一種中高溫燃料電池集成運(yùn)行系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種中高溫燃料電池集成運(yùn)行系統(tǒng)，包括燃料電池堆，以及連接在燃料電池堆上的氫氣供應(yīng)與循環(huán)系統(tǒng)、空氣供應(yīng)與循環(huán)系統(tǒng)和冷卻流體循環(huán)系統(tǒng)，還包括對(duì)氫氣和空氣進(jìn)行預(yù)熱的換熱器，以及控制冷卻液流量的冷卻液循環(huán)回路，從穩(wěn)壓閥流出的氫氣經(jīng)過換熱器換熱后，通過引射泵進(jìn)入燃料電池堆，從風(fēng)機(jī)流出的空氣經(jīng)換熱器換熱后進(jìn)入燃料電池堆，燃料電池堆的空氣出口排出的熱空氣返回?fù)Q熱器；所述的冷卻液循環(huán)回路包括兩個(gè)電磁控制閥，分別連接冷卻液循環(huán)泵，和冷卻液散熱器，以及通過循環(huán)管連接冷卻液儲(chǔ)箱，通過控制其中一個(gè)或二個(gè)電磁控制閥達(dá)到冷卻液體可以全部或部分甚至不進(jìn)入燃料電池堆。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有中高溫燃料電池運(yùn)行穩(wěn)定、效率高等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】一種中高溫燃料電池集成運(yùn)行系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種新能源【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是涉及一種中高溫燃料電池集成運(yùn)行系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)是21世紀(jì)人類利用氫能的最主要的關(guān)鍵技術(shù)。很多國(guó)家對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)產(chǎn)業(yè)化都給予了高度的重視與大力的支持，并取得了許多實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。可以預(yù)見，該技術(shù)的全面產(chǎn)業(yè)化將對(duì)未來(lái)世界能源供應(yīng)和格局產(chǎn)生重大影響。在現(xiàn)代社會(huì)生活和經(jīng)濟(jì)建設(shè)中，電力供應(yīng)和保障的重要性越來(lái)越重要，同時(shí)對(duì)提高電力生產(chǎn)和使用效率及環(huán)境友好的要求程度不斷提高。分布式發(fā)電的接近用戶，減少電力遠(yuǎn)距離輸送，根據(jù)用電需求靈活調(diào)整的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越受到各國(guó)的重視。
[0003]根據(jù)質(zhì)子交換膜的運(yùn)行溫度，質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)可分為低溫和中高溫兩種類型。低溫質(zhì)子交換膜燃料電池的運(yùn)行溫度一般不高于90°C，具有啟動(dòng)快、功率密度高、重量輕、體積小的優(yōu)點(diǎn)，它對(duì)作為燃料的氫氣純度要求很高，適合與太陽(yáng)能等可再生能源銜接，利用電解水制取的高純度氫氣將不穩(wěn)定的可再生能源轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的電能；中高溫質(zhì)子交換膜燃料電池的運(yùn)行溫度在100°C到200°C，雖然相比低溫質(zhì)子交換膜燃料電池(工作溫度< 90°C )的啟動(dòng)速度略慢(需要預(yù)熱)、功率密度稍低，但是中高溫質(zhì)子交換膜燃料電池(工作溫度100-200°C )有很強(qiáng)的抗CO中毒能力，非常適合由天然氣、管道煤氣、甲醇、丙烷、甚至是垃圾填埋氣以及生物能等多種方式重整制得的氫氣，大大降低了燃料電池發(fā)電技術(shù)的使用門檻，而且由于高溫燃料電池運(yùn)行與100°C以上的高溫，電堆生成水全部汽化，不會(huì)造成燃料電池堆內(nèi)流道堵水，燃料電池的穩(wěn)定可靠性大大提高，運(yùn)行壽命比低溫燃料電池高出10倍以上。此外，中高溫質(zhì)子交換膜燃料電池運(yùn)行產(chǎn)生的高溫更容易被回收利用，整合成熱電聯(lián)供系統(tǒng)(CHP)進(jìn)一步提高其能量利用率。中高溫質(zhì)子交換膜燃料電池具有運(yùn)行穩(wěn)定性高、系統(tǒng)簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣，從小型居民家用終端熱電聯(lián)供，到樓宇、小區(qū)的分布式發(fā)電、大型的中心發(fā)電站。
