一種車載高溫燃料電池冷啟動(dòng)系統(tǒng)及其工作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種車載高溫燃料電池冷啟動(dòng)系統(tǒng)及其工作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]高溫燃料電池作為一種車用新能源，越來越成為研究的熱點(diǎn)，其中高溫氫氣供應(yīng)技術(shù)也成為研究的重點(diǎn)。高溫燃料電池具有一定的CO容忍度、無需水管理系統(tǒng)、噪音低和無污染等優(yōu)點(diǎn)，可作為某些特殊用途柴油車(如冷藏車)的輔助能源系統(tǒng)。高溫燃料電池的工作溫度約160°C，需要高溫的氫氣和空氣，啟動(dòng)成為一大難題。
[0003]文章(Remzi Can Samsun 等，Design and test of a 5kff high-temperaturepolymer electrolyte fuel cell system operated with diesel and kerosene，AppliedEnergy, 114 (2014)，238 - 249)給出了高溫燃料電池啟動(dòng)方案，利用單獨(dú)的加熱器對(duì)高溫燃料電池進(jìn)行啟動(dòng)，但是沒有與柴油車形成整體方案，對(duì)供應(yīng)高溫氫氣的設(shè)計(jì)還不充分，實(shí)際應(yīng)用性還需進(jìn)一步研究。
[0004]利用交流電加熱氫氣是應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)室生成高溫氫氣的方法，這種方法不能應(yīng)用于移動(dòng)裝置上。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是對(duì)柴油車用高溫燃料電池的啟動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)研究，提出更具有可行性的新型柴油車高溫燃料電池冷啟動(dòng)整體方案。
[0006]本發(fā)明提供了一種車載高溫燃料電池冷啟動(dòng)系統(tǒng)，包括:柴油箱，空氣過濾器，柴油機(jī)，水箱，自熱重整器，氣體混合分離器，高溫燃料電池，催化燃燒器。
[0007]其中，柴油箱經(jīng)管道分別與柴油機(jī)、自熱重整器連接；空氣過濾器經(jīng)管道分別與柴油機(jī)、自熱重整器、氣體混合分離器連接；柴油機(jī)另與水箱連接；自熱重整器與氣體混合分離器連接；氣體混合分離器分別與高溫燃料電池、催化燃燒器連接；高溫燃料電池分別與氣體混合分離器、催化燃燒器連接。
[0008]上述具體連接關(guān)系是:空氣過濾器的空氣入口與大氣相通，該空氣過濾器的三個(gè)氣體出口經(jīng)管道分別連接至柴油機(jī)的空氣入口、自熱重整器的空氣入口、氣體混合分離器的空氣入口 ；柴油箱的出油管一連接柴油機(jī)，水箱中的水由出水管流經(jīng)柴油機(jī)外部夾層；該外部夾層具有蒸汽出口連接至自熱重整器的蒸汽入口 ；柴油箱的出油管二連接至自熱重整器的柴油入口 ；自熱重整器的混合氣體出口連接氣體混合分離器的混合氣體入口 ；氣體混合分離器的高溫比和O2出口連接高溫燃料電池的燃料入口 ；高溫燃料電池的廢氣出口連接至催化燃燒器。
[0009]作為優(yōu)選，自熱重整器具有外殼，該外殼頂部設(shè)置有水蒸汽入口，外殼側(cè)下部設(shè)置有高溫比和O2出口。
[0010]作為優(yōu)選，還包括蓄電池。
[0011]作為優(yōu)選，催化燃燒器設(shè)置在能夠?qū)怏w混合分離器中混合氣體進(jìn)行加熱的位置。
