CN106992307A - 燃料电池堆发电系统的液体循环子系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池堆发电系统的液体循环子系统，包括低温启动预热子系统、外循环冷却子系统和控制器；燃料电池堆的总进、出水口处分别设有第一总管和第二总管，第二总管的末端分支成第一、二支管，第一、二支管的末端汇集成第一总管；第一支管上按照液体流向依次设有加热器、第一循环泵和第一单向阀；第二支管上按照液体流向依次设有热交换器、第二循环泵和第二单向阀；第一总管上按照液体流向依次设有离子交换器、电导率传感器、第一温度传感器和压力传感器；本发明同时设有低温启动预热子系统和外循环冷却子系统，以保证燃料电池堆在低温环境下能正常工作启动，在正常工作时，燃料电池堆中产生的热量被及时带走。

Description

燃料电池堆发电系统的液体循环子系统
技术领域
本发明涉及燃料电池堆发电系统技术领域，特别涉及一种具有低温启动预热和循环冷却功能的燃料电池堆发电系统的液体循环子系统。
背景技术
燃料电池是一种将持续供给的燃料和氧化剂中的化学能连续不断地转化成电能的化学装置。按电解质性质，燃料电池可细分为有碱性燃料电池(AFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)、磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固态氧化物燃料电池(SOFC)。从工作方式来看，燃料电池较接近与汽油或柴油发电机。其中，质子交换膜燃料电池发电是直接将燃料的化学能转变为电能，步骤少、效率高，发电过程中没有燃烧，所以不会产生污染，没有转动组件，所以噪音低。质子交换膜燃料电池属于低温燃料电池，近年发展迅速。
固体聚合物燃料电池是基于全氟磺酸离子交换聚合物为电解质，以铂为电极催化剂，阳极进行氢气氧化反应和阴极氧气还原反应的燃料电池，其具有运行温度低(800℃左右)、功率密度高、启动快和对功率需求变化匹配快等显著优点，是轻型汽车与建筑物供能的首选；固体聚合物燃料电池是目前发展的热门技术，具有能量转化效率高、运行噪声低、可靠性高、维护方便、发电效率受负荷变化影响很小，非常适合于用作分散型发电装置(作为主机组)，也适于用作电网的“调峰”发电机组(作为辅机组)；因此，燃料电池的这些优势是其他任何现有技术所不能与之相比的，是未来发展的必然趋势。
燃料电池在工作的过程中，电堆中的化学反应会产生大量的热量，如果不能及时的散发，那么过多的热量积累必然导致电堆内温度升高、质子交换膜失水、电堆的性能会下降。燃料电池堆的热量主要来源有化学反应热，焦耳热、加湿气体带入的热量和吸收的环境热量；散热主要有电堆尾气、热辐射、循环水冷却、电堆的热平衡。
而现有技术的燃料电池堆的液体循环系统，效果不理想，影响电堆性能和发电效率，而且多次循环使用后，管路中的去离子水的离子浓度超标，影响电堆反应，进而影响发电效率和电堆使用寿命；还有部分燃料电堆发电系统不带有低温热启动功能，在低温环境下不能使用，使用范围受限。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种燃料电池堆发电系统的液体循环子系统，同时设有低温启动预热子系统和外循环冷却子系统，以保证燃料电池堆在低温环境下能正常工作启动，在正常工作时，燃料电池堆中产生的热量被及时带走，保证反应温度稳定，避免电池堆内温度升高、质子交换膜失水而导致电池堆的发电性能下降等问题，有助于提高燃料电池堆的发电效率和电池堆的使用寿命。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种燃料电池堆发电系统的液体循环子系统，其中所述燃料电池堆发电系统包括燃料电池堆、氢气供给子系统、空气供给子系统和液体循环子系统，所述氢气供给子系统、空气供给子系统和液体循环子系统分别与所述燃料电池堆相连，所述燃料电池堆的一端设有总进水口，另一端设有总出水口；所述液体循环子系统包括低温启动预热子系统、外循环冷却子系统和控制器。
所述燃料电池堆的总进水口处连接第一总管，所述燃料电池堆的总出水口处连接第二总管，所述第二总管的末端分支成第一支管和第二支管，所述第一支管和所述第二支管的末端汇集成所述第一总管的首端。
