CN113937320B - 低温质子交换膜燃料电池冷热电联供系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低温质子交换膜燃料电池冷热电联供系统和方法，利用燃料电池电堆反应过程中产生的热量和富氢气体冷却产生的低品位余热作为驱动力，使吸收式制冷系统为循环提供冷能，另外使用阴极出口气体的废热被用于预热进口空气，充分利用了燃料电池和气化炉运行过程中产生的余热，极大的提高了能源综合利用效率。

Description

低温质子交换膜燃料电池冷热电联供系统及方法

技术领域

本发明属于氢能与燃料电池技术领域，具体涉及一种生物质气化-低温质子交换膜燃料电池冷热电联供系统及方法。

背景技术

燃料电池是一种高效利用氢能的方式，它是一种将化学能直接转化为电能的发电装置，其过程不涉及燃烧，因此不受卡诺循环的限制，其理论效率可达80％以上。没有机械传动部件，所以不产生噪音污染，反应产物仅为电、热和水，对环境不产生任何污染。燃料电池可按各种不同分类方式分为许多种类，其中低温质子交换膜燃料电池以其功率密度大、冷启动时间短、运行安全可靠等优点已逐渐成为现在燃料电池的研究热点，而其产生的余热品位低数量大，如何高效利用这部分余热是提高燃料电池热电效率的关键。

燃料电池的发展为生物质气化的规模化利用提供了契机，因为燃料电池的发电效率几乎不受发电规模的影响，在小规模上(如千瓦级)同样可以获得很高的发电效率，非常适合生物质气化小型、分散的特点，并可望大大提高生物质气化技术利用的经济性。

现有的燃料电池冷热电联供系统主要是高温燃料电池冷热电联供系统，运行温度在500-1000℃，如熔融碳酸盐燃料电池冷热电联供系统、固体氧化物燃料电池冷热电联供系统等；中温燃料电池冷热电联供系统，运行温度在100-500℃，如磷酸燃料电池冷热电联供系统、高温质子交换膜燃料电池冷热电联供系统等，其中低温燃料电池冷热电联供系统研究较少，造成大量低品位余热的浪费。

发明人在研究过程中发现，虽然高温和中温燃料电池的冷热电三联供系统的总效率较高，但由于其设备繁多、操作温度过高，在居民区或商场中并不适用。而在低温燃料电池中，应用最广、前景最好的低温质子交换膜燃料电池冷热电三联供系统的研究具有十分重要的意义，在很大程度上提高燃料的利用效率。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种低温质子交换膜燃料电池冷热电联供系统和方法，利用燃料电池电堆反应过程中产生的热量和富氢气体冷却产生的低品位余热作为驱动力，使吸收式制冷系统为循环提供冷能，另外使用阴极出口气体的废热被用于预热进口空气，充分利用了燃料电池和气化炉运行过程中产生的余热，极大的提高了能源综合利用效率。

为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：

一种低温质子交换膜燃料电池冷热电联供系统，其特征在于，包含燃料电池电堆，生物质气化系统，冷却水循环系统，气体处理子系统和吸收式制冷系统；

燃料电池电堆接收经气体处理子系统处理后输入的富氢气体和空气，运行产生电能和热能，过量富氢气体由阳极出口输出，返回气体处理子系统；冷却水循环系统用于将所述热能由带入吸收式制冷系统，维持燃料电池电堆内部工作温度；

生物质气化系统使生物质原料在空气的作用下产生富氢气体，经冷却、净化后输送至气体处理子系统；所述富氢气体冷却产生的低品位余热输入吸收式制冷系统；

气体处理子系统接收由生物质气化系统输入的富氢气体和由燃料电池电堆输入的过量富氢气体混合后，经压缩和加湿处理后送入燃料电池电堆的阳极，接收由外部输入的空气，经压缩、加热和加湿处理后送入燃料电池电堆的阴极；所述混合后的富氢气体经压缩后的温度等于燃料电池电堆运行所需的进口温度；

