[发明专利]一种高温燃料电池系统

说明书

一种高温燃料电池系统，包括燃料供应单元、一次处理单元、二次处理单元、空气供应单元；所述燃料供应单元包括燃料存储装置和燃料管路；所述燃料一次处理单元为具有高压电极和接地电极的等离子体反应器，具有燃料、空气、水混合物进口和一级产物出口，用于将燃料转化成氢气、一氧化碳和低碳烃类等的混合气；将燃料一次处理单元中的处理产物进一步处理，以提高产物中氢气浓度并降低产物中一氧化碳的浓度；所述燃料电池反应单元具有阳极燃料进口和阳极尾气出口，以及阴极空气进口和出口的高温燃料电池电堆；空气供应单元分别与燃料电池反应单元的阴极入口和燃料一次处理单元相连通，为燃料电池反应单元和燃料处理单元提供空气。

技术领域

本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种降低反应气中低碳烃类(C1-C2)浓度和一氧化碳浓度，同时提高氢气浓度的燃料电池系统，同时还涉及燃料电池系统中各单元之间的热耦合。

背景技术

燃料电池因其能量转换效率高、环境友好等特点，被公认为是21世纪最具发展潜力的清洁能源转化技术，也被视为替代传统内燃机的最佳选择之一，在固定电站、交通运输和便携式电源等领域具有广阔的应用前景。氢源问题限制着燃料电池的广泛应用，解决氢源问题的手段有重整制氢和储氢，重整制氢分为传统的催化重整制氢和等离子体重整制氢。

等离子体是由大量正负电荷数目近似相等的带电粒子组成的非凝聚系统，其包括电子、正离子、负离子、自由基和中性粒子。等离子体主要分为热等离子体和非热等离子体。非热电弧具有电子数密度高，活性粒子选择性好等优点，适用于燃料的重整。但是等离子体重整产物选择性差，即产物中含有大量烷烃和一氧化碳等，反应气的组成并不适用于燃料电池，等离子体重整之后产生的合成气可以经过蒸汽重整催化剂，烷烃发生蒸汽重整反应，提高氢气成分，产生的反应气进一步进入水汽变换反应器，一氧化碳发生水气变换反应，一氧化碳浓度降低，氢气浓度进一步升高。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种蒸汽重整降低低碳烃类(C1-C2)浓度，水气变换反应降低一氧化碳浓度的装置，水气变换产物可以直接进入高温质子交换膜燃料电池的阳极。

一种高温燃料电池系统，包括燃料供应单元、一次处理单元、二次处理单元、空气供应单元；

所述燃料供应单元包括燃料存储装置和燃料管路；

所述燃料一次处理单元为具有高压电极和接地电极的等离子体反应器，具有燃料、空气、水混合物进口和一级产物出口，用于将燃料转化成氢气、一氧化碳和低碳烃类化合物的混合气；

所述燃料二次处理单元为重整反应器和水气变换反应器，用于将燃料一次处理单元中的处理产物进一步处理，以提高产物中氢气浓度并降低产物中一氧化碳的浓度；

所述燃料电池反应单元具有阳极燃料进口和阳极尾气出口，以及阴极空气进口和出口的高温燃料电池电堆；

空气供应单元分别与燃料电池反应单元的阴极入口和燃料一次处理单元相连通，为燃料电池反应单元和燃料一次处理单元提供空气。

所述系统还包括一催化燃烧室，所述催化燃烧室用于将燃料电池反应单元阳极尾气出口气体进行燃烧，所述催化燃烧室具有一与空气供应单元相连通的进口。

所述系统中还包括一与催化燃烧室贴接的水气化腔，用于将燃烧反应放出的热量提供给水气化反应。

所述燃料供应单元与燃料一次处理单元间设置有燃料气化腔，所述燃料气化腔与水气变换反应室相贴接，用于将水气变换反应放出的热量提供给燃料气化腔。

所述进入燃料燃烧室的空气与燃料反应单元阳极尾气的体积比为30:1-5:1。

所述燃料燃烧室内部设置有催化燃烧的分布器，分布器为一个带通孔的三棱柱结构，混合气在分布器上分布均匀后进入催化燃烧室，混合气中的氢气和氧气在催化剂表面发生催化燃烧，燃烧尾气汇聚后从尾气出口离开。