權(quán)利要求書： 1.一種基于廣譜燃料的燃料電池系統(tǒng)，包括燃料供應(yīng)單元、燃料處理單元、燃料電池反應(yīng)單元、熱量交換單元和氧化劑供應(yīng)單元，其特征在于：所述燃料供應(yīng)單元包括燃料存儲(chǔ)裝置和燃料管路；所述燃料處理單元為具有高壓電極和地電極的等離子體反應(yīng)器，具有燃料進(jìn)口、氧化劑進(jìn)口和產(chǎn)物出口，用于將燃料轉(zhuǎn)化成氫氣和一氧化碳的混合氣；所述燃料電池反應(yīng)單元具有陽極燃料進(jìn)口和陽極尾氣出口，以及陰極氧化劑進(jìn)口和出口的高溫燃料電池電堆；所述熱量交換單元為多股流換熱器，所述多股流換熱器為從下至上的層疊式結(jié)構(gòu)或從內(nèi)至外的套筒式結(jié)構(gòu)；所述多股流換熱器具有平衡燃料處理單元和燃料電池反應(yīng)單元熱量的功能；所述氧化劑供應(yīng)單元分別與燃料電池反應(yīng)單元的陰極入口和燃料處理單元進(jìn)料口連通，為燃料電池反應(yīng)單元和燃料處理單元提供氧氣；所述燃料存儲(chǔ)裝置經(jīng)燃料管路與燃料處理單元連通，為燃料處理單元供應(yīng)燃料；所述燃料處理單元的產(chǎn)物出口經(jīng)多股流換熱器與燃料電池反應(yīng)單元的陽極入口連通，為燃料電池陽極提供反應(yīng)氣體；所述多股流換熱器具有水氣變化反應(yīng)腔，所述水氣變化反應(yīng)腔內(nèi)填充有水氣變換催化劑，具有提高燃料處理單元出口氣體中氫氣的濃度并降低一氧化碳的濃度的功能，所述燃料處理單元出口的產(chǎn)物經(jīng)多股流換熱器中的水氣變化反應(yīng)腔后進(jìn)入燃料電池反應(yīng)單元的陽極；所述廣譜燃料為甲烷、甲醇、乙醇、汽油、柴油、二甲醚、生物柴油中的一種或兩種以上的混合物；多股流換熱器為從下至上7層換熱腔的層疊式結(jié)構(gòu)或從內(nèi)至外7層換熱腔的套筒式結(jié)構(gòu)；從下至上或從內(nèi)至外依次為：燃料換熱腔，具有相對(duì)應(yīng)的第一物料進(jìn)口和出口；水氣變化反應(yīng)腔，具有相對(duì)應(yīng)的第二物料進(jìn)口和出口；空氣水混合物換熱腔，具有相對(duì)應(yīng)的第三物料進(jìn)口和出口；電堆尾氣催化燃燒換熱腔，其具有相對(duì)應(yīng)的第四物料進(jìn)口和出口；水換熱腔，具有相對(duì)應(yīng)的第五物料進(jìn)口和出口；熱交換流質(zhì)換熱腔，具有相對(duì)應(yīng)的第六物料進(jìn)口和出口；空氣換熱腔，具有相對(duì)應(yīng)的第七物料進(jìn)口和出口。

2.如權(quán)利要求1所述基于廣譜燃料的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于：所述水氣變化反應(yīng)腔內(nèi)填充有高、低溫水氣變換催化劑，所述填充的水氣變換催化劑沿混合氣流經(jīng)方向所耐受的水氣變換反應(yīng)溫度逐漸降低。

3.如權(quán)利要求2所述基于廣譜燃料的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于：所述水氣變化反應(yīng)腔內(nèi)填充有三段活性組分不同的水氣變換催化劑床層，所述三段活性組分沿混合氣流經(jīng)方向依次為鎳、鐵和銅。

4.如權(quán)利要求1所述基于廣譜燃料的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于：所述水氣變化反應(yīng)腔兩側(cè)同時(shí)與一燃料換熱腔和一空氣水混合物換熱腔相鄰，實(shí)現(xiàn)換熱。