吸收式制冷系统利用由冷却水循环系统带来的热能和由生物质气化系统输入的富氢气体冷却产生的低品位余热为冷却水循环系统提供冷能。

进一步的，所述燃料电池电堆运行后的过量空气由阴极出口输出，返回气体处理子系统；气体处理子系统利用由燃料电池电堆输入的过量空气加热外部输入的空气。

进一步的，所述生物质气化系统包括生物质气化炉，旋风分离器和气化炉合成气净化系统；

生物质气化炉用于使生物质原料在空气的作用下产生富氢气体，并送入旋风分离器；旋风分离器去除富氢气体中的粉尘颗粒并送入气化炉合成气净化系统；气化炉合成气净化系统冷却富氢气体，并降低富氢气体中的一氧化碳含量后将富氢气体送入气体处理子系统。

进一步的，所述气化炉合成气净化系统包括高温水汽转换反应器，低温水汽转换反应器，选择氧化反应器和合成气冷却水系统；高温水汽转换反应器温度为400℃，用于将合成气中的一氧化碳含量降至2.5％；低温水汽转换反应器温度为200℃，用于将合成气中的一氧化碳含量降低至0.25％；选择氧化反应器温度为120℃，用于进一步选择性的去除一氧化碳；合成气冷却水系统用于将经旋风分离器除尘后的富氢气体冷却，并将冷却过程产生的低品位余热送入吸收式制冷系统。

进一步的，所述气化炉合成气净化系统将富氢气体中的一氧化碳含量降低至＜10ppm。

进一步的，所述气体处理子系统包括阳极压缩机、阳极加湿器、阴极压缩机、阴极换热器和阴极加湿器，混合后的富氢气体依次通过阳极压缩机和阳极加湿器进入燃料电池电堆阳极，外部空气依次通过阴极压缩机、阴极换热器和阴极加湿器进入燃料电池电堆阴极；由燃料电池电堆输入的过量空气输入阴极换热器，加热外部输入的空气。

进一步的，所述阳极加湿器和阴极加湿器采用膜加湿的方法分别对混合后的富氢气体以及空气加湿，使相对湿度为60％-100％。

进一步的，吸收式制冷系统包括循环连接的发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器和溶液换热器，设于冷凝器和蒸发器之间的节流阀I以及设于吸收器和溶液换热器之间的节流阀Ⅱ和泵Ⅱ；

吸收器输出的稀溶液经过泵Ⅱ依次进入换热器和发生器，由冷却水循环系统带来的热能和由生物质气化系统输入的富氢气体冷却产生的低品位余热进入发生器加热所述稀溶液产生制冷蒸汽，制冷蒸汽在冷凝器中冷却成饱和溶液经节流阀I进入蒸发器中制取冷能，最后蒸发器出口蒸汽进入吸收器内被发生器出口的浓溶液吸收完成一个制冷循环，所述稀溶液为LiBr/H₂O溶液。；所述浓溶液浓度为50％～60％，稀溶液浓度比浓溶液浓度低1％～3％，具体取决于发生器和吸收器的温度。

进一步的，所述冷却水循环系统包括管路和设于管路上的泵I，管路位于燃料电池电堆和发生器之间，泵I用于驱动冷却水在管路中循环流动。

一种低温质子交换膜燃料电池冷热电联供方法，采用上述一种低温质子交换膜燃料电池冷热电联供系统实现，包括以下步骤：

(1)生物质气化系统使生物质原料在空气的作用下产生富氢气体，经冷却、净化后输送至气体处理子系统，富氢气体冷却产生的低品位余热输入吸收式制冷系统；

(2)燃料电池电堆接收经气体处理子系统处理后输入的富氢气体和空气，燃烧产生电能和热能，过量空气和富氢气体分别由阴极出口和阳极出口输出，返回气体处理子系统；冷却水循环系统用于将所述热能由带入吸收式制冷系统，维持燃料电池电堆内部温度平衡；

(3)气体处理子系统接收由生物质气化系统输入的富氢气体和由燃料电池电堆输入的过量富氢气体混合后，经压缩和加湿处理后送入燃料电池电堆的阳极，接收由外部输入的空气，经压缩、加热和加湿处理后送入燃料电池电堆的阴极；所述混合后的富氢气体经压缩后的温度等于燃料电池电堆运行所需的进口温度；气体处理子系统利用由燃料电池电堆输入的过量空气加热外部输入的空气；