[0012]本發(fā)明還提供了所述車載高溫燃料電池冷啟動(dòng)系統(tǒng)的工作方法:柴油機(jī)啟動(dòng)，柴油從柴油箱中進(jìn)入柴油機(jī)燃燒；空氣經(jīng)空氣過濾器分別提供給柴油機(jī)、自熱重整器、氣體混合分離器；柴油機(jī)在本身預(yù)熱過程中，將水箱的水加熱變成水蒸汽進(jìn)入自熱重整器；水蒸汽在自熱重整器中與進(jìn)入自熱重整器的柴油、及空氣中的氧氣進(jìn)行重整反應(yīng)，產(chǎn)生約180°C的高溫CO和H2;當(dāng)高溫CO和H 2進(jìn)入氣體混合分離器時(shí)，對(duì)經(jīng)空氣過濾器過濾的空氣進(jìn)行加熱，這樣就同時(shí)產(chǎn)生了符合高溫燃料電池的電極所需的高溫比和02(120°(:?180°C );高溫比和02進(jìn)入高溫燃料電池進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)生成電能，供柴油車所用；未反應(yīng)完的HjPCO進(jìn)入催化燃燒器中進(jìn)行燃燒，最后生成CO2和水排入空氣中；同時(shí)催化燃燒器產(chǎn)生的熱量對(duì)氣體混合分離器中的混合氣體加熱。這樣柴油車實(shí)現(xiàn)不需加裝另外燃燒器就能實(shí)現(xiàn)高溫燃料電池的啟動(dòng)。
[0013]本發(fā)明是通過柴油機(jī)加熱水，產(chǎn)生重整反應(yīng)所需的高溫水蒸氣，在自熱重整器中與柴油和空氣經(jīng)過重整反應(yīng)生成高溫CO和比，高溫比和CO同時(shí)加熱空氣中的O2，提供高溫燃料電池所需的燃料，實(shí)現(xiàn)高溫燃料電池的啟動(dòng)。
[0014]采用本發(fā)明可以使柴油機(jī)在無需另外裝配加熱裝置，就能把高溫燃料電池冷啟動(dòng)，高溫燃料電池反應(yīng)后只生成水，不含有任何污染物，徹底解決了耗電柴油車的供電及零排放問題。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明的原理圖。
[0016]圖中:1-柴油箱，2-空氣過濾器，3-柴油機(jī)，4-水箱，5-自熱重整器，6_氣體混合分離器，7-高溫燃料電池，8-催化燃燒器。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述:
[0018]如圖1所示，一種車載高溫燃料電池冷啟動(dòng)系統(tǒng)，包括:柴油箱1，空氣過濾器2，柴油機(jī)3，水箱4，自熱重整器5，氣體混合分離器6，高溫燃料電池7，催化燃燒器8。
[0019]其中，柴油箱I經(jīng)管道分別與柴油機(jī)3、自熱重整器5連接；空氣過濾器2經(jīng)管道分別與柴油機(jī)3、自熱重整器5、氣體混合分離器6連接；柴油機(jī)3另與水箱4連接；自熱重整器5與氣體混合分離器6連接；氣體混合分離器6分別與高溫燃料電池7、催化燃燒器8連接；高溫燃料電池7分別與氣體混合分離器6、催化燃燒器8連接；
[0020]上述連接具體分別是:空氣過濾器2的空氣入口與大氣相通，該空氣過濾器2的三個(gè)氣體出口經(jīng)管道分別連接至柴油機(jī)3的空氣入口、自熱重整器5的空氣入口、氣體混合分離器6的空氣入口 ；柴油箱I的出油管一連接柴油機(jī)3，水箱4中的水由出水管流經(jīng)柴油機(jī)3外部夾層；該外部夾層具有蒸汽出口連接至自熱重整器5的蒸汽入口 ；柴油箱I的出油管二連接至自熱重整器5的柴油入口 ；自熱重整器5的混合氣體出口連接氣體混合分離器6的混合氣體入口 ；氣體混合分離器6的高溫比和O 2出口連接高溫燃料電池7的燃料入口 ；高溫燃料電池7的廢氣出口連接至催化燃燒器8。
[0021 ] 本發(fā)明的自熱重整器5具有外殼，該外殼頂部設(shè)置有水蒸汽入口，外殼側(cè)下部設(shè)置有高溫比和O 2出口。該高溫H 2和O 2混合氣體中含有重整反應(yīng)所產(chǎn)生的CO。
[0022]另外，催化燃燒器8設(shè)置在合適位置，以能夠?qū)怏w混合分離器6中混合氣體進(jìn)行加熱。
