一种高效余热回收燃料电池用燃料处理器及使用方法

1.本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种高效余热回收燃料电池用燃料处理器及使用方法。


背景技术：

2.在燃料电池中燃料氢气被消耗，将其化学能转变为电能。燃料电池系统对外放电就需要消耗燃料氢气。高温质子交换膜燃料电池系统的燃料供给是由燃料处理器提供的，燃料处理器是一种将便携的液体燃料转换为氢气的反应器。通常燃料处理器是由重整反应器、液体燃料蒸发换热器、供热的燃烧器等几个组件构成。上述独立的组件堆列在一起体积过大，因此合理优化设计从而减小燃料处理器的体积对燃料电池系统集成过程尤为重要，进而可以提高燃料电池系统的功率密度。
3.燃料处理器的重要组件重整器内部具有重整制氢催化剂，想要维持组件重整器高性能的关键在于控制催化床层的温度均匀适宜。依靠燃烧器供热来维持催化床层的温度，通常为间壁式换热过程，这就需要燃烧器靠近重整器，但是二者的距离过近又会导致因燃烧器的高温造成催化剂烧结损坏，严重影响重整器的性能。因此开发紧凑一体化的燃料处理器不仅可以缩小体积，同时通过合理布置各个组件的相对位置也有利于控制催化床层的温度稳定均匀，维持重整器的高性能。
4.在燃料处理器运行的过程中，一般情况燃烧器所提供的热量会有一定的裕量，回收多余的热量可以提高燃料电池的燃料效率。对于燃料电池系统从启动到稳定运行再到停机的全过程，能量的利用是全局系统设计的结果。燃料电池系统中的能量包括化学能、热能、电能。回收多余热量的方法通常是预热液体燃料、预热电堆、预热电堆阴极空气等，若还可以将多余的热量回收并转化为电能供给燃料电池系统辅助部件作为用电消耗。这样就可以减少启动阶段辅助电源的使用，为燃料电池系统减重、缩小体积，提高燃料效率的同时也可以提高燃料电池系统的功率密度。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明的目的在于提供一种高效余热回收燃料电池用燃料处理器及使用方法，以减少启动阶段辅助电源的使用，实现燃料电池系统减重、缩小体积的目的，提高燃料效率的同时也可以提高燃料电池系统的功率密度。
6.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
7.本发明一实施例提供一种高效余热回收燃料电池用燃料处理器，包括组件燃料处理器外壳及设置于组件燃料处理器外壳内且依次连接的组件燃烧器、组件二级蒸发器、组件重整器及组件一级蒸发器，其中组件重整器用于将醇类燃料通过催化重整反应转化为氢气；组件一级蒸发器用于使液体醇类燃料转化为蒸汽醇类燃料；组件二级蒸发器用于提升组件一级蒸发器产出的蒸汽醇类燃料温度；组件燃烧器为组件重整器、组件一级蒸发器及组件二级蒸发器提供热能。
8.所述组件燃烧器包括燃烧器外壁及设置于燃烧器外壁内的燃烧室、燃烧燃料流道、空气均分结构、组件电加热器及尾气流道，其中空气均分结构、燃烧燃料流道及组件电加热器由内到外依次同轴设置且连接在燃烧室的前端，燃烧室的后端设有尾气流道，燃烧器外壁上设有与燃烧燃料流道连通的燃烧燃料进口；
9.所述组件二级蒸发器、组件重整器及组件一级蒸发器由前向后依次套设于尾气流道的外侧。
10.所述组件重整器包括套设于所述尾气流道的外侧的催化床层，催化床层的内外侧均设有组件热电转换器，组件热电转换器用于使热能转化为电能。
11.所述催化床层包括外圆周璧、内圆周璧、前分配璧、后分配璧及多个中间分配璧，其中外圆周璧和内圆周璧同轴设置形成用于填充催化剂的环形腔体，环形腔体的前后端分别设有前分配璧和后分配璧，环形腔体的内部通过多个等间距设置的中间分配璧依次间隔；外圆周璧上设有氢气出口。
12.所述前分配璧、后分配璧及中间分配璧均为开筛孔的环形薄金属璧，且相邻两个分配璧上的开筛孔的位置错开。
13.所述组件热电转换器与燃料电池系统辅助部件电控板通过带有绝缘层的金属导线相连。
14.所述组件一级蒸发器包括环形结构的一级蒸发室及设置于一级蒸发室上的液体燃料入口和一级蒸汽出口；
