CN114628732B - 一种太阳能辅助的燃料电池余热回收一体化系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种太阳能辅助的燃料电池余热回收一体化系统及方法，该系统由运输管道、预热腔、燃料电池电堆、太阳能单元、蒸发腔、反应腔、后处理器等组成；燃料和冷却水经运输管道进入预热腔，冷却各个燃料单电池后进入蒸发腔，光伏电池的余热为蒸发腔和反应腔加热，燃料经过蒸发、反应和后处理产生纯净氢气，作为原料送回燃料电池使用，多余氢气储入氢气储存罐后在光线较弱时使用，既实现高效散热，又做到热能的回收利用，提高燃料电池系统的能量转换效率。其中蒸发腔、反应腔和后处理器可与燃料电池电堆形成一体化装置，也可分散化安置，灵活可靠。运输管道中的介质由毛细和虹吸效应运输，减少了所需泵功，预热腔内蒸发吸热强化了冷却效果。

Description

一种太阳能辅助的燃料电池余热回收一体化系统及方法
技术领域
本发明属于燃料电池热管理与太阳能利用领域，具体为设计一种太阳能辅助的燃料电池余热回收一体化系统及方法。
背景技术
目前全世界普遍面临着化石能源枯竭、生态环境恶化等问题，各国都在积极开展新能源研究，质子交换膜燃料电池(PEMFC)的使用已成为一大热点。
近些年来，人们对质子交换膜燃料电池的实践应用付出了很多努力，但是其仍不能得到广泛的应用。这主要有两大方面原因，一方面是质子交换膜燃料电池的燃料氢气的制备和储存技术仍不成熟，另一方面是燃料电池的热管理问题没有得到很好地解决，尤其是质子交换膜燃料电池的高温散热问题。
质子交换膜燃料电池在60-80℃的运行温度下可以保持高能量转化效率，但是目前的质子交换膜燃料电池转化效率只有40-60％，在某些情况下才能够达到60％。这是因为质子交换膜燃料电池存在着散热困难、工作温度难以稳定的情况，高温度的运行使得电堆中废热往往难以被排出加以利用，从而降低了质子交换膜燃料电池的能量转化效率。持续性的高温运行会对燃料电池性能产生不利的影响，例如质子交换膜脆化损坏、催化剂易降解和电池寿命缩短等问题。在众多的热管理方案中，基于相变冷却原理的热管散热由于散热量大、散热均匀性好等优点备受瞩目。传统的热管散热技术是将热管嵌入双极板中，在无外部动力的情况下，将大量热通过热管内的工质的蒸发吸热进行远距离传输散热，在冷凝端的气态工质冷凝为液态，再次进入双极板内为燃料电池散热，形成闭式循环，能保证热源面温度保持较好的均布性，但是国内目前在燃料电池热管理领域的热管技术还不成熟，且热管存在着生产成本高、产品寿命短和体积大的缺点。
本发明对热管散热技术的工质循环改为了开放式，工质利用蒸发吸热原理为燃料电池达到散热效果后不再进行冷凝循环，而是直接对温度上升的工质进一步处理利用，达到更高的能量转换效率。
质子交换膜燃料电池在实际应用中为了获得更多的氢气来源，可以携带甲醇、甲烷、液氨、LPG以及其他可重整或者裂解制氢的燃料，通过重整或裂解来制取氢气，但是重整或裂解反应的吸热主要来自于燃料本身的燃烧，需要额外消耗多余的燃料，而用聚光太阳能光伏电池上的余热供能则可以节省燃料。另一方面，燃料在燃料电池内部作为冷却工质，利用蒸发吸热的原理得到初始的预热，与之后的管道、装置形成开放式热管，可以增强冷却效果。
因此，如果能够结合太阳能的利用提供燃料重整或裂解所需的能量，使用热管散热技术的蒸发吸热原理形成开放式热管增强冷却效果，从而解决质子交换膜燃料电池的散热问题，最终实现燃料电池能量转化效率的提高，这将对燃料电池的热管理提出一种新的解决方案。