5.如權(quán)利要求1所述基于廣譜燃料的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于：所述多股流換熱器具有與水氣變化反應(yīng)腔間隔設(shè)置的一電堆尾氣催化燃燒換熱腔，所述電堆尾氣催化燃燒換熱腔內(nèi)設(shè)置有催化燃燒反應(yīng)催化劑，所述燃料電池反應(yīng)單元的陽極出口尾氣與空氣混合后經(jīng)所述電堆尾氣催化燃燒換熱腔催化燃燒后排出。

6.如權(quán)利要求1所述基于廣譜燃料的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于：所述多股流換熱器具有與水氣變化反應(yīng)腔間隔設(shè)置的一熱交換流質(zhì)換熱腔，所述燃料電池反應(yīng)單元中設(shè)置有預(yù)熱/冷卻介質(zhì)通道；二者通過管路構(gòu)成循環(huán)回路。

7.如權(quán)利要求5所述基于廣譜燃料的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于：所述多股流換熱器具有與水氣變化反應(yīng)腔和電堆尾氣催化燃燒換熱腔均間隔設(shè)置的一熱交換流質(zhì)換熱腔，所述燃料電池反應(yīng)單元中設(shè)置有預(yù)熱/冷卻介質(zhì)通道；二者通過管路構(gòu)成循環(huán)回路。

8.如權(quán)利要求5所述基于廣譜燃料的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于：所述多股流換熱器設(shè)置有一熱交換流質(zhì)換熱腔和一空氣換熱腔；所述空氣換熱腔的一側(cè)與所述熱交換流質(zhì)換熱腔相鄰接；所述燃料電池反應(yīng)單元中設(shè)置有預(yù)熱/冷卻介質(zhì)通道；所述熱交換流質(zhì)換熱腔與所述預(yù)熱/冷卻介質(zhì)通道通過管路構(gòu)成循環(huán)回路。

9.如權(quán)利要求5所述基于廣譜燃料的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于：所述多股流換熱器設(shè)置有一熱交換流質(zhì)換熱腔和一水換熱腔；所述水換熱腔的一側(cè)與電堆尾氣催化燃燒換熱腔相鄰接；所述水換熱腔的另一側(cè)與所述熱交換流質(zhì)換熱腔相鄰接；所述燃料電池反應(yīng)單元中設(shè)置有預(yù)熱/冷卻介質(zhì)通道；所述熱交換流質(zhì)換熱腔與所述預(yù)熱/冷卻介質(zhì)通道通過管路構(gòu)成循環(huán)回路。

10.如權(quán)利要求6?9任一所述基于廣譜燃料的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于：所述多股流換熱器中的熱交換流質(zhì)換熱腔與所述燃料電池反應(yīng)單元中的預(yù)熱/冷卻介質(zhì)通道中的流質(zhì)為導(dǎo)熱油。

11.如權(quán)利要求1?9任一所述基于廣譜燃料的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于：所述燃料換熱腔、空氣水混合物換熱腔、熱交換流質(zhì)換熱腔、水換熱腔、空氣換熱腔內(nèi)均設(shè)置有翅片結(jié)構(gòu)。

12.如權(quán)利要求5、7?9任一所述基于廣譜燃料的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于：所述催化燃燒反應(yīng)催化劑為以鉑為活性成分的Pt基催化劑。

13.如權(quán)利要求1?9任一所述基于廣譜燃料的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于：所述氧化劑供應(yīng)單元為空氣泵和/或空氣壓縮機(jī)；所述燃料電池反應(yīng)單元陰極氧化劑進(jìn)口與空氣泵和/或空氣壓縮機(jī)相連。

14.如權(quán)利要求1所述基于廣譜燃料的燃料電池系統(tǒng)，其特征在于：所述燃料電池反應(yīng)單元為高溫質(zhì)子交換膜燃料電池電堆，所述高溫質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的反應(yīng)溫度為

