一种甲醇水燃料重整制氢系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种甲醇水燃料重整制氢系统及其控制方法。

背景技术

目前在重整制氢装置需要分别为燃烧器和重整器供液，导致重整制氢装置结构复杂、制氢效率低下；另外现有的重整制氢装置由于缺乏智能的控制逻辑，不能对燃烧反应物的自由切换，导致能量的利用率较低，且有可能导致系统的热量平衡失调。

发明内容

本发明提供了一种甲醇水燃料重整制氢系统，以解决上述技术问题，能够对甲醇水重整制氢系统进行智能的控制，从而提高能量的利用率并维持系统的热量平衡。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种甲醇水燃料重整制氢系统，包括甲醇供应装置、燃烧器、重整器、燃料电池、鼓风机和控制器；

所述甲醇供应装置的出口与燃料供应管道的进液口相连，所述燃料供应管道的第一出口、所述燃料供应管道的第二出口分别与燃烧器供液管道的进液口、重整器供液管道的进液口相连，所述重整器供液管道的出口与所述重整器的进液口相连，所述燃烧器供液管道的出口与所述燃烧器的甲醇进口相连，所述鼓风机的出口通过空气供应管道与所述燃烧器的空气进气口相连，所述空气供应管道上设有空气流量计，所述空气流量计与所述控制器的空气流量数据端连接；所述重整器设于所述燃烧器的上方；所述燃烧器中设有温度传感器，所述温度传感器与所述控制器的温度数据端连接；

所述燃烧器供液管道上，且从所述燃烧器供液管道的进液口至所述燃烧器供液管道的出口之间依次设有第一电磁阀、限流阀、单向阀和预热器；所述重整器供液管道上设有第二电磁阀；

所述重整器的氢气出口通过第三电磁阀与所述燃料电池的进气口相连，所述燃料电池的出气口通过排气管道与尾排阀相连，所述排气管道上有一支路通过第四电磁阀与所述燃烧器的氢气进气口相连；

所述重整器的氢气出口与所述第三电磁阀之间的管道上有一支路与氢气回收管道的进气口相连，所述第四电磁阀与所述燃烧器的氢气进气口之间的管道上有一支路与所述氢气回收管道的出气口相连，所述氢气回收管道上设有第五电磁阀；

所述燃料供应管道上设有第六电磁阀，所述甲醇供应装置的出口与所述第六电磁阀之间的管道上设有甲醇流量计，所述甲醇流量计与所述控制器的甲醇流量数据端连接；

所述第一电磁阀、所述第二电磁阀、所述第三电磁阀、所述第四电磁阀、所述第五电磁阀、所述第六电磁阀、所述限流阀、所述鼓风机、所述尾排阀、所述燃烧器中的点火器均与所述控制器电连接。

进一步地，所述燃烧器的甲醇进口、所述燃烧器的空气进气口均设于所述燃烧器的底部。

进一步地，所述燃烧器的氢气进气口设于所述燃烧器的底部。

进一步地，所述鼓风机的进气口与空气源相连。

为了解决相同的技术问题，本发明还提供了一种用于任一项所述的甲醇水燃料重整制氢系统的控制方法，包括：

调节燃烧器的甲醇进液量与所述燃烧器的空气进气量在预设的混合比例内；其中，所述燃烧器的甲醇进液量通过控制限流阀开关大小进行调节，所述燃烧器的空气进气量通过控制鼓风机的功率大小进行调节；

在预设的初始重整制氢时间段之内，控制第三电磁阀、第四电磁阀保持关闭状态，继而在经过所述初始重整制氢时间段之后，关闭第一电磁阀以切断所述燃烧器的甲醇燃料；

在关闭所述第一电磁阀并经过预设的时间阈值后，打开所述第三电磁阀、所述第四电磁阀并关闭第五电磁阀。

进一步地，所述的甲醇水燃料重整制氢系统的控制方法还包括：

当检测到所述燃烧器的燃烧温度超出预设的温度阈值时，打开尾排阀以减少进入所述燃烧器的回收混合气体量。

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

本发明实施例提供了一种甲醇水燃料重整制氢系统及其控制方法，所述系统包括甲醇供应装置、燃烧器、重整器、燃料电池、鼓风机和控制器。本发明的燃料供应管道能够实现甲醇燃料向燃烧器供液的同时向甲醇重整器中供液，简化了重整制氢装置的供液方式；另外，通过设置氢气回收管道以及自由切换燃烧反应物的控制方法，能够实现甲醇水燃烧和氢气燃烧的自由切换，并且在切换过程中能实现稳定控制；从而本发明能够对甲醇水重整制氢系统进行智能的控制，提高能量的利用率并维持系统的热量平衡。

