(12)發(fā)明專利專利權(quán)人中國華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司許世森李衛(wèi)東王保民楊冠軍黃華白發(fā)琪公司61200專利代理師安彥彥H01M8/0612(2016.01)H01M8/04119(2016.01)H01M8/04746(2016.01)H01M8審查員李媛一種直接利用甲醇重整氣的燃料電池系統(tǒng)本發(fā)明公開的一種直接利用甲醇重整氣的極尾氣與陰極進(jìn)氣混合，作為陰極原料循環(huán)利甲整13本8221.一種直接利用甲醇重整氣的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，包括甲醇重整反應(yīng)單元(1)、第一換熱單元(2)、第一氣液分離單元(3)、第二氣液分離單元(4)、催化燃燒單元(5)、第二換熱單元(6)、第三換熱單元(8)、燃料電池單元(9)和混氣裝置(10);甲醇重整反應(yīng)單元(1)的進(jìn)口連接有甲醇進(jìn)料管，甲醇重整反應(yīng)單元(1)的出口與第一換熱單元(2)的熱側(cè)進(jìn)口連接，第一換熱單元(2)的熱側(cè)出口與第一氣液分離單元(3)的進(jìn)口連接，第一氣液分離單元(3)的氣相出口與第二換熱單元(6)的冷側(cè)進(jìn)口連接，第二換熱單元(6)的冷側(cè)出口與燃料電池單元(9)的陽極燃料進(jìn)料口連接，燃料電池單元(9)的陽極尾氣出口與催化燃燒單元(5)的進(jìn)口連接，催化燃燒單元(5)的進(jìn)口還連接有0?進(jìn)氣管，催化燃燒單元(5)的出口與第二換熱單元(6)的熱側(cè)進(jìn)口連接，第二換熱單元(6)的熱側(cè)出口與第二氣液分離單元(4)的進(jìn)口連接，第二氣液分離單元(4)的氣相出口與混氣裝置(10)的進(jìn)口連接，混氣裝置(10)的進(jìn)口還連接有空氣進(jìn)氣管和CO?進(jìn)氣管，混氣裝置(10)的出口與第三換熱單元(8)的冷側(cè)進(jìn)口連接，第三換熱單元(8)的冷側(cè)出口與燃料電池單元(9)的陰極燃料進(jìn)料口連接，燃料電池單元(9)的陰極尾氣出口與第三換熱單元(8)的熱側(cè)進(jìn)口連接，第三換熱單元(8)的熱側(cè)出口連接有陰極尾氣排出管；第一氣液分離單元(3)和第二氣液分離單元(4)的液相出口均連接有冷凝水排出管；所述第一氣液分離單元(3)和第二氣液分離單元(4)的冷凝水出口均分別與第一換熱單元(2)的冷側(cè)入口連接；所述第一氣液分離單元(3)和第二氣液分離單元(4)的冷凝水出口與第一換熱單元(2)的冷側(cè)入口之間的連接管路上均分別設(shè)有流量檢測及控制裝置，流量檢測及控制裝置連接系統(tǒng)的控制單元；所述第一換熱單元(2)為氣-液型換熱器，第二換熱單元(6)和第三換熱單元(8)為氣-氣型換熱器。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接利用甲醇重整氣的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，第二換熱單元(6)的冷側(cè)出口與燃料電池單元(9)的陽極燃料進(jìn)料口之間的連接管路上設(shè)有陽極氣體流量檢測及控制裝置(12),第三換熱單元(8)的冷側(cè)出口與燃料電池單元(9)的陰極燃料進(jìn)料口之間的連接管路上設(shè)有陰極氣體流量檢測及控制裝置(13),空氣進(jìn)氣管上設(shè)有空氣流量檢測及控制裝置(14),CO?進(jìn)氣管上設(shè)有CO?流量檢測及控制裝置(15),第二氣液分離單元(4)的氣相出口與混氣裝置(10)的進(jìn)口之間的連接管路上設(shè)有陽極尾氣流量檢測及控制裝置(16);陽極氣體流量檢測及控制裝置(12)、陰極氣體流量檢測及控制裝置(13)、空氣流量檢測及控制裝置(14)、CO?流量檢測及控制裝置(15)和陽極尾氣流量檢測及控制裝置(16)均分別與系統(tǒng)的控制單元連接。