[0023]根據(jù)圖1，本發(fā)明一種車載高溫燃料電池冷啟動(dòng)系統(tǒng)的工作方法是:柴油機(jī)3啟動(dòng)，柴油從柴油箱I中進(jìn)入柴油機(jī)3燃燒；空氣經(jīng)空氣過濾器2分別提供給柴油機(jī)3、自熱重整器5、氣體混合分離器6 ;柴油機(jī)3在本身預(yù)熱過程中，將水箱4的水加熱100°C變成水蒸汽進(jìn)入自熱重整器5 ;水蒸汽在自熱重整器5中與進(jìn)入自熱重整器5的柴油、及空氣中的氧氣進(jìn)行重整反應(yīng)，產(chǎn)生約180°C的高溫CO和H2;當(dāng)高溫CO和H 2進(jìn)入氣體混合分離器6時(shí)，對(duì)經(jīng)空氣過濾器2過濾的空氣進(jìn)行加熱，這樣就同時(shí)產(chǎn)生了符合高溫燃料電池的電極所需的比和0 2(120°(:?180°C );高溫比和O2進(jìn)入高溫燃料電池7進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)生成電能，供柴油車所用；未反應(yīng)完的HjP CO進(jìn)入催化燃燒器8中進(jìn)行燃燒，最后生成CO 2和水排入空氣中；同時(shí)催化燃燒器8產(chǎn)生的熱量對(duì)氣體混合分離器6中的混合氣體加熱。這樣柴油車實(shí)現(xiàn)不需要加裝另外燃燒器就能實(shí)現(xiàn)高溫燃料電池的自啟動(dòng)。
[0024]本發(fā)明的車載高溫燃料電池冷啟動(dòng)系統(tǒng)中可以使用在需要用電的柴油車上，比如冷藏車、攪拌車等工程車輛。同時(shí)，燃料電池生成的電還可存儲(chǔ)在蓄電池中，以供車載其它電器設(shè)備使用，如駕駛室制冷、座椅加熱、音響等。
[0025]本發(fā)明利用柴油車實(shí)現(xiàn)自生成高溫氫氣，為高溫燃料電池提供適宜溫度的燃料，既實(shí)現(xiàn)了柴油車的預(yù)熱，又解決了高溫燃料電池的啟動(dòng)問題，同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了柴油車輛的零排放，符合現(xiàn)在中國(guó)目前汽車減排的改革現(xiàn)狀。
[0026]本發(fā)明不限于以上對(duì)實(shí)施例的描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明揭示的內(nèi)容，在本發(fā)明基礎(chǔ)上不必經(jīng)過創(chuàng)造性勞動(dòng)所進(jìn)行的改進(jìn)和修改，比如自熱重整器和催化燃燒器的選擇設(shè)置等，都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種車載高溫燃料電池冷啟動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于: 所述車載高溫燃料電池冷啟動(dòng)系統(tǒng)包括:柴油箱，空氣過濾器，柴油機(jī)，水箱，自熱重 整器，氣體混合分離器，高溫燃料電池，催化燃燒器； 其中，柴油箱經(jīng)管道分別與柴油機(jī)、自熱重整器連接；空氣過濾器經(jīng)管道分別與柴油機(jī)、自熱重整器、氣體混合分離器連接；柴油機(jī)另與水箱連接；自熱重整器與氣體混合分離器連接；氣體混合分離器分別與高溫燃料電池、催化燃燒器連接；高溫燃料電池分別與氣體混合分離器、催化燃燒器連接； 上述連接具體分別是:空氣過濾器的空氣入口與大氣相通，該空氣過濾器的三個(gè)氣體出口經(jīng)管道分別連接至柴油機(jī)的空氣入口、自熱重整器的空氣入口、氣體混合分離器的空氣入口 ；柴油箱的出油管一連接柴油機(jī)；水箱中的水由出水管流經(jīng)柴油機(jī)外部夾層，該外部夾層具有蒸汽出口連接至自熱重整器的蒸汽入口 ；柴油箱的出油管二連接至自熱重整器的柴油入口 ；自熱重整器的混合氣體出口連接氣體混合分離器的混合氣體入口 ；氣體混合分離器的高溫比和02出口連接高溫燃料電池的燃料入口 ；高溫燃料電池的廢氣出口連接至催化燃燒器。