(4)吸收式制冷系统利用由冷却水循环系统带来的热能和由生物质气化系统输入的富氢气体冷却产生的低品位余热为冷却水循环系统提供冷能。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明一种低温质子交换膜燃料电池冷热电联供系统，充分利用了燃料电池运行过程中产生的余热，通过冷却水循环系统从电堆带走热量驱动吸收式制冷系统产生冷能，提高系统的能量综合利用效率；

(2)本发明一种优选的方案中，使用阴极出口气体的废热被用于预热进口空气，进一步减少了加热反应气体所需的热量；

(3)本发明将生物质气化系统产生富氢气体冷却所产生的低品位余热输入吸收式制冷系统，气化炉运行过程中气化过程中的废热被充分利用；

(4)本发明通过气体处理子系统和冷却水循环系统保证了燃料电池电堆的稳定运行。

附图说明

图1为本发明一种低温质子交换膜燃料电池冷热电联供系统的示意图。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

本发明一种生物质气化-低温质子交换膜燃料电池冷热电联供系统，包括燃料电池电堆、用于给燃料电池提供燃料气体的生物质气化系统、用于维持燃料电池正常运行的辅助系统，辅助系统包括气体处理子系统和冷却水循环系统、用于回收燃料电池冷却水余热的吸收式制冷系统。所述的生物质气化系统在生物质气化炉中将生物质原料气化产生富氢气体，富氢气体依次通过旋风分离器和气化炉合成气净化系统，随后经过气体处理子系统加热、加压、加湿后达到电堆入口条件输送到燃料电池电堆，最后在电堆中进行反应，为了避免电池内部温度失控，反应过程中产生的热量被冷却水循环系统带走，而后在吸收式制冷系统中循环产生冷能。

具体的，如图1所示，所述生物质气化系统包括生物质气化炉，旋风分离器和气化炉合成气净化系统；生物质原料在气化剂空气的作用下，在生物质气化炉中发生热解、氧化、还原重整反应，产生600-800℃高温富氢气体，经旋风分离器对富氢气体进行初步净化，去除其中的粉尘颗粒。

所述气化炉合成气净化系统包括高温水汽转换反应器、低温水汽转换反应器、选择氧化反应器和合成气冷却水系统，初步净化的富氢气体通过净化系统使其一氧化碳含量低于10ppm，防止燃料电池在运行过程中内部催化剂发生一氧化碳中毒，合成气冷却水系统用于将经旋风分离器除尘后的富氢气体冷却，并将冷却过程产生的低品位余热送入吸收式制冷系统。

所述的燃料电池辅助系统包括气体处理子系统和冷却水循环系统，其中气体处理子系统包括阳极压缩机、阳极加湿器、阴极压缩机、阴极换热器、阴极加湿器，气体处理子系统接收由生物质气化系统输入的富氢气体和由燃料电池电堆输入的过量富氢气体混合后，依次通过阳极压缩机和阳极加湿器进入燃料电池电堆发生反应，空气类似；

燃料电池电堆接收经气体处理子系统处理后输入的富氢气体和空气，运行过程中产生电能和大量热量，过量空气和富氢气体分别由阴极出口和阳极出口输出，返回气体处理子系统；冷却水循环系统确保燃料电池电堆在最佳的温度区间内运行，将燃料电池电堆反应过程中产生的热量带至吸收式制冷系统。

所述的吸收式制冷系统包括循环连接的发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器和溶液换热器，设于冷凝器和蒸发器之间的节流阀I以及设于吸收器和溶液换热器之间的节流阀Ⅱ和泵Ⅱ；由冷却水循环系统带来燃料电池电堆反应过程中产生的热量和由生物质气化系统输入的富氢气体冷却产生的低品位余热进入发生器加热所述吸收剂产生制冷蒸汽，制冷蒸汽在冷凝器中冷却成饱和溶液经节流阀I进入蒸发器中制取冷能，最后蒸发器出口蒸汽进入吸收器内被吸收剂吸收完成一个制冷循环。

进一步的，燃料电池电堆运行所需的氢气是通过生物质气化产生的，可以通过调节生物质气化原料种类、含水量、气化剂种类以及气化的热力学条件来控制合成气(即富氢气体)中氢气的含量。