发明内容
有鉴于此，为了解决质子交换膜燃料电池的散热困难和废热利用问题，本发明提出了一种太阳能辅助的燃料电池余热回收一体化系统及方法，通过辅助使用太阳能装置来达到热、电、化学的综合利用。该系统额外使用燃料作为冷却介质，利用热管散热的蒸发吸热原理高效冷却电堆使其达到合理运行温度，同时利用电池堆产生的废热进行燃料预热，并利用其他装置收集的太阳能进一步处理燃料后产生氢气(H2)，H2作为原料供入燃料电池发电。
本发明解决技术问题所采取的方案是：
一种太阳能辅助的燃料电池余热回收一体化系统，包括燃料储存罐、呼吸阀、连接阀、运输管道、入口管道、预热腔、出口管道、毛细芯、冷却部分固定器、燃料管道阀门、冷却水管道阀门、混合腔、燃料电池电堆、燃料单电池、双极板、销钉、质子交换膜、阴极材料、阳极材料、阴极扩散层、阳极扩散层、阳极氢气通道、阴极空气通道、氢气入口、空气入口、太阳能单元、太阳能聚光器、光伏电池、控制器、逆变器、蓄电池、太阳能固定器、蒸发腔、反应腔、流量控制阀、温度监视器、CO处理腔、氢气纯化器、气液分离收集器、连通管、气阀、氢气储存罐、冷却水储存器、真空泵、泵，其中：
所述太阳能单元包括太阳能聚光器、控制器、逆变器、光伏电池和蓄电池，由太阳能固定器固定在燃料电池电堆上方，形成一体化装置，在光伏电池上发生光电效应，将聚光器收集到的太阳辐射能转化为电能，储存在蓄电池中，光伏电池上余热用来加热蒸发腔的燃料和H2O，并且为反应腔中的反应提供所需的能量；逆变器功能是把光伏电池所发的直流电转化成交流电；控制器是对蓄电池充电以及蓄电池给逆变器负载供电的自动控制设备，对蓄电池的充、放电条件加以规定和控制；
其中，所述太阳能单元包括太阳能聚光器、控制器、逆变器、光伏电池和蓄电池，在无需整体小型化的情况下，可由太阳能固定器分散安置在燃料电池电堆附近；
所述燃料储存罐包括有呼吸阀和连接阀，燃料选择甲烷、甲醇、液氨、液化石油气以及其他可重整或裂解的制氢燃料；
所述燃料储存罐通过连接阀与入口管道相连接，通过入口管道将燃料输送出去；由于甲醇易挥发，入罐的甲醇会溶有部分低沸点气体，而罐为常压装置，出于安全考虑安装呼吸阀来保证甲醇中溶解的低沸点气体能够闪蒸出去，使得燃料储存罐始终处于常压状态；
所述运输管道包括入口管道、预热腔、出口管道、毛细芯、燃料管道阀门、冷却水管道阀门、混合腔和泵，由管道中的毛细芯利用毛细现象和虹吸原理牵引运输，或在利用毛细芯运输的基础上结合普通管道经泵提供动力运输，毛细芯材料可以使用毛巾、棉布条和海绵中的一种或两种或三种结合；除此之外，在物质运输的过程中根据运输管道摆放的方式，利用物质本身的重力辅助冷却介质的运输；
其中，利用毛细芯的牵引运输是主要的运输动力，与之结合的使用泵运输的情况用于增大冷却介质的运输速率时使用；
所述入口管道和出口管道是指位于燃料电池电堆底部和顶部位置的运输管道；
其中，入口管道包括两条管道，一条管道用来运输燃料，另一条管道用来运输冷却水，在燃料电池电堆进口端两条管道分散成数支，运送燃料和冷却水到各双极板内部；出口管道包括三条管道，一条管道收集双极板流出的燃料，将其运输至蒸发腔内，剩余两条管道分别收集双极板流出的吸收废热后的冷却水和燃料电池反应产生的产物水，将其运回到冷却水储存器中；
所述燃料管道阀门和冷却水管道阀门安装在两条入口管道末端，分别对燃料和水的通入实现实际控制；