120?200℃。

15.如權(quán)利要求1?14任一所述基于廣譜燃料的燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)行方法，其特征在于：包括以下步驟，1）使燃料罐直接為燃料處理單元提供燃料，同時(shí)使得氧化劑供應(yīng)單元為燃料處理單元提供氧化劑；開啟燃料處理單元，并使得燃料處理單元出口與所述熱量交換單元水氣變化反應(yīng)腔進(jìn)口連通，為燃料處理單元的產(chǎn)物氣體降溫，同時(shí)經(jīng)變換反應(yīng)后，提高氫氣濃度和降低一氧化碳濃度；系統(tǒng)開啟時(shí)，液體燃料經(jīng)燃料處理單元上端的噴嘴霧化后進(jìn)入等離子體反應(yīng)器，通過調(diào)節(jié)氧化劑與燃料的配比，使燃料完全燃燒放熱，經(jīng)熱量交換單元的水氣變化反應(yīng)腔進(jìn)口和出口后，可以直接進(jìn)入燃料電池反應(yīng)單元，再經(jīng)熱量交換單元進(jìn)入電堆尾氣催化燃燒換熱腔，或者跨過燃料電池反應(yīng)單元，直接進(jìn)入熱量交換單元進(jìn)入電堆尾氣催化燃燒換熱腔，將未反應(yīng)完的燃料催化燃燒放熱，然后從電堆尾氣催化燃燒換熱腔出口排出，給系統(tǒng)預(yù)熱；所述熱交換流質(zhì)于熱量交換單元的熱交換流質(zhì)換熱腔和燃料電池反應(yīng)單元中極板的空腔構(gòu)成的循環(huán)回路中流動(dòng)，啟動(dòng)階段為燃料電池電堆加熱；2）使得所述熱量交換單元水氣變化反應(yīng)腔出口與燃料電池反應(yīng)單元陽極燃料進(jìn)口相連通；同時(shí)使得氧化劑供應(yīng)單元為燃料反應(yīng)單元陰極進(jìn)口提供氧化劑；使得燃料反應(yīng)單元工作對(duì)外輸出電能；穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，所述燃料電池反應(yīng)單元產(chǎn)生的熱量，由熱交換流質(zhì)帶走，送入熱交換流質(zhì)換熱腔；冷卻后的熱交換流質(zhì)，循環(huán)回燃料電池電堆中使用，為燃料電池電堆降溫。

16.如權(quán)利要求15所述的運(yùn)行方法，其特征在于：還包括以下步驟中的一種或二種以上，氧化劑空氣與水混合物經(jīng)空氣水混合物換熱腔預(yù)熱后與燃料處理單元相連通；氧化劑空氣經(jīng)空氣換熱腔預(yù)熱后與燃料處理單元相連通；水經(jīng)水換熱腔預(yù)熱后與燃料處理單元相連通；燃料罐經(jīng)熱量交換單元與燃料處理單元連通，使得燃料在熱量交換單元中預(yù)熱；所述燃料電池反應(yīng)單元的陽極尾氣出口經(jīng)所述熱量交換單元的電堆尾氣催化燃燒換熱腔后排放至大氣中。

說明書： 一種基于廣譜燃料的燃料電池系統(tǒng)及其運(yùn)行方法技術(shù)領(lǐng)域[0001] 本發(fā)明涉及分布式制氫與燃料電池聯(lián)用技術(shù)，特別是涉及一種旋轉(zhuǎn)電弧等離子體催化重整燃料制氫和高溫質(zhì)子交換膜燃料電池聯(lián)用技術(shù)。

背景技術(shù)[0002] 相比于氫氣，甲醇、乙醇、汽油和柴油等為更易于獲取的燃料，由于受到質(zhì)子交換膜燃料電池電催化反應(yīng)的限制無法直接作為反應(yīng)燃料。通常而言，將上述液體燃料轉(zhuǎn)換為

氫氣和小分子碳?xì)浠衔镄枰?jīng)過催化重整反應(yīng)，上述反應(yīng)存在反應(yīng)體積大、進(jìn)料單一、啟

動(dòng)慢和易積碳等問題。本發(fā)明擬采用等離子體制氫的方式對(duì)甲醇、乙醇、汽油、柴油等燃料

進(jìn)行處理，并對(duì)處理后的混合氣經(jīng)過進(jìn)一步的催化重整、水氣變換制得氫氣含量較高的混

合氣體，并將其作為燃料電池的反應(yīng)燃料，利于燃料電池應(yīng)用的推廣。

[0003] 等離子體反應(yīng)器的反應(yīng)溫度及出口溫度較高，無法直接與質(zhì)子交換膜燃料電池相匹配和適應(yīng)。本發(fā)明針對(duì)上述問題，發(fā)明了多股流換熱器，為冷、熱物流提供換熱場所，在降