15.所述组件二级蒸发器包括环形结构的二级蒸发室及设置于二级蒸发室上的二级蒸汽入口和二级蒸汽出口；
16.其中，一级蒸汽出口通过设置于所述组件重整器与所述组件燃料处理器外壳之间的燃料蒸汽流道与二级蒸汽入口连通；二级蒸汽出口与所述组件重整器连通。
17.所述组件燃料处理器外壳为一段金属空心管，且后端设有底板。
18.本发明另一实施例提供一种使用所述的高效余热回收燃料电池用燃料处理器的方法，所述使用方法包括以下步骤：
19.醇类液体燃料进入组件一级蒸发器内蒸发，醇类液体燃料蒸发所需热量由组件燃烧器的燃烧尾气提供；
20.通过组件一级蒸发器蒸发后的一级蒸汽沿燃料蒸汽流道进入二级蒸发室内，升温变成二级蒸汽，二级蒸汽升温所需热量由组件燃烧器的燃烧尾气提供；
21.二级蒸汽随后进入组件重整器内，在组件重整器内部完成催化重整制氢过程，重整制氢过程消耗热量以及维持催化床层温度消耗的热量均由组件燃烧器的燃烧尾气提供。
22.通过设置于所述催化床层内外侧的热电转换器将燃烧尾气提供的多余热量部分转换为电能，且供燃料电池系统辅助部件使用。
23.本发明具有如下优点及有益效果：
24.本发明提供的一种高效余热回收燃料电池用燃料处理器，使用组件二级蒸发器、组件热电转换器，组件二级蒸发器有效的避免组件重整器催化剂过热烧结损坏，又能避免组件重整器的催化床层因反应物温度过低导致的温度不均；组件热电转换器可以有效的将多余的热能转换为电能供燃料电池系统辅助部件使用，减少燃料电池系统辅助电源的装配量，同时因及时的将过剩的热量转化为电能，有效的防止组件重整器催化床层超温。
附图说明
25.图1为本发明一种高效余热回收燃料电池用燃料处理器的结构示意图；
26.图2为本发明一种高效余热回收燃料电池用燃料处理器的轴测图；
27.图3为本发明的组件重整器中催化床层的结构示意图；
28.图4为本发明的组件重整器中催化床层与组件热电转换器相对布置的结构示意图；
29.图5为本发明的组件燃烧器的结构示意图；
30.图6为本发明的组件二级蒸发器与组件一级蒸发器的连接示意图；
31.图中：1为燃料处理器，2为组件重整器，3为组件燃烧器，4为组件二级蒸发器，5为组件一级蒸发器，6为组件燃料处理器外壳，7为底板，8为组件热电转换器，9为前分配璧，10为中间第一分配璧，11为中间第二分配璧，12为后分配璧,13为外圆周璧，14为内圆周璧，15为催化床层，16为尾气流道，17为燃烧室，18为燃烧燃料流道，19为空气均分结构，20为组件电加热器，21为燃烧器外壁，22为氢气出口，23为液体燃料入口，24为空气入口，25为一级蒸汽出口，26为燃料蒸汽流道，27为二级蒸汽入口，28为二级蒸汽出口，29为一级蒸发室，30为二级蒸发室，31为燃烧燃料进口。
具体实施方式
32.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
33.如图1-2所示，本发明一实施例提供一种高效余热回收燃料电池用燃料处理器，包括组件燃料处理器外壳6及设置于组件燃料处理器外壳6内且依次连接的组件燃烧器3、组件二级蒸发器4、组件重整器2及组件一级蒸发器5，其中组件重整器2用于将碳氢比小的醇类燃料通过催化重整反应转化为氢气；组件一级蒸发器5用于使液体醇类燃料转化为蒸汽醇类燃料；组件二级蒸发器4用于提升组件一级蒸发器5产出的蒸汽醇类燃料温度；组件燃烧器3为组件重整器2、组件一级蒸发器5及组件二级蒸发器4提供热能。
34.如图5所示，本发明的实施例中，组件燃烧器3包括燃烧器外壁21及设置于燃烧器外壁21内的燃烧室17、燃烧燃料流道18、空气均分结构19、组件电加热器20及尾气流道16，其中空气均分结构19、燃烧燃料流道18及组件电加热器20由内到外依次同轴设置且连接在燃烧室17的前端，燃烧室17的后端设有尾气流道16。燃烧器外壁21上设有与燃烧燃料流道18连通的燃烧燃料进口31，燃烧燃料进口31穿过组件燃料处理器外壳6露于外侧，空气均分结构19的前端设有空气入口24。组件电加热器20用于消耗电能发热。