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接利用甲醇重整氣的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，第二氣液分離單元(4)的氣相出口與混氣裝置(10)的進(jìn)口之間的連接管路上設(shè)有壓縮單元(7)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的直接利用甲醇重整氣的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，壓縮單元(7)進(jìn)口前設(shè)有除沫裝置。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接利用甲醇重整氣的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，甲醇重整反應(yīng)單元(1)的出口與第一換熱單元(2)的熱側(cè)進(jìn)口之間的連接管路上設(shè)有溫度檢測裝置，溫度檢測裝置與系統(tǒng)的控制單元連接。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接利用甲醇重整氣的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，混氣裝置3(10)內(nèi)的壁面為圓滑曲面，混氣裝置(10)內(nèi)設(shè)有擾流部件。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接利用甲醇重整氣的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于，第二換熱單元(6)與第二氣液分離單元(4)之間設(shè)有第一余熱換熱器，陰極尾氣排出管上設(shè)有第二余熱換熱器，第一余熱換熱器和第二余熱換熱器均用于加熱外部介質(zhì)。8.根據(jù)權(quán)利要求1~7任意一項所述的直接利用甲醇重整氣的燃料電池系統(tǒng)的工作方甲醇重整反應(yīng)單元(1)發(fā)生甲醇重整反應(yīng)，生成的混合氣體進(jìn)入第一換熱單元(2)換熱冷凝后，進(jìn)入第一氣液分離單元(3)中除去水分，得到含有氫氣和二氧化碳的低溫混合氣體；低溫混合氣體在第二換熱單元(6)中換熱升溫后進(jìn)入燃料電池單元(9)的陽極燃料進(jìn)料口，陽極尾氣進(jìn)入催化燃燒單元(5)除去未反應(yīng)的H?后進(jìn)入第二換熱單元(6)換熱冷凝后在第二氣液分離單元(4)中除去水分，剩余氣體進(jìn)入混氣裝置(10),與空氣和CO?混合，在第三換熱單元(8)換熱升溫后進(jìn)入燃料電池單元(9)的陰極燃料進(jìn)料口，陰極尾氣進(jìn)入第三換熱單元(8)換熱降溫后由陰極尾氣排出管排出。4一種直接利用甲醇重整氣的燃料電池系統(tǒng)及其工作方法技術(shù)領(lǐng)域[0001]本發(fā)明屬于燃料電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種直接利用甲醇重整氣的燃料電池系統(tǒng)及其工作方法。背景技術(shù)[0002]熔融碳酸鹽燃料電池是一種工作于650°C的高溫燃料電池，采用富氫氣體作為原[0003]目前，以氫氣、天然氣、合成氣為原料的熔融碳酸鹽燃料電池發(fā)電系統(tǒng)成本相對偏高，而甲醇重整制氫是一種成本較低、清潔高效的制氫方式，將其與熔融碳酸鹽燃料電池結(jié)合，將甲醇重整制得的氫氣通入燃料電池陽極，實現(xiàn)用甲醇為原料的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，可降低發(fā)電成本。