低進(jìn)入燃料電池反應(yīng)單元的燃料溫度的同時(shí)，為進(jìn)入等離子體反應(yīng)器的燃料預(yù)熱，實(shí)現(xiàn)了

能量匹配利用，使得將等離子反應(yīng)器應(yīng)用于燃料電池系統(tǒng)中成為可能，克服了燃料電池系

統(tǒng)對(duì)于燃料的限制，進(jìn)而開發(fā)了一種基于廣譜燃料的燃料電池系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容[0004] 為了將廣譜燃料用于燃料電池，本發(fā)明提出了一種等離子體催化重整燃料制氫和高溫質(zhì)子交換膜燃料電池聯(lián)用技術(shù)，該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是不受限于燃料種類及燃料的狀態(tài)，可

以就近取燃料進(jìn)行發(fā)電；反應(yīng)器結(jié)構(gòu)緊湊，比功率高；相比于固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，系

統(tǒng)發(fā)電溫度低，安全可靠；系統(tǒng)熱量匹配合理，有效的提高了電池系統(tǒng)的熱效率。

[0005] 提供一種非熱電弧催化重整廣譜燃料制氫并與高溫質(zhì)子交換膜燃料電池聯(lián)用的方法。液體燃料可以經(jīng)空氣輔助霧化噴嘴霧化成細(xì)小液滴后進(jìn)入反應(yīng)區(qū)域，也可以經(jīng)換熱

器預(yù)熱后，與空氣、水混合，從反應(yīng)器中部的電極間距進(jìn)入反應(yīng)區(qū)域。電極間的氣體，在高壓

電源的作用下被擊穿，產(chǎn)生等離子體。產(chǎn)生的等離子體經(jīng)氣流的推動(dòng)，進(jìn)入反應(yīng)器的中心。

在此過程中，等離子體、空氣、燃料分子和水之間發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)物主要含氫氣、一氧化碳、甲

烷、乙烷、乙烯、二氧化碳、水和氮?dú)獾鹊幕旌蠚怏w。在等離子體反應(yīng)區(qū)域的下端裝有蒸汽重

整催化劑，用于將甲烷、乙烷和乙烯等小分子烴類物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氫氣和一氧化碳，進(jìn)一步提高

氫氣的產(chǎn)量。從反應(yīng)器出來的氣體溫度較高，進(jìn)入裝有高、低溫變換催化劑(也可考慮再放

一些蒸汽重整催化劑)的換熱腔，用于將混合氣中的一氧化碳和水變換為氫氣和二氧化碳。

反應(yīng)器出口氣體換熱器時(shí)，與冷物流進(jìn)行換熱，降低溫度，后進(jìn)入高溫質(zhì)子交換膜燃料電池

電堆的陽極，進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)并放電。

[0006] 從電堆陽極出來的尾氣，含有少量未反應(yīng)的氫氣等，經(jīng)換熱器的催化燃燒后排空，催化燃燒產(chǎn)生的熱供水預(yù)熱。換熱器中裝的為蜂窩陶瓷燃燒催化劑，可降低流動(dòng)壓降。從電

堆出來的導(dǎo)熱油，經(jīng)換熱器進(jìn)行冷卻后，返回電堆中的油腔，攜帶電堆產(chǎn)生的熱。導(dǎo)熱油在

換熱器中放出的熱量，用于預(yù)熱的水和空氣?？諝忸A(yù)熱后，用于反應(yīng)器的壁面吹掃，避免或

減小噴霧進(jìn)料時(shí)，液滴與反應(yīng)器壁面的碰撞而產(chǎn)生積碳。

[0007] 一種基于廣譜燃料的燃料電池系統(tǒng)，包括燃料供應(yīng)單元、燃料處理單元、燃料電池反應(yīng)單元、熱量交換單元和氧化劑供應(yīng)單元，所述燃料供應(yīng)單元包括燃料存儲(chǔ)裝置和燃料

管路；

[0008] 所述燃料處理單元為具有高壓電極和地電極的等離子體反應(yīng)器，具有燃料進(jìn)口、氧化劑進(jìn)口和產(chǎn)物出口，用于將燃料轉(zhuǎn)化成氫氣和一氧化碳的混合氣；