第一支管上按照液体流向依次设有加热器、第一循环泵和第一单向阀。
第二支管上按照液体流向依次设有热交换器、第二循环泵和第二单向阀。
第一总管上按照液体流向依次设有离子交换器、电导率传感器、第一温度传感器和压力传感器。
第二总管上且位于所述燃料电池堆的总出水口处设有第二温度传感器。
所述第一支管、加热器、第一循环泵、第一单向阀、第一总管、离子交换器、电导率传感器、第一温度传感器和压力传感器、第二总管和第二温度传感器组成所述低温启动预热子系统。
所述第二支管、热交换器、第二循环泵、第二单向阀、第一总管、离子交换器、电导率传感器、第一温度传感器和压力传感器、第二总管和第二温度传感器组成所述外循环冷却子系统。
所述第一温度传感器、所述第二温度传感器、所述电导率传感器和所述压力传感器分别与所述控制器信号连接，所述加热器、所述第一循环泵和所述第二循环泵分别与所述控制器电连接。
进一步地说，所述热交换器自带储水容器，且所述储水容器内设有液位传感器，所述液位传感器与所述控制器电连接。
进一步地说，还包括报警装置，所述报警装置与所述控制器电连接，且所述报警装置为灯光提醒和声音提醒中的至少一种。
进一步地说，所述报警装置包括液位报警单元和电导率报警单元，所述液位报警单元和所述电导率报警单元分别与所述控制器电连接。
进一步地说，所述燃料电池堆的总进水口处的去离子水的电导率维持在≤200μS/cm。
进一步地说，所述燃料电池堆的总进水口处的去离子水的压力维持在10-50KPa。
进一步地说，所述燃料电池堆的总进水口处的去离子水的温度维持在65-70℃，且所述燃料电池堆的总出水口处的去离子水的温度维持在75-80℃。
进一步地说，所述控制器为单片机或电子控制单元。
进一步地说，所述第一支管、第二支管与所述第一总管的汇集处设有三通。
进一步地说，所述第二总管与所述第一支管和第二支管的分支处设有三通。
本发明的有益效果是：
在启动燃料电池堆系统发电时，先启动低温启动预热子系统使燃料电池堆发电系统达到需要的工作温度，一般为80-85℃，然后控制器控制第一循环泵和加热器停止工作，即关闭低温启动预热子系统；同时启动氢气供给子系统、空气供给子系统和外循环冷却子系统，使氢气和空气同时进入燃料电池堆，氢气和空气在燃料电池堆内经过电化学反应产生电能、热能和水，其中电能是要利用的部分，给外部电路提供电能；热能是通过外循环冷却子系统排出，反应产生的水由空气循环子系统排出；从而燃料电池堆发电系统正常工作；至少具有以下几点优点：
一、本发明设有低温启动预热子系统，能够满足燃料电池堆发电系统在低温环境下正常使用的条件，即燃料电池堆发电系统的适用范围广；
二、本发明设有外循环冷却子系统，燃料电池堆发电过程中产生的大量的热量可通过外循环冷却子系统散出，保证燃料电池堆的温度始终在工作范围内，避免质子交换膜失水，保证燃料电池堆的性能不会下降，同时也提高燃料电池堆的使用寿命和发电效率的作用；
三、本发明设有离子交换器，由于低温启动预热子系统和外循环冷却子系统中使用的都是去离子水，而且随着使用的时间，水中离子的浓度会增高，故设有的离子交换器，能够有效去除循环水中的离子，使其循环液体保持良好的绝缘性能；
四、本发明设有的第一温度传感器、第二温度传感器、电导率传感器和压力传感器能够将水的相关各项指标实时信号传输给控制器，控制器根据信号实时调整，实行反馈控制调节，实现对去离子水的水质的实时监控，将循环水的总进水口温度控制在68℃左右，而总出水温度控制在78℃左右，将循环水的电导率控制在200μS/cm以下，为燃料电池堆的反应提供有力的保障，提高其性能和发电效率；
五、本发明的外循环冷却子系统的热交换器自带水箱，且设有液位传感器，液位过低会传输信号给控制器，控制器会控制报警装置发出报警，提醒工作人员及时加水，保证燃料电池发电系统中的去离子水的供应，进而保证燃料电池堆的反应温度。
本发明的上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的管道结构示意图；
图3是本发明的控制原理示意图；
附图中各部分标记如下：
