一种重整高温燃料电池系统及其启动方法与流程

本发明属于高温燃料电池系统领域，具体涉及一种分段快速启动燃料重整高温燃料电池系统及其启动方法。

技术背景

对于高温燃料电池系统，启动时间过长一直是需要解决的关键问题，其中升温阶段的主要时间在于将燃料重整器和电堆同时加热至工作温度。当前高温燃料电池系统的启动顺序为，通过电加热和催化燃烧分别将系统中电堆和燃料重整器同时加热到工作温度。由于电堆需在达到工作温度点之前小电流放电，因此需要将燃料重整器先加热至实际工作温度。然而小电流放电时并不需要过多的h2进料，即燃料重整器并不需要全功率产h2。将整体燃料重整器加热至工作温度势必会造成燃料和电量的浪费。

技术实现要素：

考虑到传统升温策略将所有部件均达到额定工作温度后才正常放电的时间较长，因此选择将燃料重整器拆分成多个，分别加热，且启动阶段电堆并不是额定功率放电，又因为电堆从低功率放电至额定功率时，同样产生热量，因此本发明考虑将热容较大的燃料重整器分段升温，保证供料满足启动阶段的电堆所需h2即可，再利用电堆阳极尾气过剩的h2和电堆热循环介质(空气或导热油等)为剩余燃料重整器提供热量。由于电堆的工作温度和燃料重整器的工作温度相差约100℃，部分热量较大但温度较低，原本无法用于重整反应的热量吸收，因此在系统工作中电堆发热的热量并不能直接提供给燃料重整器使用；但在该启动策略下，将电堆热量提供给未升温的燃料重整器升温使用，大大提高了系统能量的利用效率，也实现了系统的快速启动。

本发明涉及一种分段快速启动燃料重整高温燃料电池系统的启动方法，其核心思想是将燃料重整器分段升温。由于高温燃料电池系统中电堆在低于额定温度时无法额定功率放电，因此考虑将燃料重整器也不全部升温加热，用于缩短电池系统的启动时间。而在等待电堆升温至额定温度的过程中，利用电堆散热介质和电堆阳极尾气进行催化燃烧为另一部分燃料重整器升温加热。

具体采用以下技术方案：

本发明一方面提供一种重整高温燃料电池系统的启动方法，所述启动方法为：将燃料重整器分段升温，燃料重整器包括重整器i和重整器ii；所述的分段升温为将重整器i加热升温后，利用电堆尾气的热量将重整器ii升温。

基于以上技术方案，优选的，启动电堆和重整器i，使用燃烧器(1)和电加热为系统提供热量；当重整器i达到工作温度，电堆达到低功率运行温度时，开启重整器i的燃料泵使系统低功率工作，此时为电堆提供散热的循环介质与重整器ii进行热交换；同时使电堆阳极尾气在燃烧器ii中进行催化燃烧，并为重整器ii提供热量，当重整器ii温度和电堆温度一致时，关闭进入重整器ii的电堆散热介质通道，只保留电堆阳极尾气催化燃烧继续为重整器ii提供热量来源。当电堆温度和重整器ii都达到各自额定工作温度时，打开阀门i并打开重整器ii的燃料泵为电堆提供h2来源，同时系统额定功率输出。

本发明另一方面提供一种重整高温燃料电池系统，所述系统包括重整器i、重整器ii、换热器和电堆；重整器i包括燃烧器i，重整器ii包括燃烧器ii。

基于以上技术方案，优选的，所述系统还包括阀门i和阀门ii，通过阀门控制电堆尾气进入重整器；所述重整器i由阀门i控制；所述重整器ii由阀门ii控制。

有益效果

在原有启动方法中，将一套1kw高温电池系统室温(25℃)加热至工作温度并额定功率放电所需的时间约为30分钟，耗电约为2kw·h。经该方法启动启动后，升温时间缩减至20～22分钟，耗电约为1.4kw·h。大大缩短了启动时间和耗电量。

通过采用分段升温，将电堆热量提供给未升温的燃料重整器升温使用，大大提高了系统能量的利用效率，也实现了系统的快速启动。

附图说明

图1为本发明的高温燃料电池系统图。

图2为本发明启动顺序流程示意图。

具体实施方式

实施例1

一种重整高温燃料电池系统，包括重整器i、重整器ii、换热器和电堆；所述重整器i包括燃烧器i，所述重整器ii包括燃烧器ii；所述重整器i由阀门i控制；所述重整器ii由阀门ii控制。

实施例2

首先，正常启动电堆和重整器i，使用燃烧器i和电加热为系统提供热量。当重整器i达到工作温度，电堆达到低功率运行温度时，开启重整器i的燃料泵使系统低功率工作。此时为电堆提供散热的循环介质与重整器ii进行热交换；同时打开阀ii，使用电堆阳极尾气在燃烧器ii中进行催化燃烧，并为重整器ii提供热量。当重整器ii温度和电堆温度一致时，关闭进入重整器ii的电堆散热介质通道，只保留电堆阳极尾气催化燃烧继续为重整器ii提供热量来源。当电堆温度和重整器ii都达到各自额定工作温度时，打开阀i并打开重整器ii的燃料泵为电堆提供h2来源，同时系统额定功率输出。

技术特征：

1.一种重整高温燃料电池系统的启动方法，其特征在于，所述方法为：将燃料重整器分段升温，燃料重整器包括重整器i和重整器ii；所述的分段升温为将重整器i加热升温后，利用电堆尾气的热量将重整器ii升温。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，启动电堆和重整器i，使用燃烧器i和电加热为系统提供热量；当重整器i达到工作温度，电堆达到低功率运行温度时，开启重整器i的燃料泵使系统低功率工作，此时为电堆提供散热的循环介质与重整器ii进行热交换；同时将电堆阳极尾气通入燃烧器ii中进行催化燃烧，并为重整器ii提供热量，当重整器ii温度和电堆温度一致时，关闭进入重整器ii的电堆散热介质通道，保留电堆阳极尾气催化燃烧继续为重整器ii提供热量来源，当电堆温度和重整器ii都达到各自额定工作温度时，打开重整器ii的燃料泵为电堆提供h2来源，同时系统额定功率输出。

3.一种重整高温燃料电池系统，其特征在于，所述系统包括重整器i、重整器ii、换热器和电堆；重整器i包括燃烧器i，重整器ii包括燃烧器ii。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述系统还包括阀门i和阀门ii，通过阀门控制电堆尾气进入重整器；所述重整器i由阀门i控制；所述重整器ii由阀门ii控制。

技术总结
本发明提供一种分段快速启动燃料重整高温燃料电池系统及其启动方法，所述系统包括重整器I、重整器II、换热器和电堆；重整器I包括燃烧器I，重整器II包括燃烧器II。将燃料重整器分段升温，燃料重整器包括重整器I和重整器II；所述的分段升温为将重整器I加热升温后，利用电堆尾气的热量将重整器II升温。通过采用分段升温，将电堆热量提供给未升温的燃料重整器升温使用，大大提高了系统能量的利用效率，也实现了系统的快速启动。

技术研发人员：杨林林;高越;孙公权
受保护的技术使用者：中国科学院大连化学物理研究所
技术研发日：2018.11.14
技术公布日：2020.05.22