有限公司的甲醇重整催化劑的有效工作溫度為200-350℃；遼寧海泰科技發展有限公司的甲醇重整制氫催化劑的有效工作溫度為210-320℃。上述結構的高溫燃料電池電堆，可有效解決高溫重整燃料電池熱效率低的問題，但在上述結構的設計過程中，仍需考慮電解質膜耐受溫度和重整反應催化劑有效工作溫度匹配的問題，因此本專利技術通過“電解質膜的最高耐受溫度在重整反應催化劑的有效工作溫度范圍內”的條件限制，實現了燃料重整吸熱與電池反應放熱的熱平衡。所述N節單體電池與M個燃料處理單元交錯堆疊構成高溫燃料電池電堆。上述電堆結構為較優的設計方式，易于實現。所述燃料為C1-C4的烴類、甲醇、乙醇、甲酸、乙酸、二甲醚、頁巖氣中的一種或兩種以上的混合物。本專利技術中的燃料選擇為傳統高溫重整燃料電池中的燃料。一種采用所述高溫燃料電池電堆的高溫燃料電池系統，包括，高溫燃料電池電堆，用于將反應燃料中的化學能轉化為電能的裝置；燃料存儲供應單元，包括用于存儲反應燃料的燃料容器，以及將所述反應燃料提供給所述高溫燃料電池電堆中燃料處理單元的液泵和液體管路；空氣供應單元，用于將空氣提供給高溫燃料電池電堆中的單體電池和燃料處理單元的氣泵和氣體管路；輔助加熱部件，用于為高溫燃料電池電堆加熱。燃料重整單元和燃料燃燒單元均為密閉的中空容器；所述高溫燃料電池系統還包括同時具有燃料重整單元和燃料燃燒單元的燃料預處理裝置；所述燃料重整單元與所述燃料燃燒單元緊密貼接；所述燃料存儲供應單元提供的反應燃料經所述液體管路進入燃料預處理裝置中燃料重整單元，重整反應產物經另一液體管路進入所述高溫燃料電池電堆；所述燃料存儲供應單元提供的反應燃料經所述液體管路進入燃料預處理裝置中燃料燃燒單元發生燃燒反應，反應生成熱用于為所述重整單元供熱。通過上述方式進一步實現了燃料的預處理，即重整處理，同時由于重整反應需要吸熱，設計一燃料燃燒單元，利用燃燒反應放出的熱量保持重整單元的溫度，使重整反應持續進行。所述高溫燃料電池電堆中燃料處理單元具有一反應產物出口A，所述反應產物出口A與所述燃料預處理裝置中燃料燃燒單元管路連接，將余量反應產物提供給燃料預處理裝置中燃料燃燒單元使其發生燃燒反應，反應生成熱用于為所述重整單元供熱。為保證燃料電池的反應效率，通常來說，燃料重整的進料量通常大于燃料電池反應所需的燃料的量，因此通過上述設計實現了過量重整反應產物返回至燃料預處理裝置中的燃料燃燒單元，在余量反應產物燃燒發出的熱量足以供重整單元所需時，可以停止對燃料燃燒單元的燃料供應，節省燃料，提高燃料效率和熱效率。所述系統還包括一輔助電源，用于在系統啟動階段為所述液泵和氣泵以及其他系統輔助部件提供電能。所述輔助電源為二次電池或電源，可為鋰離子電池、鉛蓄電池、液流電池、鋅錳電池。所述空氣供應單元與所述高溫燃料電池電堆經所述氣體管路連接，所述氣體管路經與高溫燃料電池電堆換熱后與所述高溫燃料電池電堆空氣進口連通。所述空氣供應單元與所述高溫燃料電池電堆經所述氣體管路連接，所述氣體管路經與高溫燃料電池電堆和/或燃料預處理裝置換熱后與所述高溫燃料電池電堆空氣進口連通。所述氣體管路經與高溫燃料電池電堆換熱的方式為氣體管路盤繞于電堆堆體的一側表面或氣體管路纏繞于電堆堆體上。所述氣體管路經與高溫燃料電池電堆換熱的方式為氣體管路盤繞于電堆堆體的一側表面或氣體管路纏繞于電堆堆體上；所述氣體管路經與燃料預處理裝置的換熱方式為氣體管路盤繞于燃料預處理裝置的一側表面或氣體管路纏繞于燃料預處理裝置上。氣體管路經換熱后進入高溫燃料電池電堆的空氣溫度有所提高，有利于電堆反應效率的提高和熱效率的提高。一種所述高溫燃料電池系統的控制方法，于所述高溫燃料電池電堆中設置有溫度感應裝置；當高溫燃料電池電堆中的溫度TS小于設定值TS0時，所述輔助加熱部件工作，為高溫燃料電池電堆提供熱量。一種所述高溫燃料電池系統的控制方法，于所述燃料預處理裝置中的燃料重整單元和燃料燃燒單元分別設置有溫度感應裝置；當燃料燃燒單元中的溫度值TB＜設定下限TBL時或燃料重整單元中的溫度值TR＜設定下限TRL時，燃料存儲供應單元為燃料燃燒單元提供燃料，當燃料燃燒單元中的溫度值TB≥設定上限TD時或燃料重整單元中的溫度值TR≥設定上限TRH時，燃料存儲供應單元停止為燃料燃燒單元提供燃料，其中TRL＜TRH≤TBH，TBL≤TRH。采用上述控制方法，使該高溫燃料電池系統能夠在穩定條件下運行，避免了運行過程中溫度過低導致的電池性能低及溫度過高導致的重整器中催化劑的燒結機MEA性能的破壞。本專利技術所述高溫燃料電池電堆解決燃料外重整熱利用效率低的問題，實現了將燃料重整吸熱與燃料電池工本文檔來自技高網...