燃料电池堆1、总进水口2、总出水口3、控制器4、加热器5、第一循环泵6、第一单向阀7、离子交换器8、第一温度传感器9、第二温度传感器10、电导率传感器11、压力传感器12、第二总管13、第一支管14、热交换器15、第二循环泵16、第二单向阀17、第二支管18、液位传感器19、三通20、报警装置21、液位报警单元211、电导率报警单元212和第一总管22。
具体实施方式
以下通过特定的具体实施例说明本发明的具体实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的优点及功效。本发明也可以其它不同的方式予以实施，即，在不背离本发明所揭示的范畴下，能予不同的修饰与改变。
实施例：一种燃料电池堆发电系统的液体循环子系统，如图1、图2和图3所示，其中所述燃料电池堆发电系统包括燃料电池堆1、氢气供给子系统、空气供给子系统和液体循环子系统，所述燃氢气供给子系统、空气供给子系统和液体循环子系统分别与所述燃料电池堆相连，所述燃料电池堆的一端设有总进水口2，另一端设有总出水口3；所述液体循环子系统包括低温启动预热子系统、外循环冷却子系统和控制器4；
所述燃料电池堆的总进水口处连接第一总管22，所述燃料电池堆的总出水口处连接第二总管13，所述第二总管的末端分支成第一支管14和第二支管18，所述第一支管和所述第二支管的末端汇集成所述第一总管的首端；
第一支管上按照液体流向依次设有加热器5、第一循环泵6和第一单向阀7；
第二支管上按照液体流向依次设有热交换器15、第二循环泵16和第二单向阀17；
第一总管上按照液体流向依次设有离子交换器8、电导率传感器11、第一温度传感器9和压力传感器12；
第二总管上且位于所述燃料电池堆的总出水口处设有第二温度传感器10；
所述第一支管14、加热器5、第一循环泵6、第一单向阀7、第一总管、离子交换器8、电导率传感器11、第一温度传感器9和压力传感器12、第二总管18和第二温度传感器10组成所述低温启动预热子系统；
所述第二支管18、热交换器15、第二循环泵16、第二单向阀17、第一总管13、离子交换器8、电导率传感器11、第一温度传感器9和压力传感器12、第二总管22和第二温度传感器10组成所述外循环冷却子系统；
所述第一温度传感器9、所述第二温度传感器10、所述电导率传感器11和所述压力传感器12分别与所述控制器4信号连接，所述加热器5、所述第一循环泵6和所述第二循环泵16分别与所述控制器4电连接。
所述热交换器15自带储水容器，且所述储水容器内设有液位传感器19，所述液位传感器与所述控制器4电连接。
还包括报警装置21，所述报警装置与所述控制器电连接，且所述报警装置为灯光提醒和声音提醒中的至少一种。
所述报警装置21包括液位报警单元211和电导率报警单元212，所述液位报警单元和所述电导率报警单元分别与所述控制器电连接。
所述燃料电池堆1的总进水口处的去离子水的电导率维持在≤200μS/cm。
所述燃料电池堆1的总进水口处的去离子水的压力维持在10-50KPa。
所述燃料电池堆1的总进水口处的去离子水的温度维持在65-75℃，且所述燃料电池堆的总出水口处的去离子水的温度维持在75-80℃。
所述控制器4为单片机或电子控制单元(ECU)。
所述第一支管14、第二支管18与所述第一总管13的汇集处设有三通20。
所述第二总管22与所述第一支管14和第二支管18的分支处设有三通20。
本实施例中，所述电导率传感器采用铂热电阻。
所述压力传感器的工作电压为10-30VDC(直流电压)。
所述第一单向阀和所述第二单向阀皆为不锈钢阀。
所述第一支管、第二支管、第一总管和第二总管皆为耐温管，优选为硅橡胶管，但不限于此。
所述第一循环泵和所述第二循环泵皆为耐热水泵。
本发明的工作原理和工作过程如下：
在启动燃料电池堆系统发电时，先启动低温启动预热子系统使燃料电池堆系统达到需要的工作温度，一般为80-85℃，然后控制器控制第一循环泵和加热器停止工作，即关闭低温启动预热子系统；同时启动氢气供给子系统、空气供给子系统和外循环冷却子系统，使氢气和空气同时进入燃料电池堆发电系统，氢气和空气在燃料电池堆内经过电化学反应产生电能、热能和水，其中电能是要利用的部分，给外部电路提供电能；热能是通过外循环冷却子系统排出，反应产生的水由空气循环子系统排出；从而燃料电池堆发电系统正常工作；