但是，傳統(tǒng)甲醇重整制氫裝置要配備氣體分離裝置來提純甲醇重整氣中的發(fā)明內(nèi)容[0004]為了解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種直接利用甲醇重整氣的燃料電池系統(tǒng)及其工作方法，縮短了以甲醇為原料的熔融碳酸鹽燃料電池發(fā)電系統(tǒng)工藝流程，降低了熔融碳酸鹽燃料電池發(fā)電系統(tǒng)成本及發(fā)電成本，充分利用了燃料中的能量。[0005]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：[0006]本發(fā)明公開了一種直接利用甲醇重整氣的燃料電池系統(tǒng)，包括甲醇重整反應(yīng)單第三換熱單元、燃料電池單元和混氣裝置；[0007]甲醇重整反應(yīng)單元的進(jìn)口連接有甲醇進(jìn)料管，甲醇重整反應(yīng)單元的出口與第一換熱單元的熱側(cè)進(jìn)口連接，第一換熱單元的熱側(cè)出口與第一氣液分離單元的進(jìn)口連接，第一氣液分離單元的氣相出口與第二換熱單元的冷側(cè)進(jìn)口連接，第二換熱單元的冷側(cè)出口與燃料電池單元的陽極燃料進(jìn)料口連接，燃料電池單元的陽極尾氣出口與催化燃燒單元的進(jìn)口連接，催化燃燒單元的進(jìn)口還連接有0?進(jìn)氣管，催化燃燒單元的出口與第二換熱單元的熱側(cè)進(jìn)口連接，第二換熱單元的熱側(cè)出口與第二氣液分離單元的進(jìn)口連接，第二氣液分離單元的氣相出口與混氣裝置的進(jìn)口連接，混氣裝置的進(jìn)口還連接有空氣進(jìn)氣管和CO?進(jìn)氣管，混氣裝置的出口與第三換熱單元的冷側(cè)進(jìn)口連接，第三換熱單元的冷側(cè)出口與燃料電池單元的陰極燃料進(jìn)料口連接，燃料電池單元的陰極尾氣出口與第三換熱單元的熱側(cè)進(jìn)口連接，第三換熱單元的熱側(cè)出口連接有陰極尾氣排出管；第一氣液分離單元和第二氣液分離單元的液相出口均連接有冷凝水排出管。[0008]優(yōu)選地，第二換熱單元的冷側(cè)出口與燃料電池單元的陽極燃料進(jìn)料口之間的連接管路上設(shè)有陽極氣體流量檢測及控制裝置，第三換熱單元的冷側(cè)出口與燃料電池單元的陰極燃料進(jìn)料口之間的連接管路上設(shè)有陰極氣體流量檢測及控制裝置，空氣進(jìn)氣管上設(shè)有空氣流量檢測及控制裝置，CO?進(jìn)氣管上設(shè)有CO?流量檢測及控制裝置，第二氣液分離單元的氣5相出口與混氣裝置的進(jìn)口之間的連接管路上設(shè)有陽極尾氣流量檢測及控制裝置；陽極氣體流量檢測及控制裝置、陰極氣體流量檢測及控制裝置、空氣流量檢測及控制裝置、CO?流量檢測及控制裝置和陽極尾氣流量檢測及控制裝置均分別與系統(tǒng)的控制單元連接。[0009]優(yōu)選地，第二氣液分離單元的氣相出口與混氣裝置的進(jìn)口之間的連接管路上設(shè)有壓縮單元。[0011]優(yōu)選地，第一換熱單元為氣-液型換熱器，第二換熱單元和第三換熱單元為氣-氣型換熱器。[0012]優(yōu)選地，第一氣液分離單元和第二氣液分離單元的冷凝水出口均分別與第一換熱單元的冷側(cè)入口連接。[0013]進(jìn)一步優(yōu)選地，甲醇重整反應(yīng)單元的出口與第一換熱單元的熱側(cè)進(jìn)口之間的連接管路上設(shè)有溫度檢測裝置，第一氣液分離單元和第二氣液分離單元的冷凝水出口與第一換熱單元的冷側(cè)入口之間的連接管路上均分別設(shè)有流量檢測及控制裝置，溫度檢測裝置和流量檢測及控制裝置均分別與系統(tǒng)的控制單元連接。[0015]優(yōu)選地，第二換熱單元與第二氣液分離單元之間設(shè)有第一余熱換熱器，陰極尾氣排出管上設(shè)有第二余熱換熱器，第一余熱換熱器和第二余熱換熱器均用于加熱外部介質(zhì)。[0016]本發(fā)明公開的上述直接利用甲醇重整氣的燃料電池系統(tǒng)的工作方法，其特征在[0017]甲醇重整反應(yīng)單元發(fā)生甲醇重整反應(yīng)，生成的混合氣體進(jìn)入第一換熱單元換熱冷凝后，進(jìn)入第一氣液分離單元中除去水分，得到含有氫氣和二氧化碳的低溫混合氣體；低溫混合氣體在第二換熱單元中換熱升溫后進(jìn)入燃料電池單元的陽極燃料進(jìn)料口，陽極尾氣進(jìn)入催化燃燒單元除去未反應(yīng)的H?