[0004]高溫質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)作為燃料電池中使用固態(tài)質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)的一種，其電解質(zhì)的重要特性、膜電極(membrane electrode assembly MEA)的基本結(jié)構(gòu)和燃料電池的工作方式與低溫質(zhì)子交換膜燃料電池(工作溫度< 90°C )類似:電解質(zhì)同樣是質(zhì)子的導(dǎo)體、電子的絕緣體，并有非常低的氣體滲透性；膜電極MEA同樣是其核心部件，膜電極與其兩側(cè)的雙極板組成了燃料電池的基本單元-燃料電池單電池；膜電極的基本結(jié)構(gòu)也是中間質(zhì)子交換膜，膜兩側(cè)分別是陰極和陽(yáng)極電催化劑，陰陽(yáng)極電催化劑外附氣體擴(kuò)散層；工作過程，氫氣透過有孔的氣體擴(kuò)散層至催化劑層，燃料電池的氫氣一側(cè)為陽(yáng)極，催化劑使氫氣分離為質(zhì)子和電子，質(zhì)子通過電解質(zhì)達(dá)到陰極(即氧氣一側(cè))，電子流過一個(gè)外部電路到達(dá)陰極，在陰極質(zhì)子、電子和氧氣反應(yīng)生成水。
[0005]一個(gè)典型電池組通常包括:(I)燃料及氧化劑氣體的導(dǎo)流進(jìn)口和導(dǎo)流通道，將燃料(如氫氣、甲醇或由甲醇、天然氣、汽油經(jīng)重整后得到的富氫氣體)和氧化劑(主要是氧氣或空氣)均勻地分布到各個(gè)陽(yáng)極、陰極面的導(dǎo)流槽中；(2)冷卻流體(如水)的進(jìn)出口與導(dǎo)流通道，將冷卻流體均勻分布到各個(gè)電池組內(nèi)冷卻通道中，將燃料電池內(nèi)氫、氧電化學(xué)放熱反應(yīng)生成的熱吸收并帶出電池組后進(jìn)行散熱；(3)燃料與氧化劑氣體的出口與相應(yīng)的導(dǎo)流通道，燃料氣體與氧化劑氣體在排出時(shí)，可攜帶出燃料電池中生成的液、汽態(tài)的水。通常，將所有燃料、氧化劑、冷卻流體的進(jìn)出口都開在燃料電池組的一個(gè)端板上或兩個(gè)端板上。
[0006]中高溫燃料電池，運(yùn)行溫度為100-200°C，冷的空氣或氫氣進(jìn)入電堆，對(duì)發(fā)電性能會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，影響發(fā)電效率，并且中高溫燃料電池在啟動(dòng)是需要外接電源產(chǎn)生熱使電堆溫度達(dá)到100°C以上，方可啟動(dòng)運(yùn)行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本實(shí)用新型的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種方便啟動(dòng)及運(yùn)行穩(wěn)定的中高溫燃料電池集成運(yùn)行系統(tǒng)。
[0008]本實(shí)用新型的目的可以通過以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):一種中高溫燃料電池集成運(yùn)行系統(tǒng)，包括燃料電池堆，以及連接在燃料電池堆上的氫氣供應(yīng)與循環(huán)系統(tǒng)、空氣供應(yīng)與循環(huán)系統(tǒng)和冷卻流體循環(huán)系統(tǒng)，其中氫氣供應(yīng)與循環(huán)系統(tǒng)包括氫氣罐、減壓閥、穩(wěn)壓閥、引射泵、汽水分離器，所述的氫氣罐依次通過減壓閥、穩(wěn)壓閥、引射泵連接到燃料電池堆的氫氣入口，燃料電池堆的氫氣出口連接汽水分離器，汽水分離器的氣體出口連接引射泵；所述的空氣供應(yīng)與循環(huán)系統(tǒng)包括過濾器、風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)的入口連接過濾器，出口連接燃料電池堆的空氣進(jìn)口 ；所述的冷卻流體循環(huán)系統(tǒng)包括冷卻液循環(huán)泵、冷卻液儲(chǔ)箱，冷卻液散熱器，所述的冷卻液儲(chǔ)箱依次連接冷卻液循環(huán)泵、冷卻液散熱器、燃料電池堆的冷卻液入口，燃料電池堆的冷卻液出口連接冷卻液儲(chǔ)箱，其特征在于，還包括對(duì)氫氣和空氣進(jìn)行預(yù)熱的換熱器，以及控制冷卻液流量的冷卻液循環(huán)回路，從穩(wěn)壓閥流出的氫氣經(jīng)過換熱器換熱后，通過引射泵進(jìn)入燃料電池堆，從風(fēng)機(jī)流出的空氣經(jīng)換熱器換熱后進(jìn)入燃料電池堆，燃料電池堆的空氣出口排出的熱空氣返回?fù)Q熱器；所述的冷卻液循環(huán)回路包括兩個(gè)電磁控制閥和一個(gè)循環(huán)管路，該循環(huán)管路連接冷卻液循環(huán)泵和冷卻液儲(chǔ)箱，所述的兩個(gè)電磁控制閥中的一個(gè)電磁閥a設(shè)置在冷卻流體進(jìn)入燃料電池堆的主管道上，另一個(gè)電磁閥b設(shè)置在循環(huán)管上，通過控制其中一個(gè)或二個(gè)電磁控制閥使冷卻液體全部或部分甚至不進(jìn)入燃料電池堆。
[0009]所述的換熱器內(nèi)設(shè)有加熱管、一路或多路氫氣流道管、一路或多路空氣流道管，換熱器底部設(shè)有空氣入口，頂部設(shè)有空氣排出口及排空閥；所述的氫氣流道管兩端分別連接穩(wěn)壓閥和引射泵，所述的空氣流道管兩端分別連接風(fēng)機(jī)和燃料電池堆，所述的加熱管外接電源，對(duì)氫氣和空氣進(jìn)行預(yù)熱，同時(shí)回收從燃料電池堆流出的空氣的熱量。
[0010]所述的加熱管包括設(shè)有I?20根，每根加熱管的功率為0.1?500w。
[0011]所述的加熱管為石英玻璃管、或招翅片包覆管、或銅包覆管。
[0012]所述的燃料電池堆的空氣出口處設(shè)有溫度探測(cè)器Tl，冷卻流體出口處設(shè)有溫度探測(cè)器T2。
[0013]所述的兩個(gè)電磁控制閥連接控制器，控制器連接溫度探測(cè)器Tl和溫度探測(cè)器T2，當(dāng)溫度探測(cè)器Tl探測(cè)的溫度小于100°c時(shí)，少量空氣和氫氣或沒有空氣或氫氣進(jìn)入燃料電池堆，關(guān)閉電磁閥a，打開電磁閥b，冷卻液全部返回冷卻液儲(chǔ)箱；當(dāng)溫度探測(cè)器Tl的溫度大于100°C，溫度探測(cè)器T2的溫度接近100°C時(shí)，電磁閥a和電磁閥b同時(shí)打開并控制冷卻液部分通過循環(huán)管路返回冷卻液儲(chǔ)箱，部分進(jìn)入燃料電池堆，進(jìn)入燃料電池堆的冷卻液控制在冷卻液總流量的I?20%;當(dāng)溫度探測(cè)器T2的溫度大于120°C時(shí)，氫氣、空氣正常進(jìn)入燃料電池堆，電磁閥a全開，電磁閥b關(guān)閉，冷卻液全部進(jìn)入燃料電池堆，并通過冷卻液散熱器控制進(jìn)入燃料電池堆的溫度。
[0014]所述的兩個(gè)電磁控制閥還可以通過一個(gè)三通閥代替。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn):在燃料電池堆前設(shè)置換熱器，一方面通過換熱器將氫氣和空氣預(yù)熱到與燃料電池堆運(yùn)行溫度相當(dāng)，以加熱燃料電池堆達(dá)到預(yù)定啟動(dòng)溫度(> 100°c )，另一方面回收從燃料電池堆空氣出口排出的高溫氣體的溫度，實(shí)現(xiàn)熱量的回收利用，以免冷氣體進(jìn)入燃料電池堆造成燃料電池堆運(yùn)行不穩(wěn)定。同時(shí)本實(shí)用新型設(shè)置了冷卻液的循環(huán)控制回路，使其在燃料電池堆運(yùn)行初期，少量的冷卻流體進(jìn)入電堆，等到燃料電池堆正常運(yùn)行時(shí)在將冷卻液入口全開，全部進(jìn)入燃料電池堆，減少能源浪費(fèi)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1為本實(shí)用新型的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0018]實(shí)施例1