进一步的，生物质气化系统中富氢气体依次通过换热器I-IV，将气体温度控制在合适的水平下，略低于(温差范围为15～30℃)燃料电池电堆进口温度，与阳极循环的过量富氢气体混合达到电堆入口温度，以实现系统中良好的热匹配。

进一步的，阴阳极入口气体的加湿采用膜加湿方法。

进一步的，阴极出口过量空气用来余热进口空气，提高系统的能量利用效率。

进一步的，从燃料电池电堆中流出的过量富氢气体通过氢循环管路回收后与生物质气化产生的富氢气体混合，混合后的富氢气体依次流经阳极压缩机、阳极加湿器，先后被加压、加湿。

进一步的，气化炉合成气净化系统中合成气冷却水系统冷却富氢气体产生的低品位余热依次驱动发生器，制冷蒸汽依次通过冷凝器、蒸发器和吸收器，最后回到发生器，循环产生冷能，提高系统的运行效率。

该系统的应用场地为小型分布式能源系统，如住宅、不便供电的野外。

实施例1

在空气作为气化剂，气化温度为1000K、气化压力为1atm的条件下，生物质原料在生物质气化炉中产生合成气(即前文所述富氢气体)，其中氢气体积含量为19％，一氧化碳含量为18％，经过气化炉合成气净化系统后，合成气中的一氧化碳含量降低到10ppm以下，气化炉出口高温合成气被冷却水冷却到略低于燃料电池电堆进口温度，与阳极循环的过量富氢气体混合达到电堆入口温度，冷却水循环系统带走的热量在吸收式制冷中被利用。

对于输出电量为20KW的质子交换膜燃料电池，其运行温度为80℃，产生的热量也约为20kw。经生物质气化系统输出的净化后的富氢气体压力为1atm，富氧气体与燃料电池电堆阳极循环的过量富氢气体混合后，通过气体处理子系统中的氢气压缩机(即阳极压缩机)加压到1.2atm，随后利用加湿器使相对湿度保持在60％-100％，最后送入电堆阳极反应。同样，环境中常温常压的空气依次通过气体处理子系统中的阴极压缩机压缩、阴极换热器换热、阴极加湿器加湿，变成压力为1.2atm、温度65℃、相对湿度为60％-100％的空气送入电堆阴极反应。

质子交换膜燃料电池冷却水循环系统带走电池的余热，约为20KW，与气化炉合成气净化系统中的气化炉合成气冷却水带走的余热一起驱动吸收式制冷系统，发生器和冷凝器为高压端，压力为7.38kPa，蒸发器和吸收器为低压端，压力为0.706kPa，制冷剂依次通过冷凝器，蒸发器，吸收器最后回到发生器完成一个制冷循环。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种低温质子交换膜燃料电池冷热电联供系统，其特征在于，包含燃料电池电堆，生物质气化系统，冷却水循环系统，气体处理子系统和吸收式制冷系统；

燃料电池电堆接收经气体处理子系统处理后输入的富氢气体和空气，运行产生电能和热能，过量富氢气体由阳极出口输出，返回气体处理子系统；冷却水循环系统用于将所述热能由带入吸收式制冷系统，维持燃料电池电堆内部工作温度；

生物质气化系统使生物质原料在空气的作用下产生富氢气体，经冷却、净化后输送至气体处理子系统；所述富氢气体冷却产生的低品位余热输入吸收式制冷系统；

气体处理子系统接收由生物质气化系统输入的富氢气体和由燃料电池电堆输入的过量富氢气体混合后，经压缩和加湿处理后送入燃料电池电堆的阳极，接收由外部输入的空气，经压缩、加热和加湿处理后送入燃料电池电堆的阴极；所述混合后的富氢气体经压缩后的温度等于燃料电池电堆运行所需的进口温度；

吸收式制冷系统利用由冷却水循环系统带来的热能和由生物质气化系统输入的富氢气体冷却产生的低品位余热为冷却水循环系统提供冷能；

所述燃料电池电堆运行后的过量空气由阴极出口输出，返回气体处理子系统；气体处理子系统利用由燃料电池电堆输入的过量空气加热外部输入的空气；

所述气体处理子系统包括阳极压缩机、阳极加湿器、阴极压缩机、阴极换热器和阴极加湿器，混合后的富氢气体依次通过阳极压缩机和阳极加湿器进入燃料电池电堆阳极，外部空气依次通过阴极压缩机、阴极换热器和阴极加湿器进入燃料电池电堆阴极；由燃料电池电堆输入的过量空气输入阴极换热器，加热外部输入的空气；