【技術保護點】
高溫燃料電池電堆，其特征在于：包括N節單體電池和M個燃料處理單元；其中M和N均為自然數；所述N節單體電池與M個燃料處理單元緊密貼接構成高溫燃料電池電堆；于所述燃料處理單元中設置有燃料重整反應催化劑；所述燃料處理單元的反應產物為所述單體電池的陽極燃料，所述燃料處理單元的反應產物出口與所述單體電池的陽極燃料入口相連；所述單體電池包括膜電極中的電解質膜為最高耐受溫度150℃?250℃的電解質膜。

【技術特征摘要】
1.高溫燃料電池電堆，其特征在于：包括N節單體電池和M個燃料處理單元；其中M和N均為自然數；所述N節單體電池與M個燃料處理單元緊密貼接構成高溫燃料電池電堆；于所述燃料處理單元中設置有燃料重整反應催化劑；所述燃料處理單元的反應產物為所述單體電池的陽極燃料，所述燃料處理單元的反應產物出口與所述單體電池的陽極燃料入口相連；所述單體電池包括膜電極中的電解質膜為最高耐受溫度150℃-250℃的電解質膜。2.如權利要求1所述高溫燃料電池電堆，其特征在于：所述N節單體電池與M個燃料處理單元均為長方體，N節單體電池與M個燃料處理單元交錯層狀堆疊構成高溫燃料電池電堆。3.如權利要求1-2任一所述高溫燃料電池電堆，其特征在于：所述燃料處理單元處理的燃料為C1-C4的烴類、甲醇、乙醇、甲酸、乙酸、二甲醚、頁巖氣中的一種或兩種以上的混合物。4.如權利要求1所述高溫燃料電池電堆，其特征在于：所述重整反應催化劑的有效工作溫度范圍在130℃-400℃之間，重整反應催化劑為重整制氫催化劑。5.如權利要求1所述高溫燃料電池電堆，其特征在于：電解質膜為ABPBI、MPBI、PPBI、OPBI、TPS中的一種。6.一種采用權利要求1-5任一所述高溫燃料電池電堆的高溫燃料電池系統，其特征在于：包括，高溫燃料電池電堆，用于將反應燃料中的化學能轉化為電能的裝置，包括N節單體電池和M個燃料處理單元；燃料存儲供應單元，包括用于存儲反應燃料的燃料容器，以及將所述反應燃料提供給所述高溫燃料電池電堆中燃料處理單元的液泵和液體管路；空氣供應單元，包括用于將空氣提供給高溫燃料電池電堆中的單體電池和燃料處理單元的氣泵和氣體管路；輔助加熱部件，包括用于為高溫燃料電池電堆加熱。7.如權利要求6所述高溫燃料電池系統，其特征在于：還包括同時具有燃料重整單元和燃料燃燒單元的燃料預處理裝置；所述燃料重整單元與所述燃料燃燒單元緊密貼接；所述燃料存儲供應單元提供的反應燃料經所述液體管路進入燃料預處理裝置中燃料重整單元，重整反應產物經另一液體管路進入所述高溫燃料電池電堆的燃料處理單元；所述燃料存儲供應單元提供的反應燃料經所述液體管路進入燃料預處理裝置中燃料燃燒單元發生燃燒反應，反應生成熱用于為所述重整單元供熱...

【專利技術屬性】
技術研發人員：孫公權，孫雪敬，楊林林，孫海，秦兵，麻勝南，
申請(專利權)人：中國科學院大連化學物理研究所，
類型：發明
國別省市：遼寧,21