CN105576269B - 一种固定式的微型燃料电池热电联产装置的热控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种固定式的微型燃料电池热电联产装置的热控制系统。本发明进入燃料电池电堆的气路为正常工作气路，燃料重整单元产生的高温富氢混合气流通过管路进入一号换热器后经一号换热器的出口通过一号电磁阀进入阳极板进行发电，从阳极板排出的高温尾气通过单向阀进入二号换热器，再进入冷凝器进行水汽分离后再分别回流到重整单元进行循环利用；冷却水泵与四号换热器相通取冷水，冷水经二号换热器与阳极板排出的高温尾气进行换热，再经过三通阀后根据热电偶测温装置测得的冷却液的温度高低分成两路控制，冷却液循环回路通过三号换热器与冷却水循环回路相连通。本发明冷却循环单元结构简单、设计精简，节约了很多零部件，大大节约了热电联产装置体积，同时降低了成本。

Description

一种固定式的微型燃料电池热电联产装置的热控制系统
技术领域
本发明属于燃料电池热电联产系统、能量控制技术领域，具体涉及一种固定式的微型燃料电池热电联产装置的热控制系统。
背景技术
燃料电池热电联产装置是使用碳氢类燃料(天然气,沼气等)经过燃料重整单元转换成富氢重整混合气后，将重整混合气与空气分别供给到燃料电池电堆的阳极和阴极，进而通过电化学反应产生直流电，并对重整反应过程中的热量及电力生产过程中产生的热量进行回收。
在燃料电池热电联产装置中，从重整单元中得到的富氢混合气流通常温度较高150℃或更高，在进入燃料电池阳极之前必须冷却至液化点和80℃之间，或者由电堆制造商设定的最大正常运行温度。富氢混合气流中的水蒸气低于其露点温度将开始凝结成液态水，这不利于燃料电池电堆的运行，甚至会对燃料电池电堆运行造成危害。当富氢混合气流温度超过80℃或燃料电池电堆制造商设定的最大正常运行温度时，燃料电池的材料可能退化、失效甚至报废。
燃料电池电堆正常运行发电时会产生余热。为了保证电堆的正常运行，需要一个专用的冷却回路将电堆中的废热迅速排出。该回路中液体泵将冷却液输送到电堆冷却板中，冷却液将废热带出电堆。在这个过程中电堆废热导致冷却液温度升高。在冷却液返回到液体泵之前，它需要被冷却到一个合适的温度，该温度是由冷却液的流速和所需移除的废热的量所决定的。
最后一个热源来自阳极尾气。该气流从电堆阳极堆离开，它包含未使用的氢，液体水和水蒸汽，还有其它成分，如二氧化碳，甲烷和微量的一氧化碳。蒸汽冷凝时会释放出大量的能量。几乎在所有的设计中，该混合气都被输送到燃料重整单元中，并为吸热的蒸汽重整反应提供热量，提高系统的效率。冷却阳极尾气有两个主要好处。一个好处是将额外的能量从阳极尾气转移给热水副产品，另外一个则是干燥气流更有利于燃料重整单元的燃烧性能。另外一个不太明显的好处是，混合气中的冷凝水返回到燃料重整单元，被系统回收并利用，减轻燃料重整单元系统对水需求的负担。
燃料电池电堆通常在一个最佳的工作温度范围内实现输出功率最大化。当燃料电池电堆处于冷启动时，需要通过自身工作产生的热量来加热电堆，这个过程耗时较多，因此燃料电池电堆的输出功率在启动时间内受到限制。所以需要利用整个系统中的热能来设计一个循环回路实现快速加热电堆，尽快达到理想功率输出。
显然，需要一种热控制方法以完成这两个主要目标。一个目标是有效控制阳极入口气流温度和冷却液入口温度，目的是控制燃料电池电堆的温度。另一个目标是尽可能地回收各方面的热量，以最大限度地提高系统的整体效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种固定式微型燃料电池热电联产装置的热控制系统，用于调节燃料电池堆的温度，以保证燃料电池系统可靠运行，另一方面尽可能地回收利用各方面的热量，以最大限度地提高系统的整体效率。
本发明为实现上述目的而采取的技术方案为：