后進(jìn)入第二換熱單元換熱冷凝后在第二氣液分離單元中除去水分，剩余氣體進(jìn)入混氣裝置，與空氣和CO?混合，在第三換熱單元換熱升溫后進(jìn)入燃料電池單元的陰極燃料進(jìn)料口，陰極尾氣進(jìn)入第三換熱單元換熱降溫后由陰極尾氣排出管[0019]本發(fā)明公開的一種直接利用甲醇重整氣的燃料電池系統(tǒng)，燃料電池單元所需的陽極燃料為富氫氣體，陰極燃料為二氧化碳和空氣，可以充分利用甲醇重整制氫工藝產(chǎn)生的氫氣和二氧化碳作為燃料，甲醇重整制氫工藝成本低；直接使用甲醇重整氣，只去除水蒸汽，不對其中的氫氣和二氧化碳做分離提純處理，工藝路線簡單。燃料電池陽極尾氣做催化燃燒處理，充分利用了陽極尾氣中未反應(yīng)的氫氣的熱量，提高發(fā)電電池系統(tǒng)熱效率；后續(xù)將經(jīng)過催化燃燒的陽極尾氣與陰極進(jìn)氣混合，作為陰極原料，重復(fù)利用。綜合利用了尾氣的余熱，提高了燃料電池發(fā)電系統(tǒng)綜合熱電效率，減少了系統(tǒng)能耗。[0020]進(jìn)一步地，通過在系統(tǒng)的關(guān)鍵部位設(shè)置流量檢測及控制裝置，能夠控制系統(tǒng)的關(guān)[0021]進(jìn)一步地，第二氣液分離單元的氣相出口與混氣裝置的進(jìn)口之間的連接管路上設(shè)有壓縮單元，能夠控制循環(huán)尾氣的速度及流量。[0022]更進(jìn)一步地，壓縮單元進(jìn)口前設(shè)有除沫裝置，防止未完全去除的水分影響壓縮單6元的正常運(yùn)行。[0023]進(jìn)一步地，第一換熱單元采用氣-液型換熱器，第二換熱單元和第三換熱單元采用氣-氣型換熱器，具有較高的換熱效率，提高余熱利用率。[0024]進(jìn)一步地，利用第一氣液分離單元和第二氣液分離單元的冷凝水對混合氣進(jìn)行降[0025]進(jìn)一步地，混氣裝置內(nèi)的壁面采用圓滑曲面，保證內(nèi)部氣體的均勻流動無死角，同時擾流部件能夠提高氣體的混合程度。[0026]進(jìn)一步地，設(shè)置第一余熱換熱器和第二余熱換熱器能夠再次將剩余熱量充分利[0027]本發(fā)明公開的上述直接利用甲醇重整氣的燃料電池系統(tǒng)的工作方法，工藝流程簡好的應(yīng)用前景。附圖說明[0028]圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖。[0029]圖中：1-甲醇重整反應(yīng)單元；2-第一換熱單元；3-第一氣液分離單元；4-第二氣液元；10-混氣裝置；11-甲醇儲罐；12-陽極氣體流量檢測及控制裝置；13-陰極氣體流量檢測及控制裝置；14-空氣流量檢測及控制裝置；15-CO?流量檢測及控制裝置；16-陽極尾氣流量檢測及控制裝置。具體實施方式[0030]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述，其內(nèi)容是對本發(fā)明的解釋而不是限[0031]如圖1,為本發(fā)明的直接利用甲醇重整氣的燃料電池系統(tǒng)，主要包括甲醇重整反應(yīng)單元1、第一換熱單元2、第一氣液分離單元3、第二氣液分離單元4熱單元6、第三換熱單元8、燃料電池單元9和混氣裝置10。[0032]甲醇重整反應(yīng)單元1的進(jìn)口連接有甲醇進(jìn)料管，甲醇重整反應(yīng)單元1的出口與第一換熱單元2的熱側(cè)進(jìn)口連接，第一換熱單元2的熱側(cè)出口與第一氣液分離單元3的進(jìn)口連接，第一氣液分離單元3的氣相出口與第二換熱單元6的冷側(cè)進(jìn)口連接，第二換熱單元6的冷側(cè)出口與燃料電池單元9的陽極燃料進(jìn)料口連接，燃料電池單元9的陽極尾氣出口與催化燃燒單元5的進(jìn)口連接，催化燃燒單元5的進(jìn)口還連接有0?