附图说明

图1是本发明实施例中的甲醇水燃料重整制氢系统的结构示意图；

图2是本发明实施例中的甲醇水燃料重整制氢系统的控制方法的流程示意图；

其中，说明书附图中的附图标记如下：

1、甲醇供应装置；2、燃烧器；3、重整器；4、燃料电池；5、鼓风机；6、第一电磁阀；7、第二电磁阀；8、第三电磁阀；9、第四电磁阀；10、第五电磁阀；11、第六电磁阀；12、限流阀；13、单向阀；14、预热器；15、尾排阀；16、甲醇流量计；17、空气流量计。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参见图1，本发明优选实施例提供了一种甲醇水燃料重整制氢系统，包括甲醇供应装置1、燃烧器2、重整器3、燃料电池4、鼓风机5和控制器；

所述甲醇供应装置1的出口与燃料供应管道的进液口相连，所述燃料供应管道的第一出口、所述燃料供应管道的第二出口分别与燃烧器供液管道的进液口、重整器供液管道的进液口相连，所述重整器供液管道的出口与所述重整器3的进液口相连，所述燃烧器供液管道的出口与所述燃烧器2的甲醇进口相连，所述鼓风机5的出口通过空气供应管道与所述燃烧器2的空气进气口相连，所述空气供应管道上设有空气流量计17，所述空气流量计17与所述控制器的空气流量数据端连接；所述重整器3设于所述燃烧器2的上方；所述燃烧器2中设有温度传感器，所述温度传感器与所述控制器的温度数据端连接；

所述燃烧器供液管道上，且从所述燃烧器供液管道的进液口至所述燃烧器供液管道的出口之间依次设有第一电磁阀6、限流阀12、单向阀13和预热器14；所述重整器供液管道上设有第二电磁阀7；

所述重整器3的氢气出口通过第三电磁阀8与所述燃料电池4的进气口相连，所述燃料电池4的出气口通过排气管道与尾排阀15相连，所述排气管道上有一支路通过第四电磁阀9与所述燃烧器2的氢气进气口相连；

所述重整器3的氢气出口与所述第三电磁阀8之间的管道上有一支路与氢气回收管道的进气口相连，所述第四电磁阀9与所述燃烧器2的氢气进气口之间的管道上有一支路与所述氢气回收管道的出气口相连，所述氢气回收管道上设有第五电磁阀10；

所述燃料供应管道上设有第六电磁阀11，所述甲醇供应装置1的出口与所述第六电磁阀11之间的管道上设有甲醇流量计16，所述甲醇流量计16与所述控制器的甲醇流量数据端连接；

所述第一电磁阀6、所述第二电磁阀7、所述第三电磁阀8、所述第四电磁阀9、所述第五电磁阀10、所述第六电磁阀11、所述限流阀12、所述鼓风机5、所述尾排阀15、所述燃烧器2中的点火器均与所述控制器电连接。

进一步地，所述燃烧器2的甲醇进口、所述燃烧器2的空气进气口均设于所述燃烧器2的底部。

进一步地，所述燃烧器2的氢气进气口设于所述燃烧器2的底部。

进一步地，所述鼓风机5的进气口与空气源相连。

请参见图2，为了解决相同的技术问题，本发明还提供了一种用于任一项所述的甲醇水燃料重整制氢系统的控制方法，包括步骤：

S1、调节燃烧器2的甲醇进液量与所述燃烧器2的空气进气量在预设的混合比例内；其中，所述燃烧器2的甲醇进液量通过控制限流阀12开关大小进行调节，所述燃烧器2的空气进气量通过控制鼓风机5的功率大小进行调节；

S2、在预设的初始重整制氢时间段之内，控制第三电磁阀8、第四电磁阀9保持关闭状态，继而在经过所述初始重整制氢时间段之后，关闭第一电磁阀6以切断所述燃烧器2的甲醇燃料；