[0019]如圖1所示，一種IOkw中高溫燃料電池集成運(yùn)行系統(tǒng)，包括燃料電池堆5，其尺寸約是105mmX400mmX700mm，以及連接在燃料電池堆上的氫氣供應(yīng)與循環(huán)系統(tǒng)、空氣供應(yīng)與循環(huán)系統(tǒng)和冷卻流體循環(huán)系統(tǒng)，其中氫氣供應(yīng)與循環(huán)系統(tǒng)包括氫氣罐1、減壓閥2、穩(wěn)壓閥3、引射泵4、汽水分離器6，所述的氫氣罐I依次通過減壓閥2、穩(wěn)壓閥3(將壓力穩(wěn)定在
0.1?Ibar)、引射泵4連接到燃料電池堆5的氫氣入口，燃料電池堆5的氫氣出口連接汽水分離器6，汽水分離器6的氣體出口連接引射泵4，汽水分離器6還連接排空閥7，儲(chǔ)氫罐I還連接帶單向閥8的充氫口 9 ;所述的空氣供應(yīng)與循環(huán)系統(tǒng)包括過濾器10、風(fēng)機(jī)11，風(fēng)機(jī)11的入口連接過濾器10，出口連接燃料電池堆5的空氣進(jìn)口 ；所述的冷卻流體循環(huán)系統(tǒng)包括冷卻液循環(huán)泵13、冷卻液儲(chǔ)箱12，冷卻液散熱器14，所述的冷卻液儲(chǔ)箱12依次連接冷卻液循環(huán)泵13、冷卻液散熱器14、燃料電池堆5的冷卻液入口，燃料電池堆5的冷卻液出口連接冷卻液儲(chǔ)箱12 ；
[0020]所述的系統(tǒng)還包括對(duì)氫氣和空氣進(jìn)行預(yù)熱的換熱器15，以及控制冷卻液流量的冷卻液循環(huán)回路，所述的換熱器15內(nèi)設(shè)有加熱管151、二根合二為一的氫氣流道管152、二根合二為一的空氣流道管153，換熱器底部設(shè)有空氣入口，頂部設(shè)有空氣排出口及排空閥154 ;所述的氫氣流道管兩端分別連接穩(wěn)壓閥3和引射泵4，所述的空氣流道管兩端分別連接風(fēng)機(jī)11和燃料電池堆5，所述的加熱管151外接電源，從穩(wěn)壓閥3流出的氫氣經(jīng)過換熱器換熱后，通過引射泵4進(jìn)入燃料電池堆5，從風(fēng)機(jī)11流出的空氣經(jīng)換熱器15換熱后進(jìn)入燃料電池堆5，燃料電池堆5的空氣出口排出的熱空氣返回?fù)Q熱器；所述的加熱管包括設(shè)有3根，每根加熱管的功率為200w，對(duì)氫氣和空氣進(jìn)行預(yù)熱，同時(shí)回收從燃料電池堆流出的空氣的熱量。所述的加熱管為石英玻璃管、或招翅片包覆管、或銅包覆管。
[0021]所述的冷卻液循環(huán)回路包括兩個(gè)電磁閥:電磁閥al8、電磁閥bl9，電磁閥al8分別連接冷卻液循環(huán)泵13和冷卻液散熱器14，電磁閥bl9設(shè)置在循環(huán)管上，循環(huán)管兩端分別連接冷卻液循環(huán)泵13和冷卻液儲(chǔ)箱12，并在冷卻液儲(chǔ)箱12底部設(shè)有電磁閥20。
[0022]所述的燃料電池堆5的空氣出口處設(shè)有溫度探測(cè)器！\16，冷卻流體出口處設(shè)有溫度探測(cè)器^。
[0023]電磁閥al8、電磁閥bl9連接控制器，控制器連接溫度探測(cè)器?\16和溫度探測(cè)器τ217，當(dāng)溫度探測(cè)器T1Ie探測(cè)的溫度小于ioo°c時(shí)，少量空氣和氫氣進(jìn)入燃料電池堆，電磁閥al8關(guān)閉、電磁閥bl9全開啟，冷卻液全部返回冷卻液儲(chǔ)箱；當(dāng)溫度探測(cè)器T1Ie的溫度大于100°c，溫度探測(cè)器T217的溫度接近100°C時(shí)，電磁閥al8部分開啟、電磁閥b 19開啟，控制冷卻液的部分通過循環(huán)管返回冷卻液儲(chǔ)箱，部分進(jìn)入燃料電池堆，進(jìn)入燃料電池堆的冷卻液控制在冷卻液總流量的10% ;當(dāng)溫度探測(cè)器T217的溫度大于120°C時(shí)，電磁閥al8全開、電磁閥bl9關(guān)閉，同時(shí)氫氣、空氣全開，并通過換熱器控制進(jìn)入燃料電池堆的溫度，此時(shí)燃料電池功率可以自由穩(wěn)定輸出O~10kw。
[0024]實(shí)施例2
[0025]由一個(gè)30kw中高溫燃料電池堆，該電池堆有3個(gè)IOkw模塊并行集成而成，集成運(yùn)行系統(tǒng)如實(shí)施例1,所述的電磁閥al8、電磁閥bl9通過一個(gè)三通閥代替，其余同實(shí)施例1。
[0026]加熱管可根 據(jù)需要設(shè)置I~20根，每根加熱管的功率可選擇0.1~500w。
【權(quán)利要求】
