CN102244283A - 一种膜电解自供氢质子交换膜燃料电池发电系统及其方法 - Google Patents

一种膜电解自供氢质子交换膜燃料电池发电系统及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种使用质子交换膜燃料电池的备用电源系统，主要包括氢气制取设备、氢气的升压和储存设备以及质子交换膜燃料电池。本发明将膜电解制氢装置与质子交换膜燃料电池有机地结合在一起，膜电解制备出来的氢气和氧气通过压缩机压缩到35MPa，分别储存在耐高压的碳纤维气瓶内，当市电网停电时，该系统能自动为质子交换膜燃料电池提供所储存的氢气和氧气，使燃料电池发电，从而为不能停电的用电设备瞬间提供备用电力。本发明可将膜电解制氢的规模与质子交换膜燃料电池匹配模块化，适应于需求不同功率大小的客户。本发明系统内配套的质子交换膜燃料电池可以是氢-氧燃料电池，也可以是氢-空燃料电池。

Description

一种膜电解自供氢质子交换膜燃料电池发电系统及其方法
技术领域
本发明涉及一种使用质子交换膜燃料电池的备用电源系统，尤其是用于通讯机站、医院等场所及用于分布式发电的备用电源系统，主要包括氢气制取设备、氢气的升压和储存设备以及质子交换膜燃料电池。
背景技术
通常将质子交换膜燃料电池用于做分布式电站或应急备用电源时，就质子交换膜燃料电池本身和控制技术来说，在应用方面都是成熟的，但是大家都忽略了一个问题，就是质子交换膜燃料电池使用的燃料氢气的来源。在实际应用中，质子交换膜燃料电池不能推广应用的原因之一就在于燃料氢气的来源问题，尤其是用于偏远的通讯机站的使用燃料电池的备用电源，瓶装氢气的配送是很困难的事情。因此将氢气的现场制备与质子交换膜燃料电池有机地结合成一个系统，将是一个较为理想的实用装置。
经查询，发现有如下四项专利与本发明有关联：
(1)清华大学毛宗强申请的发明专利“质子交换膜燃料电池发电机”(申请号：01120272.6)，是使用天然气、汽油和甲醇作为原料气，经重整器将原料气转化为富氢气体，提供给燃料电池作为燃料使用。该专利的最大缺点在于：将这些原料气进行重整制备富氢气体时，也需要电力或其它能源提供动力，因此这种发电机在没有电力能源供应的条件下不便应用。而且这种重整制备出来的富氢气体并不是高纯度的氢气，含有大量的杂质成份，尤其是天然气中所含有的硫化物和一氧化碳，对质子交换膜和催化剂有毒害作用，致使质子交换膜燃料电池不能工作或缩短使用寿命，该专利中并没有提及系统中有氢气的纯化装置可以去除氢气中的有害物质。
(2)美国霍尼韦尔国际公司的R·A·伍德申请的发明专利“包括燃料电池和金属氢化物的电力发电机”(申请号：200580030690.4)，是用饱和水湿气与金属氢化物反应产生氢气，该氢气作为燃料气体直接进入燃料电池，从而使燃料电池得以发电并产生饱和水湿气，该湿气继续与金属氢化物进行反应的装置。该发明是一个很好的创意，可以达到实用的目的，但与本发明是完全不同的技术路线。该专利的缺点在于：采用的金属氢化物的成本非常高，远比电解水制氢的成本高几倍，甚至几十倍，且合成这些金属氢化物还需要用到矿产储量极少的硼等稀有元素，因此实际应用的可能性比较小。
(3)深圳市泰昂电子技术有限公司金林、冷旭东申请的实用新型专利“质子交换膜燃料电池作为变电站应急电源系统”(专利号：ZL200720120199.7)，只是一个有控制的燃料电池系统，并不涉及其供氢的来源，该实用新型专利的缺点在于：没有真正发挥出燃料电池本身作为应急备用电源的优势，还需要与蓄电池组的配合，既不能减少备用电源的体积，也不能避免蓄电池组的二次污染，且其中所述的实施方式是错误的，燃料电池的发电功率并不是通过调节进入系统的氢气和空气的流量可以控制的，而是由负载的大小决定的，在额定的燃料电池功率内，其发电量的大小取决于负载所需要的电流量，从而决定氢气与空气在燃料电池内参加反应的量，单方面增加进氢和进氧量是不可能提高燃料电池的发电功率的。而且比较小的进氢进氧的压力和流量会不利于将燃料电池堆里的饱和水气及氢氧还原生成的水排出，从而影响燃料电池的发电效率。
(4)日本新日本石油株式会社的西山拓雄、井深丈、川路幸弘申请的发明专利“使用了燃料电池的备用电源系统”(申请号：200780006504.2)，是将燃料电池作为一个备用的电源来使用，并没有涉及燃料氢的制备和还原剂氧的来源方式。
