一种空冷型甲醇重整燃料电池系统的制作方法

本发明涉及燃料电池，具体涉及一种空冷型甲醇重整燃料电池系统。

背景技术：

1、燃料电池被认为是一种新型能源转换技术，可以将储存在燃料中的化学能通过电化学反应转化为电能和热能，能量转换效率高。甲醇重整燃料电池因其燃料来源广泛，易运输和储存，运行维护成本低等优点，具有广泛的应用前景。其中，高温质子交换膜燃料电池(high-temperature proton exchange membrane fuel cells,ht-pemfcs)因其co耐受度高，可直接利用甲醇重整后的富氢气体而受到广泛关注。

2、然而，ht-pemfcs的工作温度通常较高，这要求电池系统具备有效的热管理能力以维持稳定的运行状态。在现有技术中，由于环境空气温度较低，为避免过大温差引起电池温度波动，导热油常被用作热管理介质，以实现预热电池以及有效传递和控制电池的内部热量。导热油具有较好的热稳定性和化学稳定性，能够在高温环境下长时间工作而不发生分解。

3、尽管导热油在热管理方面具有一定的优势，但现有系统设计中仍存在一些亟待解决的问题。首先，为了实现导热油的循环，系统需要额外配置导热油泵、导热油罐和导热油散热器等组件，这些组件的加入增加了系统的复杂性和成本，且降低了系统的比功率。其次，由于导热油的比热容较大，其升温速率相对较慢，这限制了燃料电池系统的启动速度，影响了系统的响应性能。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决目前高温甲醇重整燃料电池系统比功率低、启动速度慢的问题。

2、为了达到上述目的，本发明提供了一种空冷型甲醇重整燃料电池系统，包含燃烧室、重整室、燃料电池、集成换热器和辅助部件，其中，

3、所述燃料电池包括阳极反应流道、阴极反应流道、热管理流道；所述燃料电池的工作介质包括第一工质、第二工质；

4、所述辅助部件包括气体混合室；

5、所述燃烧室用于生成燃烧尾气；所述燃烧室的出口与所述集成换热器、所述气体混合室、所述热管理流道依次连通，所述燃烧尾气自所述燃烧室的出口流经所述集成换热器，经换热后，流入所述气体混合室与通入所述气体混合室的空气混合形成热管理介质，流入所述热管理流道，用于预热或冷却所述燃料电池；

6、所述重整室的入口与所述集成换热器连通；甲醇重整原料经所述集成换热器换热后流入所述重整室内发生甲醇重整反应，生成所述第一工质；所述重整室的出口与所述集成换热器、所述阳极反应流道依次连通，所述第一工质自所述重整室的出口流经所述集成换热器，经换热后，流入所述阳极反应流道发生阳极反应；

7、所述集成换热器与所述阴极反应流道连通，所述第二工质经所述集成换热器换热后流入所述阴极反应流道发生阴极反应。

8、进一步地，用于生成所述燃烧尾气的燃料包括第一燃料和/或第二燃料，所述第一燃料为甲醇溶液，所述第二燃料为自所述燃料电池的所述阳极反应流道的出口排出的阳极尾气；用于生成所述燃烧尾气的氧化剂为空气。

9、进一步地，所述集成换热器包括第一工质层、第二工质层、燃烧尾气层、甲醇重整原料层；

10、所述燃烧尾气层用于冷却所述燃烧尾气；所述燃烧尾气层的出口与所述气体混合室的入口连通；

11、所述甲醇重整原料层用于气化所述甲醇重整原料，所述甲醇重整原料层的出口与所述重整室的入口连通；

12、所述第一工质层用于冷却所述第一工质，所述第一工质层的出口与所述阳极反应流道的入口连通；

13、所述第二工质层用于预热所述第二工质，所述第二工质层的出口与所述阴极反应流道的入口连通。

14、进一步地，所述第一工质为在所述重整室内发生甲醇重整反应后生成的富氢气体，所述第二工质为空气。

15、进一步地，所述辅助部件还包括空气阀，所述空气阀与所述气体混合室连通，用于向所述气体混合室内通入空气，通过调节所述空气阀的开度调节流入所述气体混合室内的所述空气的流量。

16、进一步地，所述辅助部件还包括风扇，所述风扇与所述热管理流道的出口连通，用于排出所述热管理介质。

17、进一步地，所述风扇为带有气流罩的抽吸式风扇。

18、进一步地，所述辅助部件还包括三通阀，所述三通阀包括进口阀、第一出口阀、第二出口阀；所述进口阀与所述燃烧尾气层的出口连通，所述第一出口阀与所述气体混合室连通，使得所述燃烧尾气流入所述气体混合室内；所述第二出口阀与外部环境连通；通过调节所述第一出口阀、第二出口阀的开度调节流入所述气体混合室内的所述燃烧尾气的流量。