一种用于住宅的微型燃料电池热电联产装置的热控制系统，包括将碳氢燃料催化转换成氢的燃料重整单元和与燃料重整单元相连接的水热循环单元，所述的水热循环单元包括气流管路、冷却水循环回路和冷却液循环回路，气流管路包括气流进入管路、一号换热器、一号电磁阀、单向阀、二号换热器、冷凝器和二号电磁阀，气流管路分为两条，一条为进入燃料电池电堆的气路，另外一条是旁路，所述进入燃料电池电堆的气路为正常工作气路，燃料重整单元产生的高温富氢混合气流通过管路进入一号换热器使高温富氢混合气体温度降低到设定温度后经一号换热器的出口通过一号电磁阀进入阳极板进行发电，从阳极板排出的高温尾气通过单向阀进入二号换热器使高温尾气温度降低，降温后的高温尾气进入冷凝器进行水汽分离，分离后所产生的干气流与水气再分别回流到重整单元进行循环利用；所述旁路是在燃料电池电堆启动前，泵入燃料重整单元大量的液态水产生的水蒸气通过管路进入一号换热器与水循环回路的冷却水换热，经一号换热器的出口通过二号电磁阀进入二号换热器使得水蒸汽温度进一步降低，降温后进入冷凝器形成液态水回流到燃料重整单元进行循环利用；
所述冷却水循环回路包括冷却水泵、三通阀、三号换热器和四号换热器，冷却水泵与四号换热器相通取冷水，冷水经二号换热器与阳极板排出的高温尾气进行换热，冷水水温升高，升温后的冷水经过三通阀后根据热电偶测温装置测得的冷却液的温度高低分成两路：一路是当冷却液的温度高于冷却液温度的设定值时冷水进入三号换热器与冷却液进行换热，使冷却液的温度降低到设定温度，升温后的冷水继续循环进入一号换热器与燃料重整单元的产生高温富氢混合气体换热，水温进一步升高，再经过四号换热器降温后与冷却水泵相通；另一路是当冷却液的温度低于冷却液温度设定值时，冷水直接进入一号换热器与燃料重整单元的高温富氢气流换热，水温升高，再经过四号换热器降温后与冷却水泵相通，四号换热器出水管与热水副产品水箱相连接；
所述冷却液循环回路包括冷却液泵和热电偶测温装置和冷却剂板，冷却液通过冷却液泵在冷却剂板和冷却液管路之间形成回路，热电偶测温装置安装在冷却液管路上，该冷却液循环回路通过三号换热器与冷却水循环回路相连通，初始时，通过旁路气流管路加热初始冷却水循环回路中的水，升温的冷却水与冷却液在三号换热器处进行热量交换，使得冷却液初始温度升温，给燃料电池提供初始启动温度，在运行时，通过热电偶测温装置进行温度判断，当温度高于设定温度，则通过三通阀使冷却循环水与冷却液在三号换热器进行换热，使得冷却液温度降低；当温度低于设定值时，则冷却循环水不经过冷却液，冷却液依靠燃料电池工作产生的热量对冷却液进行升温。
所述的冷却水泵为双向泵。
本发明采用上述技术方案，设计旁路气路，主要是为了有效利用泵入燃料重整单元大量的液态水产生蒸汽时所产生的热能，并和冷却水循环回路和冷却液循环回路结合，提高燃料电池的启动性能。具体而言，当燃料重整单元逐渐升温并到设计温度时，通过泵入燃料重整单元大量的液态水产生大量的蒸汽。该蒸汽携带大量热量从燃料重整单元进入一号热交换器，将热量传递给流经的冷却水，然后通过旁路通道进入冷凝器。该过程中经蒸汽加热的冷却水随循环路径流经三号换热器，热量被交换到冷却液回路。加热后的冷却液进一步将热量传导到燃料电池电堆最终实现了加热电堆的目标。
本设计中，循环水回路设计冷却水泵，二号换热器，三通阀、一号换热器、四号换热器，冷却水泵这样的管路排布，充分满足了整个系统中各组件对温度的需求。
1、阳极排出的气流是唯一的一条对温度调节没有任何要求的气流，因此在循环回路中从冷却水泵处开始流出的水温度最低，使用最冷的水在二号换热器与阳极尾气换热，使得阳极排出的尾气温度尽可能的低，同时最大可能回收阳极尾气的热量。
2、进入电堆的冷却液的温度是需要调节的。过冷的冷却液进入电堆将会使电堆温度过低，导致性能降低或降低产电量。如果电堆的运行温度为70℃，理想的冷却液入口温度将在50℃以上，最好是60℃左右，甚至可以达到65℃左右。因此设计三通阀来控制循环水的流量，使得从二号换热器出来的温水在三号换热器处与冷却液进行换热，使冷却液降温，确保入口冷却液温度不会低于冷却水入口的温度。
