CN110571461A - 一种质子交换膜燃料电池热电联供系统 - Google Patents

一种质子交换膜燃料电池热电联供系统 Download PDF

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Abstract

一种质子交换膜燃料电池热电联供系统，属于燃料电池技术领域，电堆的冷却水入口连接有冷却水管，电堆的出水口通过供热管路为用户供热采暖，空气加湿装置通过管路向电堆阴极端注入空气，制氢装置通过管路与引射加湿装置相连，引射加湿装置向电堆阳极端注入氢气，氢气排口通过管路与气水分离器相连，气水分离器的气体出口与引射加湿装置相连，电堆通过线路与电源转换器相连，电源转换器将直流电转换为交流电为用户供电。本发明利用白天太阳能光电电解水制氢，晚上是用电高峰，可利用白天储存在缓冲罐内的氢气发电，设置冷却水管，电堆工作的最佳温度为80℃，利用保持电堆最佳工况的冷却水对用户进行供暖，提高能源的梯级利用率。

Description

一种质子交换膜燃料电池热电联供系统
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池热电联供系统。
背景技术
目前燃料电池热电联供系统工作原理为氢气通入到燃料电池阳极侧，空气经过空气预热器加热后通入燃料电池阴极侧。氢气与空气在燃料电池中发生电化学反应，反应产生的直流电经电源转换器作用转换为交流电，供用户使用。燃料电池阳极和阴极的过剩尾气进入燃烧器中燃烧，燃烧产生的一部分热量供给空气预热器，其余热量用于供热水或供暖。现热电联供技术消耗大量天然气，同时将纯度较高的氢气在燃烧室内燃烧造成了一定的资源浪费；同时燃料电池工作温度为70-90℃，现有技术尚未利用此热量，造成一定的热量浪费。
发明内容
本发明为了解决现有的技术问题，进而提供了一种质子交换膜燃料电池热电联供系统。
一种质子交换膜燃料电池热电联供系统，包括：电堆、制氢装置、电源转换器、空气加湿装置、冷却水管、供热管路、空气排口、氢气排口、气水分离器和引射加湿装置，所述电堆的冷却水入口连接有冷却水管，所述电堆的出水口通过供热管路为用户供热采暖，空气加湿装置通过管路向电堆阴极端注入空气，所述制氢装置通过管路与引射加湿装置连接，所述引射加湿装置向电堆阳极端注入氢气，所述电堆阴极端设置有用于排除过剩空气的空气排口，所述电堆阳极端设置有氢气排口，所述氢气排口通过管路与气水分离器连接，所述气水分离器的气体出口与引射加湿装置连接，所述电堆通过线路与电源转换器连接，所述电源转换器将直流电转换为交流电为用户供电。
进一步，所述制氢装置包括太阳能极板、水电解器和氢气缓冲罐，所述太阳能极板通过线路与水电解器连接，所述水电解器的气体出口通过管路与氢气缓冲罐的气体入口连接，所述氢气缓冲罐的气体出口通过管路与引射加湿装置连接。
进一步，所述引射加湿装置包括引射器和一号加湿器，所述氢气缓冲罐的气体出口通过管路与引射器高压流体入口连接，所述引射器出口通过管路与一号加湿器入口连接，所述一号加湿器出口通过管路与电堆阳极端连接。
进一步，所述气水分离器另一端与一号加湿器的低压流体入口连接。
进一步，所述空气加湿装置包括空气管路和二号加湿器，所述空气管路通过管路与二号加湿器入口连接，所述二号加湿器出口通过管路与电堆阴极端连接。
进一步，所述一号加湿器和二号加湿器均为管式加湿器，所述一号加湿器和二号加湿器的入水口和出水口均通过管路与供热管路连接。
进一步，所述电源转换器具体为逆变器。
本发明有益效果：
本发明利用白天太阳能光电电解水制氢，并将氢气储存在氢气缓冲罐内，晚上是用电高峰，可利用白天储存在缓冲罐内的氢气发电，同时将电堆阳极端过剩的氢气送入引射器内重复利用，可充分利用氢气；设置冷却水管，电堆工作的最佳温度为80℃，利用保持电堆最佳工况的冷却水对用户进行供暖，提高能源的梯级利用率；本系统具有较高的热、电效率，系统效率可达到85％-90％，同时无污染物和温室气体的排放，噪音低等优点，系统环境友好，同时可以降低环境电力高峰负荷，提高供电的安全性，具有良好的经济性和市场潜力。