S3、在关闭所述第一电磁阀6并经过预设的时间阈值后，打开所述第三电磁阀8、所述第四电磁阀9并关闭第五电磁阀10。

进一步地，所述的甲醇水燃料重整制氢系统的控制方法还包括步骤：

S4、当检测到所述燃烧器2的燃烧温度超出预设的温度阈值时，打开尾排阀15以减少进入所述燃烧器2的回收混合气体量。

基于上述方案，下面对本发明实施例提供的甲醇水燃料重整制氢系统及其控制方法进行详细说明：

甲醇水燃料燃烧时，甲醇水燃料由甲醇供应装置1经过甲醇水燃料供应管道，经过电磁阀第六电磁阀11后，然后经过第一电磁阀6、限流阀12、单向阀13后，经预热器14加热汽化后，从燃烧器2底端进入燃烧器2内部，空气由鼓风机5经过空气供应管道经燃烧器2底端进入燃烧室，当两者(甲醇和空气)同时到达点火器附近时，启动点火器引燃甲醇水蒸汽燃料，点火燃烧产热。

当甲醇流量计16测试的甲醇水燃料的进液量为8-35ml/min范围内时，空气流量计17测试的空气进气量为40-120NL/min时，通过调节和优化进液量和空气进气量的混合比例，燃烧器2内能实现稳定燃烧，为重整过程中甲醇水汽化和重整制氢提供热量，燃烧的烟气经过多级换热后由烟气管道排出。

氢气燃烧时，当甲醇水燃料进入重整器3中开始重整制氢后，初始重整制氢过程中产生的氢气经过第五电磁阀10所在的回路(氢气回收管道)，回收到燃烧器2中燃烧，此时第三电磁阀8和第四电磁阀9保持关闭状态；当氢气在燃烧器2中稳定燃烧后，关闭第一电磁阀6，切断甲醇供应装置1通向燃烧器2的甲醇水燃料，并在1-2min后，打开第三电磁阀8和第四电磁阀9，同时关闭第五电磁阀10，重整制氢的富氢混合气体经过燃料电池4电堆阳极发电，燃料电池4电堆出口的混合气体含有30-40％未反应的氢气，回收到燃烧器2中进行燃烧，为整个重整制氢过程进一步提供热量，维持系统的热量平衡。

通过温度传感器检测燃烧器2的燃烧温度，如燃烧器2温度过高，重整热平衡系统温度失衡，可以打开尾排阀15，排掉部分燃料电池4中电堆阳极回收的混合气体，减少回收混合气体进入燃烧器2中的量，来调节燃烧器2的温度，实现重整制氢系统的热平衡。

需要说明的是，本发明实施例的关键点包括：

1、在同时开启甲醇进液管路和回收氢气进气管路时，能实现甲醇水溶液和蒸汽的稳定安全燃烧的同时，也能实现氢气回收的稳定安全燃烧。并且能够实现甲醇水燃烧和氢气燃烧的自由切换，并且在切换过程中能实现稳定控制。

2、燃烧器2的甲醇进液管路中采用限流阀12，重整制氢产气过程中，可以实现甲醇燃料向燃烧器2供液的时候，也能同时向重整器3中供液，在燃烧器2燃烧为重整器3供热的同时，也能实现甲醇重整制氢的同步进行，同时限流阀12装置也能抑制进入预热器14中的甲醇水燃料过多以防止预热器14汽化不完全，未汽化或汽化不完全的甲醇水燃料进入燃烧器2中，导致难点燃或者燃烧不稳定的现象发生。

与现有技术相比，本发明实施例具有如下有益效果：

1、提供一种安全性能高、使用寿命长、燃烧效率高的甲醇水燃料重整制氢系统的燃烧器2装置，采用该装置时，能实现甲醇水溶液和蒸汽稳的稳定安全燃烧，同时也能实现氢气回收的稳定安全燃烧。

2、燃烧室内为有焰燃烧，燃烧火焰稳定，火焰高度控制在15-35cm，该装置尤其适用于微型燃烧室内实现稳定安全燃烧的场合，回收到燃烧器2内氢气的量可以调节，能够及时调节燃烧器2的温度，有效的控制重整制氢系统的热平衡。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。