[0009] 所述燃料電池反應(yīng)單元具有陽極燃料進(jìn)口和陽極尾氣出口，以及陰極氧化劑進(jìn)口和出口的高溫燃料電池電堆；

[0010] 所述熱量交換單元為多股流換熱器，所述多股流換熱器為從下至上的層疊式結(jié)構(gòu)或從內(nèi)至外的套筒式結(jié)構(gòu)；所述多股流換熱器具有平衡燃料處理單元和燃料電池反應(yīng)單元

熱量的功能；

[0011] 所述氧化劑供應(yīng)單元分別與燃料電池反應(yīng)單元的陰極入口和燃料處理單元進(jìn)料口連通，為燃料電池反應(yīng)單元和燃料處理單元提供氧氣；

[0012] 所述燃料存儲(chǔ)裝置經(jīng)燃料管路與燃料處理單元連通，為燃料處理單元供應(yīng)燃料；所述燃料處理單元的產(chǎn)物出口經(jīng)多股流換熱器與燃料電池反應(yīng)單元的陽極入口連通，為燃

料電池陽極提供反應(yīng)氣體。

[0013] 所述多股流換熱器具有水氣變化反應(yīng)腔，所述水氣變換反應(yīng)腔內(nèi)填充有水氣變換催化劑，具有提高燃料處理單元出口氣體中氫氣的濃度并降低一氧化碳的濃度的功能，所

述燃料處理單元出口的產(chǎn)物經(jīng)多股流換熱器中的水氣變化反應(yīng)腔后進(jìn)入燃料電池反應(yīng)單

元的陽極。

[0014] 所述水氣變換反應(yīng)腔內(nèi)填充有高、低溫水氣變換催化劑，所述填充的水氣變換催化劑沿混合氣流經(jīng)方向所耐受的水氣變換反應(yīng)溫度逐漸降低。

[0015] 所述水氣變換反應(yīng)通道內(nèi)填充有三段活性組分不同的水氣變換催化劑床層，所述三段水汽變換催化劑的活性組分沿混合氣流經(jīng)方向依次為鎳、鐵和銅。

[0016] 所述水氣變換反應(yīng)腔兩側(cè)同時(shí)與一燃料預(yù)熱腔和一水/空氣混合物預(yù)熱腔相鄰，實(shí)現(xiàn)換熱。

[0017] 所述多股流換熱器具有與水氣變換反應(yīng)腔間隔設(shè)置的一催化燃燒反應(yīng)腔，所述催化燃燒反應(yīng)腔內(nèi)設(shè)置有催化燃燒反應(yīng)催化劑，所述燃料電池反應(yīng)單元的陽極出口尾氣與空

氣混合后經(jīng)所述催化燃燒反應(yīng)腔催化燃燒后排出。

[0018] 所述多股流換熱器具有與水氣變換反應(yīng)腔間隔設(shè)置的一熱交換流質(zhì)腔，所述燃料電池反應(yīng)單元中設(shè)置有預(yù)熱/冷卻介質(zhì)通道；二者通過管路構(gòu)成循環(huán)回路。

[0019] 所述多股流換熱器具有與水氣變換反應(yīng)腔和催化燃燒反應(yīng)腔均間隔設(shè)置的一熱交換流質(zhì)腔，所述燃料電池反應(yīng)單元中設(shè)置有預(yù)熱/冷卻介質(zhì)通道；二者通過管路構(gòu)成循環(huán)

回路。

[0020] 所述多股流換熱器設(shè)置有一熱交換流質(zhì)腔和一空氣預(yù)熱腔；所述空氣預(yù)熱腔的一側(cè)與水氣變換反應(yīng)腔或催化燃燒反應(yīng)腔相鄰接；所述空氣預(yù)熱腔的另一側(cè)與所述熱交換流

質(zhì)腔相鄰接；所述燃料電池反應(yīng)單元中設(shè)置有預(yù)熱/冷卻介質(zhì)通道；所述熱交換流質(zhì)腔與所

述預(yù)熱/冷卻介質(zhì)通道通過管路構(gòu)成循環(huán)回路。

[0021] 所述多股流換熱器設(shè)置有一水預(yù)熱腔，所述水預(yù)熱腔與所述熱交換流質(zhì)腔的另一側(cè)相鄰接。

[0022] 所述多股流換熱器設(shè)置有一熱交換流質(zhì)腔和一水預(yù)熱腔；所述水預(yù)熱腔的一側(cè)與水氣變換反應(yīng)腔或催化燃燒反應(yīng)腔相鄰接；所述水預(yù)熱腔的另一側(cè)與所述熱交換流質(zhì)腔相