发明内容
本发明的目的是提供一种将膜电解制氢装置与质子交换膜燃料电池(PEMFC)有机地结合在一起的系统，膜电解制备出来的氢气和氧气通过压缩机压缩到35MPa，分别储存在耐高压的碳纤维气瓶内，当市电网停电时，该系统能自动为PEMFC提供所储存的氢气和氧气，使PEMFC发电，从而为不能停电的用电设备瞬间提供备用电力。
本发明提供了一种不需要定期购买氢气或更换储氢容器的燃料电池发电系统。本发明在有市电的情况下，膜电解制氢设备自动制氢，并将生成的氢气和氧气升压至35MPa，分别储存在碳纤维高压气瓶内，当气瓶储满后，膜电解制氢设备自动停止制氢，从而使燃料电池作为备用电源或发电机更具有实用性，有更长的备用发电时间。
本发明可将膜电解制氢的规模与质子交换膜燃料电池匹配模块化，适应于需求不同功率大小的客户。
本发明不同于传统地碱式电解设备，不需要氢氧分离装置，也不需要氢气纯化设备，就能生产出满足质子交换膜燃料电池使用要求的燃料氢气，从而大大简化了系统的复杂性和体积。
本发明采用撬装式结构和全系统的程序控制(PLC控制)，设置全时监控系统，可做到与市电自动切换，无人值守，设备运行安全、稳定、可靠，可移动或固定安装。
本发明中的升压设备可直接压缩含有饱和水蒸汽的氢气和氧气，压缩机自身带有除水装置，免去了纯化除水装置从而有效地减少了系统的复杂程度，并且使质子交换膜燃料电池的增湿系统简化。外购氢气的露点一般在-50℃左右，如果作为燃料电池的燃料氢气需要经过增湿才可以使用，否则将降低燃料电池的效率和寿命。
本发明将储热材料作为系统的保温防冻材料，能使该系统在-25℃低温环境下或市电停电的情况下工作10小时以上，不会发生冰冻，使该系统有更大的应用区域。
本发明中系统内配套的质子交换膜燃料电池可以是氢-氧燃料电池，也可以是氢-空燃料电池。在使用氢-空燃料电池时，膜电解产生的氧气不进行储存，直接排入大气，燃料电池工作时直接以空气为还原剂。
附图说明
图1是本发明的详细图示。
具体实施方式
本发明提供的系统包括：AC/DC转换器2、膜电解制氢装置4(0.1-10Nm3/h)、纯水容器5、冷却系统6、除水装置7、氧气压缩机8(0.5m3/h，3-35MPa)、氧气储罐9(35MPa)、除水装置10、氢气压缩机11(1m3/h，3-35MPa)、氢气储罐12(35MPa)、质子交换膜燃料电池发电系统13、DC/AC转换器15。
本发明的具体实施方式为：外接的220V交流市电1通过AC/DC转换器2，转换为100V的直流电3，作为膜电解制氢装置4的动力电源使用，纯水容器5和冷却系统6作为膜电解装置4的配套设备。电解产生的氧气经除水装置7除水、氧气压缩机8压缩后，储存在氧气储罐9内。电解产生的氢气经除水装置10除水、氢气压缩机11压缩后，储存在氢气储罐12内。当氧气储罐9或氧气储罐12内储满气体后，膜电解装置4停止工作。当需要质子交换膜燃料电池发电系统13提供电力时，氧气储罐9内的氧气与氢气储罐11内的氢气同时通入发电系统13，质子交换膜燃料电池工作，生成的直流电14，经DC/AC转换器15进行转换后，转换为220V交流电16，提供给需要用电的设备。
本发明提供的系统中如果质子交换膜燃料电池发电系统13使用氢-空燃料电池，则本系统包括：AC/DC转换器2、膜电解制氢装置4(0.1-10Nm3/h)、纯水容器5、冷却系统6、除水装置10、氢气压缩机11(1m3/h，3-35MPa)、氢气储罐12(35MPa)、质子交换膜燃料电池发电系统13、DC/AC转换器15。
本发明的具体实施方式为：外接的220V交流市电1通过AC/DC转换器2，转换为100V的直流电3，作为膜电解制氢装置4的动力电源使用，纯水容器5和冷却系统6作为膜电解装置4的配套设备。电解产生的氧气直接排空。电解产生的氢气经除水装置10除水、氢气压缩机11压缩后，储存在氢气储罐12内。当氢气储罐12内储满气体后，膜电解装置4停止工作。当需要质子交换膜燃料电池发电系统13提供电力时，氢气储罐11内的氢气通入发电系统13，燃料电池工作，生成的直流电14经DC/AC转换器15进行转换后，转换为220V交流电16，提供给需要用电的设备。