附图说明
图1是本发明非工作状态下的结构示意图；
图中1-电堆，2-制氢装置，21-太阳能极板，22-水电解器，23-氢气缓冲罐，3-电源转换器，4-空气加湿装置，41-空气管路，42-二号加湿器，5-冷却水管，6-供热管路，7-空气排口，8-氢气排口，9-气水分离器，10-引射加湿装置，101-引射器，102-一号加湿器。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明进行详细说明。
实施例一：结合图1说明本实施方式，一种质子交换膜燃料电池热电联供系统，包括：电堆1、制氢装置2、电源转换器3、空气加湿装置4、冷却水管5、供热管路6、空气排口7、氢气排口8、气水分离器9和引射加湿装置10，电堆1的冷却水入口连接有冷却水管5，冷却水通过冷却水管5进入电堆1内，电堆1的出水口通过供热管路6为用户供热采暖，空气加湿装置4通过管路向电堆1阴极端注入空气，制氢装置2通过管路与引射加湿装置10连接，引射加湿装置10向电堆1阳极端注入氢气，电堆1阴极端设置有用于排除过剩空气的空气排口7，空气排口7处设置有阀门，电堆1阳极端设置有氢气排口8，氢气排口8处设置有阀门，氢气排口8通过管路与气水分离器9连接，气水分离器9的气体出口与引射加湿装置10连接，电堆1通过线路与电源转换器3连接，电源转换器3将直流电转换为交流电为用户供电，如此设置，氢气利用率高、能源梯级利用率高、寄生功率低等诸多优点，同时具有较好的经济效益和社会效益，发展前景十分广阔，取消传统的燃烧室，增设燃料电池冷却系统即冷却水管5，通过调节冷却水流量保持燃料电池在最佳工况工作，加热后的冷却水又解决了用户供热水或供暖问题。
实施例二：结合实施例一说明本实施例，制氢装置2包括太阳能极板21、水电解器22和氢气缓冲罐23，太阳能极板21通过线路与水电解器22连接，水电解器22的气体出口通过管路与氢气缓冲罐23的气体入口连接，氢气缓冲罐23的气体出口通过管路与引射加湿装置10连接，电解水产生的氢气通过氢气压缩机压入氢气缓冲罐23内，氢气缓冲罐23两端入口与出口处均设置有阀门和压力表，如此设置，利用白天太阳能光电电解水制氢，并将氢气储存在氢气缓冲罐23内，晚上是用电高峰，可利用白天储存在缓冲罐内的氢气发电。
实施例三：结合实施例一至二说明本实施例，引射加湿装置10包括引射器101和一号加湿器102，氢气缓冲罐23的气体出口通过管路与引射器101高压流体入口连接，引射器101出口通过管路与一号加湿器102入口连接，一号加湿器102出口通过管路与电堆1阳极端连接，如此设置，采用引射器101减小了传统循环泵带来的寄生功率。
实施例四：结合实施例一至三说明本实施例，气水分离器9另一端与一号加湿器102的低压流体入口连接，如此设置，在引射器101的作用下，过剩的氢气重新回到燃料电池进行电化学反应，可充分利用氢气，气水分离器9将过剩的氢气中大分子水进行分离，防止大分子水进入燃料电池内。
实施例五：结合实施例一至四说明本实施例，空气加湿装置4包括空气管路41和二号加湿器42，空气管路41通过管路与二号加湿器42入口连接，二号加湿器42出口通过管路与电堆1阴极端连接，一号加湿器102和二号加湿器42均产生小分子水，有利于保证质子交换膜保持一定的湿度，选用一部分高温冷却水通入用管壳式加湿器，可以在对气体加湿的同时对其进行预热，充分利用冷却水显热。
优选地一号加湿器102和二号加湿器42均为管式加湿器，一号加湿器102和二号加湿器42的入水口和出水口均通过管路与供热管路6连接；电源转换器3具体为逆变器。
工作过程：
白天太阳能极板21发电为水电解器22供电产生的氢气通过氢气压缩机压入氢气缓冲罐23存储，晚用电高峰其，氢气由氢气缓冲罐23放出进入电堆1阳极端，氢气与空气在燃料电池中发生电化学反应后，阴极过剩空气由空气排口7直接排空；阳极过剩的氢气，在引射器101的作用下，重新回到燃料电池进行电化学反应；通过调节冷却水管5流量保持燃料电池在最佳工况工作，加热后的冷却水通过供热管路6为用户供热水或采暖，电堆1产电用于用户供电。

