CN110416572A - 一种利用燃料电池余热加热甲酸反应器的加热系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用燃料电池余热加热甲酸反应器的加热系统及方法，系统包括：甲酸泵、甲酸反应釜、燃料电池电堆、电堆冷却水系统、冷却水输出管路以及冷却水回流管路；所述方法将甲酸通过甲酸泵注入到甲酸反应釜里，产生的氢气供燃料电池电堆产电，电堆产电同时产生热量，通过冷却水的热交换，将热量供给甲酸反应釜。本发明所提供的加热系统及方法，可循环使用燃料电池电堆发电产生的多余热量，降低电堆的电量损耗，提高电堆的供电输出能力。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种利用燃料电池余热加热甲酸反应器的加热系统及方法。
背景技术
燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此效率高；另外，燃料电池用燃料和氧气作为原料；同时没有机械传动部件，故没有噪声污染，排放出的有害气体极少。由此可见，从节约能源和保护生态环境的角度来看，燃料电池是最有发展前途的发电技术。燃料电池已经广泛的应用于交通领域，通信领域。
氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置。其基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阳极和阴极，氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阴极，主要产物是电能、水、热能，且产生的电能与热能的比例大概约为：5.5∶4.5，为确保氢燃料电池电堆在反应过程中的稳定运行，电堆需要工作在额定温度(通常为70度左右)，通常采用冷却水管理系统，将产电过程中产生的热能带到外循环的冷却系统进行散热，产生的热量都被浪费掉。
氢燃料电池需要以氢气作为燃料。但是氢气的主要缺点是密度低，常规的高压和液化方法对设备要求高，耗能较高，同时在输运过程中存在着成本和安全性问题。因此有效的储存方案是实现未来氢能经济发展的关键因素。甲酸是一种重要的化工原料，被广泛应用于化工、轻工、医疗、农业等领域。甲酸具有室温下稳定性高，不易分解，含氢量高等优点，被认为是储存氢能源最有潜力的有机小分子材料之一。
甲酸在常温常压下是一种无色、有刺激性气味的液体，在催化剂的存在下，可以分解为氢气和二氧化碳。甲酸溶液在甲酸反应釜中发生裂解反应，通常需要将甲酸加热到一定的温度。常用的有电加热和电堆废气催化加热。电加热需要额外的能量支持，通常会消耗掉电堆的一部分电能，这样就降低了电堆的效率。电堆废气加热是利用电堆排放的废气进行加热，但这样会增加电堆阳极的工作压力，不利于电堆内部的水排出，最终导致电堆性能下降。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种利用燃料电池余热加热甲酸反应器的加热系统，以循环利用燃料电池电堆产生的余热，提高电堆供电输出能力。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种利用燃料电池余热加热甲酸反应器的加热系统，所述系统包括：甲酸泵、甲酸反应釜、换热装置、燃料电池电堆、电堆冷却水系统、冷却水输出管路以及冷却水回流管路；
所述甲酸泵与甲酸反应釜相连，所述甲酸反应釜与燃料电池电堆通过气体管道连接；
所述甲酸反应釜内产生的氢气通过气体管道输送至燃料电池电堆用于发电；
所述电堆冷却水系统与冷却水输出管路以及冷却水回流管路均连通；