3、从燃料重整单元出来的富氢混合气流过度冷却会产生液态冷凝水，如果该冷凝水进入电堆，则对电堆造成危害。因此富氢混合气流对温度的要求比冷却液对温度要求更高，所以冷却水经三号换热器换热，使得水温进一步升温，在一号换热器处与富氢混合气流换热，以便控制进入阳极板的气流温度，达到了充分利用热量进行循环冷却的目的。
4、此外，冷却水泵采用双向水泵，使得冷却循环水在系统中可反向流动。在启动阶段，冷却水以流经一号换热器，三号换热器和二号换热器的顺序流动，使得被加热的水以最短的路径送达燃料电池电堆，缩短电堆加热的时间，提高电堆启动性能。在正常运行状态下，冷却水以流经二号换热器，三号换热器和一号换热器的顺序循环，有效控制阳极入口气流和冷却液入口温度，调节电堆温度，同时最大限度回收热量，使得整个循环系统良好有序运行。
5、系统中回收的热量最终通过四号热交换器将热量释放到热水，用户收集水热副产品。
所以说本发明使得热电联产装置冷却循环单元结构简单、设计精简，节约了很多零部件，大大节约了热电联产装置体积，同时降低了成本。此外，这两个循环回路通过三号换热器连通，冷却水循环回路中的水经过热交换器与冷却液换热，循环利用热能达到系统设备所运行的正常状态。一方面减轻了燃料电池冷却设备负担，另一方面可以优化总体冷却设备的功率和成本。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一种用于住宅的微型燃料电池热电联产装置的热控制系统，包括将碳氢燃料催化转换成氢的燃料重整单元1和与燃料重整单元1相连接的水热循环单元，其特征在于，所述的水热循环单元包括气流管路、冷却水循环回路和冷却液循环回路，气流管路包括气流进入管路3、一号换热器4、一号电磁阀5、单向阀6、二号换热器7、冷凝器8和二号电磁阀18，气流管路分为两条，一条为进入燃料电池电堆的气路，另外一条是旁路，所述进入燃料电池电堆的气路为正常工作气路，燃料重整单元1产生的高温富氢混合气流通过管路3进入一号换热器4使高温富氢混合气体温度降低到设定温度后经一号换热器4的出口通过一号电磁阀5进入阳极板进行发电，从阳极板排出的高温尾气通过单向阀6进入二号换热器7使高温尾气温度降低，降温后的高温尾气进入冷凝器8进行水汽分离，分离后所产生的干气流与水气再分别回流到重整单元1进行循环利用；所述旁路是在燃料电池电堆启动前，泵入燃料重整单元1大量的液态水产生的水蒸气通过管路3进入一号换热器4与水循环回路的冷却水换热，经一号换热器4的出口通过二号电磁阀18进入二号换热器7使得水蒸汽温度进一步降低，降温后进入冷凝器8形成液态水回流到燃料重整单元1进行循环利用；
所述冷却水循环回路包括双向冷却水泵9、三通阀10、三号换热器11和四号换热器12，冷却水泵9与四号换热器12相通取冷水，冷水经二号换热器7与阳极板排出的高温尾气进行换热，冷水水温升高，升温后的冷水经过三通阀10后根据热电偶测温装置13测得的冷却液的温度高低分成两路：一路是当冷却液的温度高于冷却液温度的设定值时冷水进入三号换热器11与冷却液进行换热，使冷却液的温度降低到设定温度，升温后的冷水继续循环进入一号换热器4与燃料重整单元1的产生高温富氢混合气体换热，水温进一步升高，再经过四号换热器12降温后与冷却水泵9相通；另一路是当冷却液的温度低于冷却液温度设定值时，冷水直接进入一号换热器4与燃料重整单元1的高温富氢气流换热，水温升高，再经过四号换热器12降温后与冷却水泵9相通，四号换热器12出水管与热水副产品水箱15相连接；
