[发明专利]一种燃料电池高温尾气中水回用方法

说明书

本发明提供了一种燃料电池高温尾气中水回用方法，并将其循环用作重整反应器原料的方法。核心创新是在高温尾气排出系统之前，通过压力调节装置调整尾气流经冷凝腔内的压力，同时选用适宜的冷却解质通过换热的方式降低尾气的温度，部分水冷凝后再借助上述通道与剩余尾气分离、最后回用给重整反应器。整个过程回收循环利用的水替代了系统原先所需补充的水，降低了系统原料的携带量，实现了燃料电池系统的质量功率密度的提高。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种具有尾气处理系统的高温燃料电池系统。

背景技术

高温燃料电池是将化学能直接转化为电能的电池系统。电池系统包括燃料预处理的重整反应器、电池电堆、燃烧器及热管理系统。非气相燃料的高温质子交换膜燃料电池(如甲烷、甲醇、乙醇等)系统中重整反应器以水作为反应物来制取氢气。制得的氢又在电池电堆阳极发生氧化反应生成质子和电子，质子通过质子交换膜在阴极与氧气发生还原反应生成水，通常情况这部分水程气态会随尾气排出系统。然而对于燃料电池而言系统效率、功率密度等是燃料电池应用中的重要限制。水作为重整反应器的原料在燃料电池运行时需要持续不断的补充，但又连续的随尾气排出系统，这会导致总燃料利用率很低。燃料电池系统在追求高效率、高功率密度、高能量密度应用时存在瓶颈。因此考虑回收尾气中原本要排掉的水，循环利用这部分水，可以显著提高燃料电池系统质量功率密度。

发明内容

本发明提供了一种回收高温燃料电池系统外排尾气中水，并将其循环用作重整反应器原料的方法。核心创新是在高温尾气排出系统之前，通过压力调节装置调整尾气流经冷凝腔内的压力，同时选用适宜的冷却解质通过换热的方式降低尾气的温度，部分水冷凝后再借助上述通道与剩余尾气分离、最后回用给重整反应器。整个过程回收循环利用的水替代了系统原先所需补充的水，降低了系统原料的携带量，实现了燃料电池系统的质量功率密度的提高。

具体发明内容如下：

一种燃料电池高温尾气中水回用方法，采用的装置包括一气体压缩机、中空密闭的冷凝腔、背压阀，气体压缩机的进气口与燃料电池高温尾气出口相连，气体压缩机的压缩气出口与冷凝腔一端的气体进口相连，于冷凝腔另一端设有气体出口，于气体出口处设有背压阀；于冷凝腔设有温度传感器与背压阀做连锁控制；于冷凝腔外壁面上设有冷却介质夹套或缠绕有冷却介质流通管，冷却介质夹套或缠绕有冷却介质流通管两端分别与冷却介质储槽相连；于冷凝腔底部设有与冷凝腔内部相连通的水出口管，于冷凝腔下方设有一溢流槽，水出口管的下端伸入至作为液封的溢流槽内的液面以下，由溢流槽溢流出的水经管路流入燃料电池燃料重整反应器的燃料罐中；

具体过程为：燃料电池系统的高温尾气首先通过气体压缩机增压后进入冷凝腔中，伴随尾气穿过降温通道的过程，部分水被冷凝，冷凝下来的水经水出口管回到重整反应器原料罐；剩余尾气再经过后端压力调节装置(背压阀)后，排出系统放空。

温度传感器与背压阀做联锁控制是指：通过温度传感器输出的信号控制背压阀开度，进而调节冷凝腔内的压力。

所述气体压缩机、背压阀主要用作调节冷凝腔内部压力1.1～2.2atm之间。

所述冷凝腔采用间壁式换热形式为高温尾气降温，冷却介质满足不同温度、压力、换热量等条件下对传热速率要求，可选用甲醇、三甘醇、乙二醇水溶液、氢氟烃类HFCs中的一种或二种以上，控制冷凝腔出口的温度在25～90℃之间。

所述实现尾气中水的部分冷凝主要通过调整降温通道内的压力改变尾气的气液相平衡数据，再通过换热过程降低该降温通道内尾气温度低于当前压力下的露点温度，即可实现水的部分冷凝。

所述燃料电池高温尾气为燃料电池阴极尾气、为燃料电池燃料重整反应器供热的燃烧器出口尾气中的一种或二种以上。

本发明具有如下有益效果：