所述换热装置与甲酸反应釜嵌套设置，所述换热装置设置有热水进口和冷水出口，热水进口与冷却水输出管路相连，冷水出口与冷却水回流管路相连。
进一步地，所述电堆冷却水系统中充有冷却水，所述冷却水用于吸收电堆发电产生的热量以维持电堆的正常工作温度。
进一步地，所述冷却水输出管路用于将所述电堆冷却水系统中的吸热升温后的高温冷却水输送至换热装置。
进一步地，所述冷却水回流管路用于将与甲酸进行热交换后的低温冷却水回流至电堆冷却水系统。
进一步地，所述冷却水输出管路上设置有循环水泵。
进一步地，所述换热装置包括总进水管、总出水管以及换热支管。
进一步地，所述总进水管、总出水管平行设置在甲酸反应釜外两端，多个换热支管穿过甲酸反应釜与总进水管、总出水管垂直连通设置。
进一步地，所述热水进口设置于总进水管的下端。
进一步地，所述冷水出口设置于总出水管的下端。
一种利用燃料电池余热加热甲酸反应器的加热方法，该方法包括以下步骤：
(1).启动甲酸泵将甲酸注入到甲酸反应釜里，在其中甲酸裂解产生氢气；
(2).通过气体管道将氢气输送至燃料电池电堆，电堆产电；
(3).电堆产电同时产生热量，电堆冷却水系统中的冷却水该热量后温度升高，启动循环水泵，将升温后的冷却水通过冷却水输出管路运送至热交换装置的热水进口；
(4).升温后的冷却水通过热水进口进入总进水管，并流入换热支管，与反应釜中的甲酸进行换热；
(5).换热后甲酸的温度升高，冷却水的温度降低，降温后的冷却水汇入总出水管，从冷水出口中流出，最终通过冷却水回流管路回到电堆冷却水系统中
本发明的有益效果在于：
1)本发明将燃料电池余热通过冷却水最终交换至制氢原料-甲酸，减少了制氢过程中的能量消耗；
2)本发明制氢过程中不再依赖电堆电加热或电堆废气催化加热，提高了电堆的供电输出能力。
附图说明
图1为本发明实施例中加热系统的结构示意图。
图2为本发明实施例中甲酸反应釜与换热装置的嵌套结构示意图，其中a为俯视图、b为侧视图、c为正面剖视图。
图中：1-甲酸泵；2-甲酸反应釜；3-燃料电池电堆；4-气体管道；5-冷却水输出管路；6-冷却水回流管路；7-循环水泵；8-热水进口；9-冷水出口；10-总进水管；11-总出水管；12-换热支管。
具体实施方式
下面结合说明书附图与具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
一种利用燃料电池余热加热甲酸反应器的加热系统，所述系统包括：甲酸泵1、甲酸反应釜2、燃料电池电堆3、换热装置、电堆冷却水系统、冷却水输出管路以及冷却水回流管路；
所述甲酸泵1与甲酸反应釜2相连，所述甲酸反应釜2与燃料电池电堆3通过气体管道连接；所述甲酸反应釜2内产生的氢气通过气体管道输送至燃料电池电堆3用于发电；所述电堆冷却水系统与冷却水输出管路5以及冷却水回流管路6均连通，冷却水输出管路上设置有循环水泵7；电堆冷却水系统中充有冷却水，所述冷却水用于吸收电堆发电产生的热量以维持电堆的正常工作温度。
如图2所示，所述换热装置与甲酸反应釜2嵌套设置，换热装置包括总进水管10、总出水管11以及换热支管12，所述总进水管10、总出水管11平行设置在甲酸反应釜外两端，多个换热支管12穿过甲酸反应釜与总进水管10、总出水管垂11直连通设置，所述换热装置设置有热水进口8和冷水出口9，热水进口8设置于总进水管10的下端，冷水出口9设置于总出水管11的下端。热水进口8与冷却水输出管路5相连，将所述电堆冷却水系统中的吸热升温后的高温冷却水输送至换热装置。冷水出口9与冷却水回流管路6相连，用于将与甲酸进行热交换后的低温冷却水回流至电堆冷却水系统。
