CN109461955A - 一种燃料电池系统 - Google Patents

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陈忠伟
张益宁
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Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统，其包括至少一个燃料电池对，所述燃料电池对包括一个氧化还原液流电池和一个再生型燃料电池；其中所述氧化还原液流电池具有正电极侧、负电极侧以及分离正电极侧和负电极侧的质子可渗透膜，氧化还原液流电池具有氢生成模式和电能输送模式；所述再生型燃料电池包括配置成使液体反应的反应器和电解质溶液，所述电解质溶液包含处于还原状态的氧化还原物质和氧化剂以产生处于氧化态的带能氧化还原物质。

Description

一种燃料电池系统
技术领域
本发明涉及电储能技术领域，具体而言，涉及一种燃料电池系统。
背景技术
燃料电池系统是指以燃料电池为核心，和燃料供给与循环系统、氧化剂供给系统、水/热管理系统、控制系统等组成的发电系统。
单独的燃料电池电堆不能用于发电，它必须和燃料供给与循环系统、氧化剂供给系统、水/热管理系统、控制系统等组成燃料电池发电系统，才能对外输出功率。燃料电池系统的主要研究热点包括：使用轻质材料，优化设计，提高燃料电池系统的比功率；提高PEMFC系统快速冷启动能力和动态响应性能；研究具有负荷跟随能力的燃料处理器；对电池或超级电容、氢气存储进行系统优化设计，提高系统的效率和调峰能力，回收制动能量等。
燃料电池系统除燃料电池本体(发电系统)外，还有一些外围装置，包括燃料重整供应系统、氧气供应系统、水管理系统、热管理系统、直流-交流逆变系统、控制系统、安全系统等。
燃料重整供应系统，作用是将外部供给的燃料转化为以氢为主要成分的燃料。如果直接以氢气为燃料，供应系统可能比较简单。若使用天然气等气体碳氢化合物或者石油、甲醇等液体燃料，需要通过水蒸气重整等方法对燃料进行重整。而用煤炭作燃料时，则要先转换为以氢和一氧化碳为主要成分的气体燃料。用于实现这些转换的反应装置分别称为重整器、煤气化炉等。氧气供给系统，作用是提供反应所需的氧，可以是纯氧，也可以用空气。氧气供给系统可以用马达驱动的送风机或者空气压缩机，也可以用回收排出余气的透平机或压缩机的加压装置。水管理系统，可以将阴极生成的水及时带走，以免造成燃料电池失效。对于质子交换膜燃料电池，质子是以水合离子状态进行传导的，需要有水参与，而且水少了还会影响电解质膜的质子传导特性，进而影响电池的性能。热管理系统，作用是将电池产生的热量带走，避免因温度过高而烧坏电解质膜。燃料电池是有工作温度限制的。外电路接通形成电流时，燃料电池会因内电阻上的功率损耗而发热(发热量与输出的发电量大体相当)。热管理系统中还包括泵(或风机)、流量计、阀门等部件。常用的传热介质是水和空气。直流-交流逆变系统，将燃料电池本体产生的直流电转换为用电设备或电网要求的交流电。控制系统，主要由计算机及各种测量和控制执行机构组成，作用是控制燃料电池发电装置启动和停止、接通或断开负载，往往还具有实时监测和调节工况、远距离传输数据等功能。安全系统，主要由氢气探测器、数据处理器以及灭火设备构成，实现防火、防爆等安全措施。背景技术的前述论述仅意图便于理解本发明。此论述并不认可或承认提及的材料中的任一种在本申请的优先权日是或曾经是公共常识的一部分。
发明内容
本发明提出了一种燃料电池系统，其包括至少一个燃料电池对，所述燃料电池对包括一个氧化还原液流电池和一个再生型燃料电池；
其中所述氧化还原液流电池具有正电极侧、负电极侧以及分离正电极侧和负电极侧的质子可渗透膜，氧化还原液流电池具有氢生成模式和电能输送模式；
所述再生型燃料电池包括配置成使液体反应的反应器和电解质溶液，所述电解质溶液包含处于还原状态的氧化还原物质和氧化剂以产生处于氧化态的带能氧化还原物质。
其中，至少一个所述再生型燃料电池包括具有光敏还原剂的光还原电池，其中所述光还原电池被配置为接收太阳辐射；循环子系统，被配置为将包含处于氧化状态的氧化还原物质的含能电解质溶液从氧化还原液流电池转移到光还原电池，并配置成将处于从光还原电池的还原状态的含氧化还原物质的电解质溶液转移到氧化还原液流电池。
其中所述循环子系统还包括：第一存储容器以及第二存储容器，以存储至少部分所述电解质溶液。
其中，还包括控制器，所述控制器可操作地连接到所述氧化还原液流电池并且配置成根据选择条件在所述能量输送模式和所述氢气产生模式之间进行选择。
其中所述选择条件包括时间、天气、电能供应价格、电能需求、电网健康状况、H2价格、H2需求中的一种或几种。