鄰接；所述燃料電池反應(yīng)單元中設(shè)置有預(yù)熱/冷卻介質(zhì)通道；所述熱交換流質(zhì)腔與所述預(yù)

熱/冷卻介質(zhì)通道通過管路構(gòu)成循環(huán)回路。

[0023] 所述多股流換熱器設(shè)置有一空氣預(yù)熱腔，所述空氣預(yù)熱腔與所述熱交換流質(zhì)腔的另一側(cè)相鄰接。

[0024] 所述多股流換熱器中的熱交換流質(zhì)腔與所述燃料電池反應(yīng)單元中的預(yù)熱/冷卻介質(zhì)通道中的流質(zhì)為導(dǎo)熱油。

[0025] 所述燃料預(yù)熱腔、水/空氣混合物預(yù)熱腔、熱交換流質(zhì)腔、水預(yù)熱腔、空氣預(yù)熱腔內(nèi)均設(shè)置有翅片結(jié)構(gòu)。

[0026] 所述催化燃燒反應(yīng)催化劑為以鉑為活性成分的Pt基催化劑。[0027] 所述氧化劑供應(yīng)單元為空氣泵和/或空氣壓縮機(jī)；所述燃料電池反應(yīng)單元陰極氧化劑進(jìn)口與空氣泵和/或空氣壓縮機(jī)相連。

[0028] 所述廣譜燃料為甲烷、甲醇、乙醇、汽油、柴油、二甲醚、生物柴油中的一種或兩種以上的混合物。

[0029] 所述燃料電池反應(yīng)單元為高溫質(zhì)子交換膜燃料電池電堆，所述高溫質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的反應(yīng)溫度為120?200℃。

[0030] 所述基于廣譜燃料的燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)行方法，包括以下步驟，[0031] 1)使燃料罐直接為燃料處理單元提供燃料，同時(shí)使得氧化劑供應(yīng)單元為燃料處理單元提供氧化劑；開啟燃料處理單元，并使得燃料處理單元出口與所述熱量交換單元水汽

變化反應(yīng)腔進(jìn)口連通，為燃料處理單元的產(chǎn)物氣體降溫，同時(shí)經(jīng)變換反應(yīng)后，提高氫氣濃度

和降低一氧化碳濃度；

[0032] 系統(tǒng)開啟時(shí)，液體燃料經(jīng)燃料處理單元上端的噴嘴霧化后進(jìn)入反應(yīng)器，通過調(diào)節(jié)氧化劑與燃料的配比，使燃料完全燃燒放熱，經(jīng)熱量交換單元的水汽變化反應(yīng)腔進(jìn)口和出

口后，可以直接進(jìn)入燃料電池反應(yīng)單元，再經(jīng)熱量交換單元進(jìn)入催化燃燒腔，或者跨過燃料

電池反應(yīng)單元，直接進(jìn)入量交換單元進(jìn)入催化燃燒腔，將未反應(yīng)完的燃料催化燃燒放熱，然

后從催化燃燒腔出口排出，給系統(tǒng)預(yù)熱；

[0033] 所述熱交換流質(zhì)于熱量交換單元的熱交換流質(zhì)換熱腔和燃料電池反應(yīng)單元中極板的空腔構(gòu)成的循環(huán)回路中流動(dòng)，啟動(dòng)階段為燃料電池電堆加熱；2)使得所述熱量交換單