進(jìn)氣管，催化燃燒單元5的出口與第二換熱單元6的熱側(cè)進(jìn)口連接，第二換熱單元6的熱側(cè)出口與第二氣液分離單元4的進(jìn)口連接，第二氣液分離單元4的氣相出口與混氣裝置10的進(jìn)口連接，混氣裝置10的進(jìn)口還連接有空氣進(jìn)氣管和CO?進(jìn)氣管，混氣裝置10的出口與第三換熱單元8的冷側(cè)進(jìn)口連接，第三換熱單元8的冷側(cè)出口與燃料電池單元9的陰極燃料進(jìn)料口連接，燃料電池單元9的陰極尾氣出口與第三換熱單元8的熱側(cè)進(jìn)口連接，第三換熱單元8的熱側(cè)出口連接有陰極尾氣排出管；第一氣液分離單元3和第二氣液分離單元4的液相出口均連接有冷凝水排出管。[0033]在本發(fā)明的一個較優(yōu)的實施例中，第二換熱單元6的冷側(cè)出口與燃料電池單元9的陽極燃料進(jìn)料口之間的連接管路上設(shè)有陽極氣體流量檢測及控制裝置12,第三換熱單元8的冷側(cè)出口與燃料電池單元9的陰極燃料進(jìn)料口之間的連接管路上設(shè)有陰極氣體流量檢測及控制裝置13,空氣進(jìn)氣管上設(shè)有空氣流量檢測及控制裝置14,CO?進(jìn)氣管上設(shè)有CO?流量檢測及控制裝置15,第二氣液分離單元4的氣相出口與混氣裝置10的進(jìn)口之間的連接管路上設(shè)有陽極尾氣流量檢測及控制裝置16;陽極氣體流量檢測及控制裝置12、陰極氣體流量檢測及控制裝置13、空氣流量檢測及控制裝置14、CO?流量檢測及控制裝置15和陽極尾氣流量檢測及控制裝置16均分別與系統(tǒng)的控制單元連接。[0034]在本發(fā)明的一個較優(yōu)的實施例中，第二氣液分離單元4的氣相出口與混氣裝置10的進(jìn)口之間的連接管路上設(shè)有壓縮單元7。優(yōu)選地，壓縮單元7進(jìn)口前設(shè)有除沫裝置，如除沫[0035]在本發(fā)明的一個較優(yōu)的實施例中，第一換熱單元2為氣-液型換熱器，第二換熱單元6和第三換熱單元8為氣-氣型換熱器。[0036]在本發(fā)明的一個較優(yōu)的實施例中，第一氣液分離單元3和第二氣液分離單元4的冷凝水出口均分別與第一換熱單元2的冷側(cè)入口連接。優(yōu)選地，甲醇重整反應(yīng)單元1的出口與第一換熱單元2的熱側(cè)進(jìn)口之間的連接管路上設(shè)有溫度檢測裝置，第一氣液分離單元3和第二氣液分離單元4的冷凝水出口與第一換熱單元2的冷側(cè)入口之間的連接管路上均分別設(shè)有流量檢測及控制裝置，溫度檢測裝置和流量檢測及控制裝置均分別與系統(tǒng)的控制單元連[0037]在本發(fā)明的一個較優(yōu)的實施例中，混氣裝置10內(nèi)的壁面為圓滑曲面，混氣裝置10[0038]在本發(fā)明的一個較優(yōu)的實施例中，第二換熱單元6與第二氣液分離單元4之間設(shè)有第一余熱換熱器，陰極尾氣排出管上設(shè)有第二余熱換熱器，第一余熱換熱器和第二余熱換[0039]上述系統(tǒng)的工作方法如下：[0040]甲醇重整反應(yīng)單元1發(fā)生甲醇重整反應(yīng)，生成的混合氣體進(jìn)入第一換熱單元2換熱冷凝后，進(jìn)入第一氣液分離單元3中除去水分，得到含有氫氣和二氧化碳的低溫混合氣體；低溫混合氣體在第二換熱單元6中換熱升溫后進(jìn)入燃料電池單元9的陽極燃料進(jìn)料口，陽極尾氣進(jìn)入催化燃燒單元5除去未反應(yīng)的H?后進(jìn)入第二換熱單元6換熱冷凝后在第二氣液分離單元4中除去水分，剩余氣體進(jìn)入混氣裝置10,與空氣和CO?混合，在第三換熱單元8換熱升溫后進(jìn)入燃料電池單元9的陰極燃料進(jìn)料口，陰極尾氣進(jìn)入第三換熱單元8換熱降溫后由陰極尾氣排出管排出。[0041]本發(fā)明的工作原理如下：[0042]該系統(tǒng)主要由燃料處理系統(tǒng)、燃料電池本體和陽極尾氣循環(huán)及余熱回收利用系統(tǒng)組成。[0043]燃料處理系統(tǒng)主要包括甲醇重整制氫單元和水蒸氣冷凝分離單元。甲醇重整制氫單元主要通過甲醇和水發(fā)生重整反應(yīng)，該反應(yīng)生成占比分別約為7