其中所述还原和氧化态的所述氧化还原物质分别包含Fe2+和Fe3+。
其中所述氧化剂包括氧气。
具体实施方式
为了使得本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合其实施例，对本发明进行进一步详细说明；应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。对于本领域技术人员而言，在查阅以下详细描述之后，本实施例的其它系统、方法和/或特征将变得显而易见。旨在所有此类附加的系统、方法、特征和优点都包括在本说明书内、包括在本发明的范围内，并且受所附权利要求书的保护。在以下详细描述描述了所公开的实施例的另外的特征，并且这些特征根据以下将详细描述将是显而易见的。
实施例一：
本实施例解释所述的一种燃料电池系统，其包括至少一个燃料电池对，所述燃料电池对包括一个氧化还原液流电池和一个再生型燃料电池；
其中所述氧化还原液流电池具有正电极侧、负电极侧以及分离正电极侧和负电极侧的质子可渗透膜，氧化还原液流电池具有氢生成模式和电能输送模式；
所述再生型燃料电池包括配置成使液体反应的反应器和电解质溶液，所述电解质溶液包含处于还原状态的氧化还原物质和氧化剂以产生处于氧化态的带能氧化还原物质。
其中，至少一个所述再生型燃料电池包括具有光敏还原剂的光还原电池，其中所述光还原电池被配置为接收太阳辐射；循环子系统，被配置为将包含处于氧化状态的氧化还原物质的含能电解质溶液从氧化还原液流电池转移到光还原电池，并配置成将处于从光还原电池的还原状态的含氧化还原物质的电解质溶液转移到氧化还原液流电池。
其中所述循环子系统还包括：第一存储容器以及第二存储容器，以存储至少部分所述电解质溶液。还包括控制器，所述控制器可操作地连接到所述氧化还原液流电池并且配置成根据选择条件在所述能量输送模式和所述氢气产生模式之间进行选择。其中所述选择条件包括时间、天气、电能供应价格、电能需求、电网健康状况、H2价格、H2需求中的一种或几种。其中所述还原和氧化态的所述氧化还原物质分别包含Fe2+和Fe3+。其中所述氧化剂包括氧气。
实施例二：
本实施例继续解释所述的一种燃料电池系统，包括：第一氧化还原液流电池，其具有正电极侧，所述正电极侧包含溶解在液体中的能量承载的氧化还原物质，能量承载电解质溶液，包含H+/H2半电池的负电极侧以及分离正电极侧和负电极侧的质子可渗透膜，第一氧化还原液流电池具有氢生成模式和电能输送模式；第一再生型燃料电池，包括配置成使液体反应的反应器，能量，电解质溶液，其包含处于还原状态的带有能量的氧化还原物质和氧化剂，以产生处于氧化态的带能氧化还原物质；其中，能量承载的氧化还原物质与可逆的氧化还原反应有关，该反应具有在电解质溶液的水电解电压窗口内的标准电极电位。并且其还包括：第二再生型燃料电池，包括具有光敏还原剂的光还原电池，其中所述光还原电池被配置为接收太阳辐射；循环子系统，被配置为将包含处于氧化状态的能量承载的氧化还原物质的第一液体含能电解质溶液从第一氧化还原液流电池转移到光还原电池，并配置成转移第二液体，含能量的电解质溶液，其包含处于从光还原电池到第一氧化还原液流电池的还原状态的能量承载的氧化还原物质。还包括：第二再生型燃料电池，包括第二氧化还原液流电池，所述第二氧化还原液流电池具有负电极侧，所述负电极侧包含溶解在所述液体中的所述能量承载的氧化还原物质，能量承载的电解质溶液包括H2O/O2半电池和分离正电极和负电极侧的质子可渗透膜，第二氧化还原液流电池配置成减少能量氧化还原物质并产生O2；和循环子系统，其配置成将包含处于氧化状态的能量承载的氧化还原物质的第一液体含能电解质溶液从第一氧化还原液流转移到第二氧化还原液流，并配置成转移第二液体能量-包含从第二氧化还原液流电池到第一氧化还原液流电池的还原状态的能量承载的氧化还原物质的电解质溶液。其中所述循环子系统还包括：第一存储容器，被配置为存储所述第一液体，能量承载电解质溶液的一部分；以及第二存储容器，被配置为存储所述第二液体的一部分。还包括控制器，所述控制器可操作地连接到所述第一氧化还原液流电池并且配置成基于能量市场条件在所述能量输送模式和所述氢气产生模式之间进行选择。其中所述能源市场条件包括电能供应价格，电能需求，电网健康状况，H2价格，H2需求，一天中的时间，天气状况或其组合。
其中所述还原和氧化态的所述能量承载的氧化还原物质分别包含Fe 2+和Fe 3+。其中所述氧化剂包括氧气。其中所述反应器包括流动反应器。其中所述能量承载的氧化还原物质包括碘，钒，溴，氯。还被配置为在能量输送模式下操作持续时间大于或等于6小时，8小时，12小时，24小时或48小时。