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種車載高溫燃料電池冷啟動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于:所述自熱重整器具有外殼，該外殼頂部設(shè)置有蒸汽入口，側(cè)下部設(shè)置有高溫HjP O 2出口。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種車載高溫燃料電池冷啟動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于:還包括蓄電池。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種車載高溫燃料電池冷啟動(dòng)系統(tǒng)，其特征在于:所述催化燃燒器設(shè)置在能夠?qū)λ鰵怏w混合分離器中混合氣體進(jìn)行加熱的位置。5.基于權(quán)利要求1所述的一種車載高溫燃料電池冷啟動(dòng)系統(tǒng)的工作方法，其特征在于:柴油機(jī)啟動(dòng)，柴油從柴油箱中進(jìn)入柴油機(jī)燃燒；空氣經(jīng)空氣過濾器分別提供給柴油機(jī)、自熱重整器、氣體混合分離器；柴油機(jī)在本身預(yù)熱過程中，將水箱的水加熱變成水蒸汽進(jìn)入自熱重整器；水蒸汽在自熱重整器中與進(jìn)入自熱重整器的柴油、及空氣中的氧氣進(jìn)行重整反應(yīng)，產(chǎn)生約180°C的高溫CO和H2;當(dāng)高溫CO和H 2進(jìn)入氣體混合分離器時(shí)，對(duì)經(jīng)空氣過濾器過濾的空氣進(jìn)行加熱，這樣就同時(shí)產(chǎn)生了符合高溫燃料電池的電極所需的高溫比和02(120°C?180°C );高溫比和O2進(jìn)入高溫燃料電池進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)生成電能，供柴油車所用；未反應(yīng)完的HjP CO進(jìn)入催化燃燒器中進(jìn)行燃燒，最后生成CO 2和水排入空氣中。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的工作方法，其特征在于:所述催化燃燒器產(chǎn)生的熱量對(duì)氣體混合分離器中的混合氣體加熱。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種車載高溫燃料電池冷啟動(dòng)系統(tǒng)，包括：柴油箱(1)，空氣過濾器(2)，柴油機(jī)(3)，水箱(4)，自熱重整器(5)，氣體混合分離器(6)，高溫燃料電池(7)，催化燃燒器(8)。本發(fā)明同時(shí)公開了上述車載高溫燃料電池冷啟動(dòng)系統(tǒng)的工作方法：采用柴油機(jī)(3)加熱常溫水成水蒸氣，與柴油、空氣在自熱重整器(5)中發(fā)生裂解反應(yīng)，生成高溫的H2和CO，高溫H2和CO同時(shí)加熱空氣中的O2給高溫燃料電池(7)的提供高溫燃料，保證車載高溫燃料電池的冷啟動(dòng)。本發(fā)明解決了高溫燃料電池的啟動(dòng)問題，同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)柴油車輛的零排放。
【IPC分類】H01M8/06, H01M8/04
【公開號(hào)】CN105024088
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510383242
【發(fā)明人】劉永峰, 陳紅兵, 秦建軍, 姚圣卓, 裴普成
【申請(qǐng)人】北京建筑大學(xué)
【公開日】2015年11月4日
【申請(qǐng)日】2015年7月2日