所述冷却液循环回路包括冷却液泵16和热电偶测温装置13和冷却剂板17，冷却液通过冷却液泵16在冷却剂板17和冷却液管路之间形成回路，热电偶测温装置13安装在冷却液管路上，该冷却液循环回路通过三号换热器11与冷却水循环回路相连通，初始时，通过旁路气流管路加热初始冷却水循环回路中的水，升温的冷却水与冷却液在三号换热器11处进行热量交换，使得冷却液初始温度升温，给燃料电池提供初始启动温度，在运行时，通过热电偶测温装置13进行温度判断，当温度高于设定温度，则通过三通阀10使冷却循环水与冷却液在三号换热器11进行换热，使得冷却液温度降低；当温度低于设定值时，则冷却循环水不经过冷却液，冷却液依靠燃料电池工作产生的热量对冷却液进行升温。

Claims (2)

1.一种用于住宅的微型燃料电池热电联产装置的热控制系统，包括将碳氢燃料催化转换成氢的燃料重整单元(1)和与燃料重整单元(1)相连接的水热循环单元，其特征在于，所述的水热循环单元包括气流管路、冷却水循环回路和冷却液循环回路，气流管路包括气流进入管路(3)、一号换热器(4)、一号电磁阀(5)、单向阀(6)、二号换热器(7)、冷凝器(8)和二号电磁阀(18)，气流管路分为两条，一条为进入燃料电池电堆的气路，另外一条是旁路，所述进入燃料电池电堆的气路为正常工作气路，燃料重整单元(1)产生的高温富氢混合气流通过管路(3)进入一号换热器(4)使高温富氢混合气体温度降低到设定温度后经一号换热器(4)的出口通过一号电磁阀(5)进入阳极板进行发电，从阳极板排出的高温尾气通过单向阀(6)进入二号换热器(7)使高温尾气温度降低，降温后的高温尾气进入冷凝器(8)进行水汽分离，分离后所产生的干气流与水气再分别回流到重整单元(1)进行循环利用；所述旁路是在燃料电池电堆启动前，泵入燃料重整单元(1)大量的液态水产生的水蒸气通过管路(3)进入一号换热器(4)与冷却水循环回路的冷却水换热，经一号换热器(4)的出口通过二号电磁阀(18)进入二号换热器(7)使得水蒸汽温度进一步降低，降温后进入冷凝器(8)形成液态水回流到燃料重整单元(1)进行循环利用；
所述冷却水循环回路包括冷却水泵(9)、三通阀(10)、三号换热器(11)和四号换热器(12)，冷却水泵(9)与四号换热器(12)相通取冷水，冷水经二号换热器(7)与阳极板排出的高温尾气进行换热，冷水水温升高，升温后的冷水经过三通阀(10)后根据热电偶测温装置(13)测得的冷却液的温度高低分成两路：一路是当冷却液的温度高于冷却液温度的设定值时冷水进入三号换热器(11)与冷却液进行换热，使冷却液的温度降低到设定温度，升温后的冷水继续循环进入一号换热器(4)与燃料重整单元(1)的产生高温富氢混合气体换热，水温进一步升高，再经过四号换热器(12)降温后与冷却水泵(9)相通；另一路是当冷却液的温度低于冷却液温度设定值时，冷水直接进入一号换热器(4)与燃料重整单元(1)的高温富氢气流换热，水温升高，再经过四号换热器(12)降温后与冷却水泵(9)相通，四号换热器(12)出水管与热水副产品水箱(15)相连接；
所述冷却液循环回路包括冷却液泵(16)和热电偶测温装置(13)和冷却剂板(17)，冷却液通过冷却液泵(16)在冷却剂板(17)和冷却液管路之间形成回路，热电偶测温装置(13)安装在冷却液管路上，该冷却液循环回路通过三号换热器(11)与冷却水循环回路相连通，初始时，通过旁路气流管路加热初始冷却水循环回路中的水，升温的冷却水与冷却液在三号换热器(11)处进行热量交换，使得冷却液初始温度升温，给燃料电池提供初始启动温度，在运行时，通过热电偶测温装置(13)进行温度判断，当温度高于设定温度，则通过三通阀(10)使冷却循环水与冷却液在三号换热器(11)进行换热，使得冷却液温度降低；当温度低于设定值时，则冷却循环水不经过冷却液，冷却液依靠燃料电池工作产生的热量对冷却液进行升温。
2.根据权利要求1所述的一种用于住宅的微型燃料电池热电联产装置的热控制系统，其特征在于，所述的冷却水泵(9)为双向泵。
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