元水汽變化反應(yīng)腔出口與燃料電池反應(yīng)單元陽極燃料進(jìn)口相連通；同時(shí)使得氧化劑供應(yīng)單

元為燃料反應(yīng)單元陰極進(jìn)口提供氧化劑；使得燃料反應(yīng)單元工作對(duì)外輸出電能；穩(wěn)定運(yùn)行

時(shí)，所述燃料電池反應(yīng)單元產(chǎn)生的熱量，由熱交換流質(zhì)帶走，送入熱交換流質(zhì)換熱腔；冷卻

后的熱交換流質(zhì)，循環(huán)回燃料電池電堆中使用，為燃料電池電堆降溫。所述的運(yùn)行方法還包

括以下步驟中的一種或二種以上，

[0034] 氧化劑空氣與水混合物經(jīng)空氣水混合物換熱腔預(yù)熱后與燃料處理單元相連通[0035] 氧化劑空氣經(jīng)空氣換熱腔預(yù)熱后與燃料處理單元相連通；[0036] 水換熱腔經(jīng)水換熱腔預(yù)熱后與燃料處理單元相連通；[0037] 燃料罐經(jīng)熱量交換單元與燃料處理單元連通，使得燃料在熱量交換單元中預(yù)熱；[0038] 所述電池反應(yīng)單元的陽極尾氣出口經(jīng)所述熱量交換單元的電堆尾氣催化燃燒換熱腔后排放至大氣中。

[0039] 該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是不受限于燃料種類及燃料的狀態(tài)，可以就近取燃料進(jìn)行發(fā)電；反應(yīng)器結(jié)構(gòu)緊湊，比功率高；相比于固體氧化物燃料電池系統(tǒng)，系統(tǒng)發(fā)電溫度低，安全可靠；系

統(tǒng)熱量匹配合理，有效的提高了電池系統(tǒng)的熱效率。

附圖說明[0040] 圖1為廣譜燃料電池系統(tǒng)流程圖；[0041] 圖1中：1.燃料泵；2.壓縮機(jī)；3.空氣輔助霧化噴嘴；4.水泵；5.多股流換熱器；6.等離子體反應(yīng)器(下部為催化重整區(qū))；7.高壓電源；8.空氣泵；9.電堆；10.陰極空氣泵；11.導(dǎo)

熱油泵；

[0042] 圖2為一種多股流板翅式換熱器物流匹配換熱示意圖；[0043] 圖3燃料電池系統(tǒng)放電特性曲線。具體實(shí)施方式[0044] 一種基于廣譜燃料的燃料電池系統(tǒng)，其流程圖如圖1所示，包括燃料供應(yīng)單元、燃料處理單元、燃料電池反應(yīng)單元、熱量交換單元和氧化劑供應(yīng)單元。

[0045] 一燃料處理單元為具有高壓電極和地電極的等離子體反應(yīng)器，頂部設(shè)有空氣輔助霧化噴嘴，中部為等離子體重整區(qū)，下部為裝填有蒸汽重整催化劑的催化重整區(qū)，底部設(shè)有

產(chǎn)物出口；霧化噴嘴一方面通過燃料管路經(jīng)燃料泵與燃料存儲(chǔ)裝置相連、另一方面與空氣

壓縮機(jī)的出口相連；于反應(yīng)器上部設(shè)有內(nèi)壁面吹掃空氣入口，吹掃空氣入口經(jīng)換熱器與空

氣壓縮機(jī)的出口相連；于等離子體反應(yīng)器側(cè)壁上設(shè)有物料進(jìn)口，經(jīng)水泵加壓的水經(jīng)換熱器

預(yù)熱并汽化后，與空氣壓縮機(jī)出口的空氣混合成水氣混合物，燃料存儲(chǔ)裝置中的燃料經(jīng)燃

料泵加壓后和水氣混合物分別經(jīng)換熱器后混合流入物料進(jìn)口，混合物料經(jīng)物料進(jìn)口進(jìn)入高

壓電極和地電極之間；由產(chǎn)物出口流出的產(chǎn)物經(jīng)換熱器后通入燃料電池反應(yīng)單元的陽極物

料進(jìn)口；

[0046] 所述燃料電池反應(yīng)單元具有陽極燃料進(jìn)口和陽極尾氣出口，以及陰極氧化劑進(jìn)口和出口；所述燃料電池反應(yīng)單元的陽極出口尾氣與空氣混合后經(jīng)換熱器催化燃燒后排出；

[0047] 所述燃料電池反應(yīng)單元的熱交換流質(zhì)、通過泵經(jīng)燃料電池后，進(jìn)入換熱器換熱后再進(jìn)入燃料電池，循環(huán)使用；