35.具体地，组件燃烧器3位于燃料处理器1的最前端，组件燃烧器3的尾气流道16沿燃料处理器中心轴纵向依次贯穿组件二级蒸发器4、组件重整器2、组件一级蒸发器5。也就是说，组件二级蒸发器4、组件重整器2及组件一级蒸发器5均为环形管结构，且由前向后依次套设于尾气流道16的外侧。
36.燃料处理器1启动阶段，醇类液体燃料进入组件燃烧器3的燃烧燃料进口31，流经燃烧燃料流道18时被组件电加热器20加热汽化，成为燃烧燃料；空气通过空气入口24进入空气均分结构19，且在燃烧室17与燃烧燃料充分混合燃烧，燃烧尾气再经由尾气流道16排出燃料处理器。
37.如图3-4所示，本发明的实施例中，组件重整器2包括套设于尾气流道16的外侧的催化床层15，催化床层15的内外侧均设有组件热电转换器8，组件热电转换器8用于使热能转化为电能。进一步地，组件热电转换器8是一种单层薄层结构，组件热电转换器8与燃料电池系统辅助部件电控板通过带有绝缘层的金属导线相连。
38.具体地，催化床层15包括外圆周璧13、内圆周璧14、前分配璧9、后分配璧12及多个中间分配璧，其中外圆周璧13和内圆周璧14同轴设置形成用于填充催化剂的环形腔体，环形腔体的前后端分别设有前分配璧9和后分配璧12，环形腔体的内部通过多个等间距设置的中间分配璧依次间隔；外圆周璧13上设有氢气出口22。
39.进一步地，前分配璧9、后分配璧12及中间分配璧均为开筛孔的环形薄金属璧，且相邻两个分配璧上的开筛孔的位置错开。本实施例中，前分配璧9和后分配璧12之间等间距设有中间第一分配璧10和中间第二分配璧11，前分配璧9、中间第二分配璧11开筛孔的位置相同；中间第一分配璧10、后分配璧12开筛孔的位置相同，目的是使开孔位置错开、防止内部流体流动过程出现“短路”或“沟流”。
40.如图6所示，本发明的实施例中，组件一级蒸发器5包括环形结构的一级蒸发室29及设置于一级蒸发室29上的液体燃料入口23和一级蒸汽出口25；组件二级蒸发器4包括环形结构的二级蒸发室30及设置于二级蒸发室30上的二级蒸汽入口27和二级蒸汽出口28；其中，一级蒸汽出口25通过设置于组件重整器2与组件燃料处理器外壳6之间的燃料蒸汽流道26与二级蒸汽入口27连通；二级蒸汽出口28与组件重整器2连通。醇类液体燃料通过液体燃料入口23进入组件一级蒸发器5，在一级蒸发室29完成液体汽化过程，产生一级蒸汽，经由一级蒸汽出口25流出，顺着燃料蒸汽流道26进入二级蒸汽入口27，进入组件二级蒸发器4，在二级蒸发室30内燃料蒸汽升温，再由二级蒸汽出口28流出经过组件重整器2的前分配璧9进入组件重整器2。
41.本发明的实施例中，组件燃料处理器外壳6为一段金属空心管，且后端设有与一级蒸发器5的后端相接的底板7。金属空心管上设置有供液体燃料入口23穿过的开孔，供组件重整器2的氢气出口22穿出的开孔，供组件燃烧器3、组件二级蒸发器4、组件重整器2、组件一级蒸发器5装配集成的定位结构槽设计。底板7上设置有供尾气通道16穿过的开孔，供组件热电转化器8的带绝缘层金属导线穿出的开孔，供一级蒸发器5、尾气通道16装配集成的定位结构槽设计。使用带有底板7的组件燃料处理器外壳6套在各个已装配好的组件外围，构成燃料处理器的整体。即各组件之间沿燃料处理器中心轴纵向的相对位置通过组件燃料处理器外壳6上的定位结构固定。
42.具体地，组件燃烧器3在燃料处理器1启动阶段燃烧燃料为醇类液体燃料；在组件燃烧器3运行阶段，燃烧燃料为燃料电池系统电堆未消耗完的氢气。燃烧尾气是在组件燃烧器3内燃烧燃料与空气燃烧后的排出组件燃烧器3的全部气体，温度范围是300～900℃。组件二级蒸发器4位于组件燃烧器3的燃烧室17与组件重整器的前分配璧9之间，在组件二级蒸发器4内升温的燃料蒸汽是二级蒸汽，其温度范围150～320℃。组件热电转换器8在燃料处理器启动阶段、燃料处理器稳定运行阶段都可以将组件燃烧器3提供多余的热量转化为电能，防止组件重整器催化床层温度超温，同时将电能供给燃料电池辅助部件使用。
43.本发明一实施例提供一种高效余热回收燃料电池用燃料处理器，是将燃料处理器1的组件重整器2、蒸发器、组件燃烧器3设计成为一个体积小、结构紧凑的统一整体，并且这