此过程中，低温启动预热子系统和外循环冷却子系统中使用的都是去离子水，而且随着使用的时间，水中离子的浓度会增高，故设有离子交换器，用来去除水中的离子，使其循环液体保持良好的绝缘性能；
而且设有的第一温度传感器、第二温度传感器、电导率传感器和压力传感器能够将去离子水的相关各项指标实时信号传输给控制器，控制器根据信号实时调整，实行反馈控制调节，实现对去离子水的质量的实时监控，为燃料电池堆的反应提供有力的保障。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种燃料电池堆发电系统的液体循环子系统，所述燃料电池堆发电系统包括燃料电池堆(1)、氢气供给子系统、空气供给子系统和液体循环子系统，所述氢气供给子系统、空气供给子系统和液体循环子系统分别与所述燃料电池堆相连，所述燃料电池堆的一端设有总进水口(2)，另一端设有总出水口(3)；其特征在于：所述液体循环子系统包括低温启动预热子系统、外循环冷却子系统和控制器(4)；
所述燃料电池堆的总进水口处连接第一总管(22)，所述燃料电池堆的总出水口处连接第二总管(13)，所述第二总管的末端分支成第一支管(14)和第二支管(18)，所述第一支管和所述第二支管的末端汇集成所述第一总管的首端；
第一支管上按照液体流向依次设有加热器(5)、第一循环泵(6)和第一单向阀(7)；
第二支管上按照液体流向依次设有热交换器(15)、第二循环泵(16)和第二单向阀(17)；
第一总管上按照液体流向依次设有离子交换器(8)、电导率传感器(11)、第一温度传感器(9)和压力传感器(12)；
第二总管上且位于所述燃料电池堆的总出水口处设有第二温度传感器(10)；
所述第一支管(14)、加热器(5)、第一循环泵(6)、第一单向阀(7)、第一总管、离子交换器(8)、电导率传感器(11)、第一温度传感器(9)和压力传感器(12)、第二总管(13)和第二温度传感器(10)组成所述低温启动预热子系统；
所述第二支管(18)、热交换器(15)、第二循环泵(16)、第二单向阀(17)、第一总管(22)、离子交换器(8)、电导率传感器(11)、第一温度传感器(9)和压力传感器(12)、第二总管(13)和第二温度传感器(10)组成所述外循环冷却子系统；
所述第一温度传感器、所述第二温度传感器、所述电导率传感器和所述压力传感器分别与所述控制器信号连接，所述加热器、所述第一循环泵和第二循环泵分别与所述控制器电连接。
2.根据权利要求1所述的燃料电池堆发电系统的液体循环子系统，其特征在于：所述热交换器自带储水容器，且所述储水容器内设有液位传感器(19)，所述液位传感器与所述控制器信号连接。
3.根据权利要求1所述的燃料电池堆发电系统的液体循环子系统，其特征在于：还包括报警装置(21)，所述报警装置与所述控制器电连接，且所述报警装置为灯光提醒和声音提醒中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的燃料电池堆发电系统的液体循环子系统，其特征在于：所述报警装置(21)包括液位报警单元(211)和电导率报警单元(212)，所述液位报警单元和所述电导率报警单元分别与所述控制器电连接。
5.根据权利要求1所述的燃料电池堆发电系统的液体循环子系统，其特征在于：所述燃料电池堆的总进水口处的去离子水的电导率维持在≤200μS/cm。
6.根据权利要求1所述的燃料电池堆发电系统的液体循环子系统，其特征在于：所述燃料电池堆的总进水口处的去离子水的压力维持在10-50KPa。
7.根据权利要求1所述的燃料电池堆发电系统的液体循环子系统，其特征在于：所述燃料电池堆的总进水口处的去离子水的温度维持在65-70℃，且所述燃料电池堆的总出水口处的去离子水的温度维持在75-80℃。
8.根据权利要求1所述的燃料电池堆发电系统的液体循环子系统，其特征在于：所述控制器为单片机或电子控制单元。
9.根据权利要求1所述的燃料电池堆发电系统的液体循环子系统，其特征在于：所述第一支管、第二支管与所述第一总管的汇集处设有三通(20)。
10.根据权利要求1所述的燃料电池堆发电系统的液体循环子系统，其特征在于：所述第二总管与所述第一支管和第二支管的分支处设有三通(20)。
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