并且在本实施例中，还介绍该系统的操作，其包括以下步骤：在电能输送模式中：在第一氧化还原液流电池中产生电能，所述第一氧化还原液流电池包括在负电极侧上的H+/H2半电池；在正电极上减少能量负载的氧化还原物质第一氧化还原液流电池的一侧，其中能量承载的氧化还原物质溶解在液体的能量承载的电解质溶液中并且与可逆的氧化还原反应相关联，该反应具有在电解液的水电解电压窗口内的标准电极电位。；通过在第一再生型燃料电池的反应器中使处于还原状态的含能氧化还原物质与氧化剂反应，再生液态含能电解质溶液，从而产生处于氧化态的带能氧化还原物质；在氢生成模式中：在第一氧化还原液流电池的负电极侧产生氢，并在正电极侧氧化能量氧化还原物质。
虽然上面已经参考各种实施例描述了本发明，但是应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行许多改变和修改。也就是说上面讨论的方法，系统或设备等均是示例。各种配置可以适当地省略，替换或添加各种过程或组件。例如，在替代配置中，可以以与所描述的顺序不同的顺序执行方法，和/或可以添加，省略和/或组合各种阶段。而且，关于某些配置描述的特征可以以各种其他配置组合。可以以类似的方式组合配置的不同方面和元素。此外，随着技术的发展许多元素仅是示例而不限制本公开或权利要求的范围。
在说明书中给出了具体细节以提供对包括实现的示例性配置的透彻理解。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实践配置例如，已经示出了众所周知的电路、过程、算法、结构和技术而没有不必要的细节，以避免模糊配置。该描述仅提供示例配置，并且不限制权利要求的范围，适用性或配置。相反，前面对配置的描述将为本领域技术人员提供用于实现所描述的技术的使能描述。在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。
此外，尽管每个操作可以将操作描述为顺序过程，但是许多操作可以并行或同时执行。另外，可以重新排列操作的顺序。一个过程可能有其他步骤。此外，可以通过硬件、软件、固件、中间件、代码、硬件描述语言或其任何组合来实现方法的示例。当在软件、固件、中间件或代码中实现时，用于执行必要任务的程序代码或代码段可以存储在诸如存储介质的非暂时性计算机可读介质中，并通过处理器执行所描述的任务。
综上，其旨在上述详细描述被认为是例示性的而非限制性的，并且应当理解，所述权利要求(包括所有等同物)旨在限定本发明的精神和范围。以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (7)

1.一种燃料电池系统，其包括至少一个燃料电池对，所述燃料电池对包括一个氧化还原液流电池和一个再生型燃料电池；
其中所述氧化还原液流电池具有正电极侧、负电极侧以及分离正电极侧和负电极侧的质子可渗透膜，氧化还原液流电池具有氢生成模式和电能输送模式；
所述再生型燃料电池包括配置成使液体反应的反应器和电解质溶液，所述电解质溶液包含处于还原状态的氧化还原物质和氧化剂以产生处于氧化态的带能氧化还原物质。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，至少一个所述再生型燃料电池包括具有光敏还原剂的光还原电池，其中所述光还原电池被配置为接收太阳辐射；循环子系统，被配置为将包含处于氧化状态的氧化还原物质的含能电解质溶液从氧化还原液流电池转移到光还原电池，并配置成将处于从光还原电池的还原状态的含氧化还原物质的电解质溶液转移到氧化还原液流电池。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述循环子系统还包括：第一存储容器以及第二存储容器，以存储至少部分所述电解质溶液。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，还包括控制器，所述控制器可操作地连接到所述氧化还原液流电池并且配置成根据选择条件在所述能量输送模式和所述氢气产生模式之间进行选择。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述选择条件包括时间、天气、电能供应价格、电能需求、电网健康状况、H2价格、H2需求中的一种或几种。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述还原和氧化态的所述氧化还原物质分别包含Fe 2+和Fe 3+。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述氧化剂包括氧气。
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