Claims (7)

1.一种质子交换膜燃料电池热电联供系统，其特征在于，包括电堆(1)、制氢装置(2)、电源转换器(3)、空气加湿装置(4)、冷却水管(5)、供热管路(6)、空气排口(7)、氢气排口(8)、气水分离器(9)和引射加湿装置(10)，所述电堆(1)的冷却水入口连接有所述冷却水管(5)，所述电堆(1)的出水口通过所述供热管路(6)为用户供热采暖，所述空气加湿装置(4)通过管路向电堆(1)阴极端注入空气，所述制氢装置(2)通过管路与引射加湿装置(10)连接，所述引射加湿装置(10)向电堆(1)阳极端注入氢气，所述电堆(1)阴极端设置有用于排除过剩空气的空气排口(7)，所述电堆(1)阳极端设置有氢气排口(8)，所述氢气排口(8)通过管路与气水分离器(9)连接，所述气水分离器(9)的气体出口端与引射加湿装置(10)连接，所述电堆(1)通过线路与所述电源转换器(3)连接，所述电源转换器(3)将直流电转换为交流电为用户供电。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池热电联供系统，其特征在于，所述制氢装置(2)包括太阳能极板(21)、水电解器(22)和氢气缓冲罐(23)，所述太阳能极板(21)通过线路与水电解器(22)连接，所述水电解器(22)的气体出口通过管路与所述氢气缓冲罐(23)的气体入口连接，所述氢气缓冲罐(23)的气体出口通过管路与所述引射加湿装置(10)连接。
3.根据权利要求2所述的质子交换膜燃料电池热电联供系统，其特征在于，所述引射加湿装置(10)包括引射器(101)和一号加湿器(102)，所述氢气缓冲罐(23)的气体出口通过管路与引射器(101)高压流体入口连接，所述引射器(101)出口通过管路与一号加湿器(102)入口连接，所述一号加湿器(102)出口通过管路与电堆(1)阳极端连接。
4.根据权利要求3所述的质子交换膜燃料电池热电联供系统，其特征在于，所述气水分离器(9)另一端与一号加湿器(102)的低压流体入口连接。
5.根据权利要求4所述的质子交换膜燃料电池热电联供系统，其特征在于，所述空气加湿装置(4)包括空气管路(41)和二号加湿器(42)，所述空气管路(41)通过管路与二号加湿器(42)入口连接，所述二号加湿器(42)出口通过管路与所述电堆(1)阴极端连接。
6.根据权利要求5所述的质子交换膜燃料电池热电联供系统，其特征在于，所述一号加湿器(102)和二号加湿器(42)均为管式加湿器，所述一号加湿器(102)和二号加湿器(42)的入水口和出水口均通过管路与所述供热管路(6)连接。
7.根据权利要求6所述的质子交换膜燃料电池热电联供系统，其特征在于，所述电源转换器(3)具体为逆变器。
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