种一体化燃料处理器中任意组件还可以实现原位更换。在本发明中为燃料处理器1增加设计组件二级蒸发器，其功能一方面是将蒸发后的燃料蒸汽温度进一步提升，让其更接近重整器催化床层的温度，避免发生重整器催化床层因反应物进口处温度骤降导致的性能下降；另一方面，组件二级蒸发器4位于组件燃烧器3与组件重整器2之间，避免了组件重整器2内催化剂因贴近高温燃烧器导致烧结损坏，保护了重整催化剂，对维持重整器性能起到了重要作用。在本发明中使用组件热电转换器8回收组件燃烧器3提供的多余热量，将热量转换为电能供燃料电池系统辅助部件使用，减少燃料电池系统辅助电源的用量，对燃料电池系统提高功率密度，提高燃料效率有着重要作用。
44.本发明的另一实施例提供一种使用如上实施例中所述的高效余热回收燃料电池用燃料处理器的方法，该使用方法包括以下步骤：
45.醇类液体燃料进入组件一级蒸发器5内蒸发，醇类液体燃料蒸发所需热量由组件燃烧器3的燃烧尾气提供；
46.通过组件一级蒸发器5蒸发后的一级蒸汽沿燃料蒸汽流道26进入二级蒸发室30内，升温变成二级蒸汽，二级蒸汽升温所需热量由组件燃烧器3的燃烧尾气提供；
47.二级蒸汽随后进入组件重整器2内，在组件重整器2内部完成催化重整制氢过程，重整制氢过程消耗热量以及维持催化床层15温度消耗的热量均由组件燃烧器3的燃烧尾气提供。
48.通过设置于催化床层15内外侧的热电转换器8将燃烧尾气提供的多余热量部分转换为电能，且供燃料电池系统辅助部件使用。
49.具体地，燃料处理器1启动时，使用组件电加热器20蒸发燃烧燃料，并预热组件燃烧器3的燃烧室17，组件电加热器20布置在组件燃烧器3外壁一周，布置区域与燃烧燃料流道18的长度相同。此时组件电加热器20用电来自燃料电池系统的辅助电源，当达到启动燃烧所需的预热温度条件后，燃烧燃料与空气在燃烧室17内燃烧，控制燃烧室温度范围700～900℃。高温燃烧尾气通过尾气流道16排出燃料处理器1，过程中高温燃烧尾气将热量通传递给组件二级蒸发器4、组件重整器2、组件热电转换器8、组件一级蒸发器5。
50.当完成了启动燃烧后，控制组件热电转换器8将组件燃烧器3释放的部分热量转换为电能，供燃料电池辅助部件使用，这一过程降低启动阶段辅助电源为燃料电池辅助部件供电的10％～15％，燃料电池系统实现了辅助电源减配，有助于燃料电池比功率的提高，也提高了燃料效率。
51.燃料处理器完成启动过程，稳定运行时重整器催化床层发生重整制氢反应，控制重整器催化床层温度范围240～280℃。醇类液体燃料连续通入组件一级蒸发器5，检测到汽化后的一级蒸汽温度为130～150℃，再通过燃料蒸汽流道26进入组件二级蒸发器4，检测到升温后的二级蒸汽温度范围为220～270℃，因为有组件二级蒸发器4将组件重整器2与组件重整器23间隔开，避免了重整器内催化剂因高温烧结损坏，同时进入重整器的蒸汽燃料温度与重整催化床层温度接近，避免催化床层出现温度梯度。
52.当燃烧尾气温度过高时，尾气携带的热量大于组件重整器2所需，重整器催化床层的升温速率提高，控制组件热电转换器8，将多出的这部分热转化为电能，当重整器催化床层温度又稳定在适宜的范围内，控制组件热电转换器8停止对外放电。有了这一组件的设计，也可以避免重整器催化剂床层高温导致催化剂损坏。余热回收所转化的电能又可以供
燃料电池系统辅助部件使用，计算燃料处理器稳定运行阶段的燃料效率提高了1～5％。
53.本发明提供的一种高效余热回收燃料电池用燃料处理器，使用组件二级蒸发器4、组件热电转换器8，组件二级蒸发器4有效的避免组件重整器催化剂过热烧结损坏，又能避免组件重整器的催化床层因反应物温度过低导致的温度不均；组件热电转换器8可以有效的将多余的热能转换为电能供燃料电池系统辅助部件使用，减少燃料电池系统辅助电源的装配量，同时因及时的将过剩的热量转化为电能，有效的防止组件重整器催化床层超温。
54.以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。