Claims (6)

1.一种膜电解自供氢质子交换膜燃料电池发电系统，其特征在于：该系统包括：膜电解制氢装置、除水装置、压缩机、储罐和燃料电池发电系统；系统中膜电解制氢装置、除水装置、压缩机、储罐和燃料电池发电系统的布置为：外接的220V交流市电通过AC/DC转换器转换为100V的直流电，作为膜电解制氢装置的动力电源使用，纯水容器和冷却系统作为膜电解制氢装置的配套设备与膜电解制氢装置连接，电解产生的氧气经除水装置除水、氧气压缩机压缩后，储存在氧气储罐内，电解产生的氢气经除水装置除水、氢气压缩机压缩后，储存在氢气储罐内，当氧气储罐内的氧气与氢气储罐内的氢气同时通入燃料电池发电系统时，燃料电池工作，生成的直流电经DC/AC转换器进行转换后，转换为220V交流电，提供给需要用电的设备。
2.按照权利要求1所述的系统，其特征在于：氢气压缩机的进气压力为3MPa，出气压力为35MPa，可直接压缩含有饱和水蒸汽的氢气，自带有储水装置；氢气储罐为碳纤维高压储罐，工作压力为35MPa；氧气压缩机的进气压力为3MPa，出气压力为35MPa，可直接压缩含有饱和水蒸汽的氧气，自带有储水装置；氧气储罐为碳纤维高压储罐，工作压力为35MPa。
3.按照权利要求1所述的系统，其特征在于：采用撬装式结构和全系统的程序控制(PLC控制)，设置全时监控系统，可做到无人值守，设备可移动或固定安装。
4.按照权利要求1所述的系统，其特征在于：采用储热材料作为系统的保温防冻材料，能使该系统在-25℃低温环境下或市电停电的情况下工作10小时以上，不会发生冰冻。
5.按照权利要求1所述的系统，其特征在于：系统内的质子交换膜燃料电池可以是氢-氧燃料电池，也可以是氢-空燃料电池。
6.一种使用权利要求1所述的膜电解自供氢质子交换膜燃料电池发电备用电源系统进行发电的方法，其特征在于：将外接的220V交流市电1通过AC/DC转换器2，转换为100V的直流电3，作为膜电解制氢装置4的动力电源使用，纯水容器5和冷却系统6作为膜电解装置4的配套设备，电解产生的氧气经除水装置7除水、氧气压缩机8压缩后，储存在氧气储罐9内，电解产生的氢气经除水装置10除水、氢气压缩机11压缩后，储存在氢气储罐12内，当氧气储罐9或氢气储罐12内储满气体后，膜电解装置4停止工作，当需要燃料电池发电系统13提供电力时，氧气储罐9内的氧气与氢气储罐11内的氢气同时通入燃料电池发电系统13，燃料电池工作，生成的直流电14，经DC/AC转换器15进行转换后，转换为220V交流电16，提供给需要用电的设备。
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