19、进一步地，在所述燃料电池的启动阶段，所述三通阀的所述第一出口阀开启，所述第二出口阀关闭。

20、进一步地，在所述燃料电池的稳定运行阶段，通过调节所述三通阀的所述第一出口阀、所述第二出口阀的开度，控制流入所述气体混合室的所述燃烧尾气的流量。

21、与现有技术相比，本发明至少包含以下有益效果：

22、(1)本发明设置一气体混合室，通过将空气和燃烧室内生成的燃烧尾气通入所述气体混合室内，两者在所述气体混合室内适量混合形成适当温度的混合气，从而实现将空气和燃烧室内生成的燃烧尾气的混合气作为燃料电池的热管理介质，替代传统的导热油。一方面，在启动阶段时，无需使用导热油，省去了预热导热油的步骤，且催化燃烧反应的反应速度较快，显著加快了燃料电池的预热速度，缩短了整个系统的启动时间；另一方面，本发明不需要设置导热油泵、导热油罐、导热油散热器等，可以简化系统的热管理部件，减小系统体积，从而提高系统的比功率。

23、(2)进一步地，通过调节三通阀中第一出口阀、第二出口阀以及与气体混合室连通的空气阀的开度，可实现调节热管理介质中空气与燃烧尾气的流量比例，从而实现快速调节热管理介质的温度，缓解了传统空冷高温燃料电池因环境温度较低导致的热管理介质与燃料电池温差大、燃料电池温度均一性差等问题，进而提升了系统的发电性能和运行可靠性。

技术特征：

1.一种空冷型甲醇重整燃料电池系统，其特征在于，包含燃烧室、重整室、燃料电池、集成换热器和辅助部件，其中，

2.如权利要求1所述的空冷型甲醇重整燃料电池系统，其特征在于，用于生成所述燃烧尾气的燃料包括第一燃料和/或第二燃料，所述第一燃料为甲醇溶液，所述第二燃料为自所述燃料电池的所述阳极反应流道的出口排出的阳极尾气；用于生成所述燃烧尾气的氧化剂为空气。

3.如权利要求1所述的空冷型甲醇重整燃料电池系统，其特征在于，所述集成换热器包括第一工质层、第二工质层、燃烧尾气层、甲醇重整原料层；

4.如权利要求1所述的空冷型甲醇重整燃料电池系统，其特征在于，所述第一工质为在所述重整室内发生甲醇重整反应后生成的富氢气体，所述第二工质为空气。

5.如权利要求1所述的空冷型甲醇重整燃料电池系统，其特征在于，所述辅助部件还包括空气阀，所述空气阀与所述气体混合室连通，用于向所述气体混合室内通入空气，通过调节所述空气阀的开度调节流入所述气体混合室内的所述空气的流量。

6.如权利要求1所述的空冷型甲醇重整燃料电池系统，其特征在于，所述辅助部件还包括风扇，所述风扇与所述热管理流道的出口连通，用于排出所述热管理介质。

7.如权利要求6所述的空冷型甲醇重整燃料电池系统，其特征在于，所述风扇为带有气流罩的抽吸式风扇。

8.如权利要求3所述的空冷型甲醇重整燃料电池系统，其特征在于，所述辅助部件还包括三通阀，所述三通阀包括进口阀、第一出口阀、第二出口阀；所述进口阀与所述燃烧尾气层的出口连通，所述第一出口阀与所述气体混合室连通，使得所述燃烧尾气流入所述气体混合室内；所述第二出口阀与外部环境连通；通过调节所述第一出口阀、第二出口阀的开度调节流入所述气体混合室内的所述燃烧尾气的流量。

9.如权利要求8所述的空冷型甲醇重整燃料电池系统，其特征在于，在所述燃料电池的启动阶段，所述三通阀的所述第一出口阀开启，所述第二出口阀关闭。

10.如权利要求8所述的空冷型甲醇重整燃料电池系统，其特征在于，在所述燃料电池的稳定运行阶段，通过调节所述三通阀的所述第一出口阀、所述第二出口阀的开度，控制流入所述气体混合室的所述燃烧尾气的流量。

技术总结本发明公开了一种空冷型甲醇重整燃料电池系统，包含燃烧室、重整室、燃料电池、集成换热器和辅助部件，其中，辅助部件包括气体混合室；燃烧室用于给重整室供热并生成燃烧尾气，燃烧尾气流经所述集成换热器，经换热后，流入气体混合室与空气混合形成热管理介质，流入热管理流道，用于预热或冷却燃料电池；甲醇重整原料经所述集成换热器换热后流入重整室内发生甲醇重整反应，生成第一工质；第一工质自重整室的出口流经集成换热器，经换热后，流入阳极反应流道；第二工质经集成换热器换热后流入所述阴极反应流道。本发明采用外部环境中空气和系统内燃烧室产生尾气的混合气作为热管理介质，简化了系统的热管理部件，提升了系统的启动速度和比功率。技术研发人员：邓呈维,罗若尹,姬峰,高少杰,杜玮,刘勇受保护的技术使用者：上海空间电源研究所技术研发日：技术公布日：2025/1/6