所述生物质气化系统包括生物质气化炉，旋风分离器和气化炉合成气净化系统；

生物质气化炉用于使生物质原料在空气的作用下产生富氢气体，并送入旋风分离器；旋风分离器去除富氢气体中的粉尘颗粒并送入气化炉合成气净化系统；气化炉合成气净化系统冷却富氢气体，并降低富氢气体中的一氧化碳含量后将富氢气体送入气体处理子系统；

所述气化炉合成气净化系统包括高温水汽转换反应器，低温水汽转换反应器，选择氧化反应器和合成气冷却水系统；高温水汽转换反应器温度为400℃，用于将合成气中的一氧化碳含量降至2.5％；低温水汽转换反应器温度为200℃，用于将合成气中的一氧化碳含量降低至0.25％；选择氧化反应器温度为120℃，用于进一步选择性的去除一氧化碳；合成气冷却水系统用于将经旋风分离器除尘后的富氢气体冷却，并将冷却过程产生的低品位余热送入吸收式制冷系统；

所述气化炉合成气净化系统将富氢气体中的一氧化碳含量降低至＜10ppm。

2.根据权利要求1所述的一种低温质子交换膜燃料电池冷热电联供系统，其特征在于，所述阳极加湿器和阴极加湿器采用膜加湿的方法分别对混合后的富氢气体以及空气加湿，使相对湿度为60％-100％。

3.根据权利要求1所述的一种低温质子交换膜燃料电池冷热电联供系统，其特征在于，吸收式制冷系统包括循环连接的发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器和溶液换热器，设于冷凝器和蒸发器之间的节流阀I以及设于吸收器和溶液换热器之间的节流阀Ⅱ和泵Ⅱ；

吸收器输出的稀溶液经过泵Ⅱ依次进入换热器和发生器，由冷却水循环系统带来的热能和由生物质气化系统输入的富氢气体冷却产生的低品位余热进入发生器加热所述稀溶液产生制冷蒸汽，制冷蒸汽在冷凝器中冷却成饱和溶液经节流阀I进入蒸发器中制取冷能，最后蒸发器出口蒸汽进入吸收器内被发生器出口的浓溶液吸收完成一个制冷循环，所述稀溶液为LiBr/H₂O溶液；所述浓溶液浓度为50％～60％，稀溶液浓度比浓溶液浓度低1％～3％。

4.根据权利要求3所述的一种低温质子交换膜燃料电池冷热电联供系统，其特征在于，所述冷却水循环系统包括管路和设于管路上的泵I，管路位于燃料电池电堆和发生器之间，泵I用于驱动冷却水在管路中循环流动。

5.一种低温质子交换膜燃料电池冷热电联供方法，其特征在于，采用权利要求1-4任一项所述的一种低温质子交换膜燃料电池冷热电联供系统实现，包括以下步骤：

(1)生物质气化系统使生物质原料在空气的作用下产生富氢气体，经冷却、净化后输送至气体处理子系统，富氢气体冷却产生的低品位余热输入吸收式制冷系统；

(2)燃料电池电堆接收经气体处理子系统处理后输入的富氢气体和空气，燃烧产生电能和热能，过量空气和富氢气体分别由阴极出口和阳极出口输出，返回气体处理子系统；冷却水循环系统用于将所述热能由带入吸收式制冷系统，维持燃料电池电堆内部温度平衡；

(3)气体处理子系统接收由生物质气化系统输入的富氢气体和由燃料电池电堆输入的过量富氢气体混合后，经压缩和加湿处理后送入燃料电池电堆的阳极，接收由外部输入的空气，经压缩、加热和加湿处理后送入燃料电池电堆的阴极；所述混合后的富氢气体经压缩后的温度等于燃料电池电堆运行所需的进口温度；气体处理子系统利用由燃料电池电堆输入的过量空气加热外部输入的空气；

(4)吸收式制冷系统利用由冷却水循环系统带来的热能和由生物质气化系统输入的富氢气体冷却产生的低品位余热为冷却水循环系统提供冷能。

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