利用上述系统中对加热甲酸反应器进行加热的方法如下：启动甲酸泵1将甲酸注入到甲酸反应釜2里，在其中甲酸裂解产生氢气；通过气体管道4将氢气输送至燃料电池电堆3，电堆产电；电堆产电同时产生热量，电堆冷却水系统中的冷却水该热量后温度升高，启动循环水泵7，将升温后的冷却水通过冷却水输出管路5运送至热交换装置的热水进口8；升温后的冷却水通过热水进口8进入总进水管10，并流入换热支管12，与反应釜中的甲酸进行换热；换热后甲酸的温度升高，冷却水的温度降低，降温后的冷却水汇入总出水管11，从冷水出口9中流出，最终通过冷却水回流管路回到电堆冷却水系统中。
以5kw电堆为例，当产5kw的电量的时候，需要氢气60L，同时产生热能大概4.5kw，甲酸反应釜要求的工作温度大概在60度，产生60L氢气，需要热能约3kw，通过计算，电堆产生的热能，足够甲酸反应釜需求的能量。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种利用燃料电池余热加热甲酸反应器的加热系统，其特征在于：
所述系统包括：甲酸泵、甲酸反应釜、换热装置、燃料电池电堆、电堆冷却水系统、冷却水输出管路以及冷却水回流管路；
所述甲酸泵与甲酸反应釜相连，所述甲酸反应釜与燃料电池电堆通过气体管道连接；
所述甲酸反应釜内产生的氢气通过气体管道输送至燃料电池电堆用于发电；
所述电堆冷却水系统与冷却水输出管路以及冷却水回流管路均连通；
所述换热装置与甲酸反应釜嵌套设置，所述换热装置设置有热水进口和冷水出口，热水进口与冷却水输出管路相连，冷水出口与冷却水回流管路相连。
2.一种如权利要求1所述的利用燃料电池余热加热甲酸反应器的加热系统，其特征在于：所述电堆冷却水系统中充有冷却水，所述冷却水用于吸收电堆发电产生的热量以维持电堆的正常工作温度。
3.一种如权利要求1所述的利用燃料电池余热加热甲酸反应器的加热系统，其特征在于：所述冷却水输出管路用于将所述电堆冷却水系统中的吸热升温后的高温冷却水输送至换热装置。
4.一种如权利要求1所述的利用燃料电池余热加热甲酸反应器的加热系统，其特征在于：所述冷却水回流管路用于将与甲酸进行热交换后的低温冷却水回流至电堆冷却水系统。
5.一种如权利要求1所述的利用燃料电池余热加热甲酸反应器的加热系统，其特征在于：所述冷却水输出管路上设置有循环水泵。
6.一种如权利要求5所述的利用燃料电池余热加热甲酸反应器的加热系统，其特征在于：所述换热装置包括总进水管、总出水管以及换热支管。
7.一种如权利要求6所述的利用燃料电池余热加热甲酸反应器的加热系统，其特征在于：所述总进水管、总出水管平行设置在甲酸反应釜外两端，多个换热支管穿过甲酸反应釜与总进水管、总出水管垂直连通设置。
8.一种如权利要求7所述的利用燃料电池余热加热甲酸反应器的加热系统，其特征在于：所述热水进口设置于总进水管的下端。
9.一种如权利要求8所述的利用燃料电池余热加热甲酸反应器的加热系统，其特征在于：所述冷水出口设置于总出水管的下端。
10.一种利用燃料电池余热加热甲酸反应器的加热方法，其特征在于，该方法基于权利要求9所述的加热系统进行，该方法包括以下步骤：
(1)启动甲酸泵将甲酸注入到甲酸反应釜里，在其中甲酸裂解产生氢气；
(2)通过气体管道将氢气输送至燃料电池电堆，电堆产电；
(3)电堆产电同时产生热量，电堆冷却水系统中的冷却水该热量后温度升高，启动循环水泵，将升温后的冷却水通过冷却水输出管路运送至热交换装置的热水进口；
(4)升温后的冷却水通过热水进口进入总进水管，并流入换热支管，与反应釜中的甲酸进行换热；
(5)换热后甲酸的温度升高，冷却水的温度降低，降温后的冷却水汇入总出水管，从冷水出口中流出，最终通过冷却水回流管路回到电堆冷却水系统中。
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