[0048] 換熱器為多股流換熱器；換熱器為從下至上7層換熱腔的層疊式結(jié)構(gòu)或從內(nèi)至外7層換熱腔的套筒式結(jié)構(gòu)；

[0049] 從下至上或從內(nèi)至外依次為：[0050] 燃料換熱腔，具有相對(duì)應(yīng)的第一物料進(jìn)口和出口；[0051] 水汽變化反應(yīng)腔，其中填充有三段催化劑床層，從進(jìn)口至出口依次為以鎳為活性成分的水氣變換催化劑床層、以鐵為活性成分的水氣變換催化劑床層、以銅為活性成分的

水氣變換催化劑床層，具有相對(duì)應(yīng)的第二物料進(jìn)口和出口；

[0052] 空氣水混合物換熱腔，具有相對(duì)應(yīng)的第三物料進(jìn)口和出口；[0053] 電堆尾氣催化燃燒換熱腔，其中填充有尾氣處理催化劑，是以鉑為活性成分的燃燒催化劑，其具有相對(duì)應(yīng)的第四物料進(jìn)口和出口；

[0054] 水換熱腔，具有相對(duì)應(yīng)的第五物料進(jìn)口和出口；[0055] 熱交換流質(zhì)換熱腔，具有相對(duì)應(yīng)的第六物料進(jìn)口和出口；[0056] 空氣換熱腔，具有相對(duì)應(yīng)的第七物料進(jìn)口和出口；[0057] 所述燃料供應(yīng)單元的燃料存儲(chǔ)裝置通過燃料管路經(jīng)所述熱量交換單元第一物料進(jìn)口和出口預(yù)熱后與所述燃料處理單元進(jìn)口連通；所述氧化劑供應(yīng)單元由3路組成，其分別

通過管路經(jīng)所述熱交換單元第三、五、七物料進(jìn)口和出口與燃料處理單元的進(jìn)口相連通，并

與燃料反應(yīng)后，一起從燃料處理單元的出口排出；

[0058] 所述燃料處理單元出口經(jīng)所述熱量交換單元第二物料進(jìn)口和出口與燃料電池反應(yīng)單元陽極燃料進(jìn)口相連通；

[0059] 所述燃料電池反應(yīng)單元的陽極出口尾氣與所述熱交換單元第四物料進(jìn)口連接，經(jīng)催化燃料后從熱交換單元的第四物料出口排出；

[0060] 所述燃料電池反應(yīng)單元的熱交換流質(zhì)，經(jīng)燃料電池后，進(jìn)入所述熱量交換單元的第六進(jìn)料口，經(jīng)預(yù)熱或冷卻后，從熱量交換單元的第六出料口排出，進(jìn)入燃料電池，循環(huán)使

用。

[0061] 本次系統(tǒng)運(yùn)行以乙醇為例，反應(yīng)器下端裝有活性組分為鎳的蒸汽重整催化劑，換熱器第2層中從物料入口到出口中，依次裝有活性組分為鎳、鐵和銅的水氣變換催化劑，第

四層中裝有催化燃燒催化劑。啟動(dòng)時(shí)，乙醇通過噴嘴進(jìn)入反應(yīng)器，進(jìn)料流量5?15ml/min，調(diào)

節(jié)空氣流量，使燃料完全燃燒，給系統(tǒng)預(yù)熱。穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，停止噴霧進(jìn)料，乙醇由換熱器第一

層預(yù)熱、汽化后與來自第三層預(yù)熱后的空氣和水混合，從反應(yīng)器的中部進(jìn)入。乙醇進(jìn)料

35ml/min，水碳比約1.85，氧碳比約為0.58。等離子體反應(yīng)器出口氣經(jīng)換熱器第二層降溫、

變換后，氫氣摩爾組成約40％，CO摩爾組成小于3％，直接從燃料電池的陽極入口進(jìn)入，并實(shí)

現(xiàn)放電，放電的電流、電壓和功率關(guān)系如圖3所示。

[0062] 系統(tǒng)停機(jī)時(shí)，先停燃料和水泵，再將空氣調(diào)至1m3/h左右，并停止電堆放電，保持空氣能入狀態(tài)，持續(xù)約1min。然后停止空氣壓縮機(jī)，最后停電堆導(dǎo)熱油泵。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是裝

置體積小，啟動(dòng)快，效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，可以將乙醇轉(zhuǎn)化為富含氫的混合氣體，供燃料電池使

用，利于燃料電池技術(shù)的推廣應(yīng)用。