1.一種中高溫燃料電池集成運(yùn)行系統(tǒng)，包括燃料電池堆，以及連接在燃料電池堆上的氫氣供應(yīng)與循環(huán)系統(tǒng)、空氣供應(yīng)與循環(huán)系統(tǒng)和冷卻流體循環(huán)系統(tǒng)，其中氫氣供應(yīng)與循環(huán)系統(tǒng)包括氫氣罐、減壓閥、穩(wěn)壓閥、引射泵、汽水分離器，所述的氫氣罐依次通過減壓閥、穩(wěn)壓閥、引射泵連接到燃料電池堆的氫氣入口，燃料電池堆的氫氣出口連接汽水分離器，汽水分離器的氣體出口連接引射泵；所述的空氣供應(yīng)與循環(huán)系統(tǒng)包括過濾器、風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)的入口連接過濾器，出口連接燃料電池堆的空氣進(jìn)口 ；所述的冷卻流體循環(huán)系統(tǒng)包括冷卻液循環(huán)泵、冷卻液儲(chǔ)箱，冷卻液散熱器，所述的冷卻液儲(chǔ)箱依次連接冷卻液循環(huán)泵、冷卻液散熱器、燃料電池堆的冷卻液入口，燃料電池堆的冷卻液出口連接冷卻液儲(chǔ)箱，其特征在于，還包括對(duì)氫氣和空氣進(jìn)行預(yù)熱的換熱器，以及控制冷卻液流量的冷卻液循環(huán)回路，從穩(wěn)壓閥流出的氫氣經(jīng)過換熱器換熱后，通過引射泵進(jìn)入燃料電池堆，從風(fēng)機(jī)流出的空氣經(jīng)換熱器換熱后進(jìn)入燃料電池堆，燃料電池堆的空氣出口排出的熱空氣返回?fù)Q熱器；所述的冷卻液循環(huán)回路包括兩個(gè)電磁控制閥和一個(gè)循環(huán)管路，該循環(huán)管路連接冷卻液循環(huán)泵和冷卻液儲(chǔ)箱，所述的兩個(gè)電磁控制閥中的一個(gè)電磁閥a設(shè)置在冷卻流體進(jìn)入燃料電池堆的主管道上，另一個(gè)電磁閥b設(shè)置在循環(huán)管上，通過控制其中一個(gè)或二個(gè)電磁控制閥使冷卻液體全部或部分甚至不進(jìn)入燃料電池堆。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種中高溫燃料電池集成運(yùn)行系統(tǒng)，其特征在于，所述的換熱器內(nèi)設(shè)有加熱管、一路或多路氫氣流道管、一路或多路空氣流道管，換熱器底部設(shè)有空氣入口，頂部設(shè)有空氣排出口及排空閥；所述的氫氣流道管兩端分別連接穩(wěn)壓閥和引射泵，所述的空氣流道管兩端分別連接風(fēng)機(jī)和燃料電池堆，所述的加熱管外接電源，對(duì)氫氣和空氣進(jìn)行預(yù)熱，同時(shí)回收從燃料電池堆流出的空氣的熱量。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種中高溫燃料電池集成運(yùn)行系統(tǒng)，其特征在于，所述的加熱管包括設(shè)有I?20根，每根加熱管的功率為0.1?500w。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種中高溫燃料電池集成運(yùn)行系統(tǒng)，其特征在于，所述的加熱管為石英玻璃管、或招翅片包覆管、或銅包覆管。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種中高溫燃料電池集成運(yùn)行系統(tǒng)，其特征在于，所述的燃料電池堆的空氣出口處設(shè)有溫度探測(cè)器Tl，冷卻流體出口處設(shè)有溫度探測(cè)器T2。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種中高溫燃料電池集成運(yùn)行系統(tǒng)，其特征在于，所述的兩個(gè)電磁控制閥連接控制器，控制器連接溫度探測(cè)器Tl和溫度探測(cè)器T2。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的一種中高溫燃料電池集成運(yùn)行系統(tǒng)，其特征在于，所述的兩個(gè)電磁控制閥還可以通過一個(gè)三通閥代替。
【文檔編號(hào)】H01M8/04GK203674322SQ201320860380
【公開日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2013年12月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月24日
【發(fā)明者】胡里清 申請(qǐng)人:上海神力科技有限公司