其中，当仅燃料管道阀门开启时，燃料作为仅有的冷却介质进入不同层的流道中实现散热冷却，当仅冷却水管道阀门开启时，水作为仅有的冷却介质对燃料电池电堆进行冷却，当燃料管道阀门和冷却水管道阀门同时开启时，水和燃料的运输有两种情况，其中一种是燃料和水在混合腔中发生混合后流入各层流道，另一种是燃料和水不经由混合腔，分别流入不同层的流道进行冷却；
所述混合腔位于燃料电池电堆内，两端分别与入口管道和预热腔相连，用以对燃料和水进行混合；
所述预热腔位于燃料电池电堆内部，是指分散进入每一个双极板中的运输管道，作为冷却系统为燃料单电池散热，以及为燃料提供预热，进口端与入口管道相连，出口端与出口管道相连；
其中，每个双极板内的分支流道继续分支，每一支流道由至少两层分流道组成，其流道形状可以是蛇形、Z字形和直管中的一种，流道中冷却介质分别为水和燃料；
所述入口管道和出口管道在燃料电池电堆外侧均有冷却部分固定器进行支撑和固定；
所述燃料电池电堆中至少由一个燃料单电池构成，以及配备的氢气入口和空气入口，氢气入口和空气入口位于燃料电池电堆外侧，接收来自外界的原料供给，并与众多单电池的阳极氢气通道和阴极空气通道相连，燃料单电池由双极板、销钉、质子交换膜、阴极材料、阳极材料、阴极扩散层、阳极扩散层、燃料电池催化剂、阳极氢气通道和阴极空气通道组成，不同燃料单电池双极板之间由销钉进行连接构成整个燃料电池电堆；
所述蒸发腔吸收来自光伏电池的余热，进一步加热燃料变成蒸汽，通过连通管与反应腔相连，燃料变成气态进而进入反应腔；
所述反应腔中包括流量控制阀、温度监视器以及用于重整或分裂的反应催化剂，可以发生甲醇等燃料的重整反应或甲烷等燃料的裂解反应生成氢气，反应腔末端通过连通管与CO处理装置相连；
其中，流量控制阀和温度监视器起到对反应腔内部反应速率控制的作用，流量控制阀通过改变管道中流通面积来调节燃料流量，温度监视器通过对温度的实时显示来达到对反应进行程度的判断，反应温度的改变由流量控制阀和太阳能聚光器通过调节流量和控制聚光程度来实现；由于反应腔内燃料消耗，使得反应腔中压力相对于蒸发腔形成微负压效果，调节流量控制阀和温度监视器，促使燃料在蒸发腔内快速吸热蒸发，加快运输管道所包括的入口管道、预热腔和出口管道中的冷却介质流速，吸热升温现象加剧，迅速带走大量热量，进行热量回收的同时，实现燃料电池电堆内部的温度调控；
所述CO处理腔、氢气纯化器和气液分离收集器，用于对反应产物进行处理，CO处理腔内混合蒸汽中的CO与H2O发生反应，生成H2，氢气纯化器内去除混合气体中的杂质留下纯氢气体，气液分离收集器对混合物进行气液分离，排出纯氢气，末端通过连通管与燃料电池电堆的氢气入口和氢气储存罐相连；
所述蒸发腔、反应腔、CO处理腔、氢气纯化器和气液分离收集器由太阳能固定器固定在燃料电池电堆上方，形成一体化装置，或在无需整体小型化的情况下，由太阳能固定器分散安置在燃料电池电堆附近
所述连通管是作为蒸发腔、反应腔、CO处理腔、氢气纯化器、气液分离收集器和氢气储存罐之间物质传输的管道，在氢气储存罐之前连通管处配备有气阀，用以在需要时开启，使用氢气储存罐中氢气作为燃料电池燃料来源；
所述氢气储存罐用来储存燃料电池电堆所需之外过量生产的氢气，其与气液分离收集器和燃料电池电堆的氢气入口以连通管相连接；
所述冷却水储存器用来储存吸收废热的水和反应生成的水，冷却至室温后再次通入燃料电池电堆中作为冷却介质，两端分别连接入口管道和出口管道；
所述真空泵位于通往蒸发腔的出口管道旁，打开真空泵可以将出口管道内部抽成微负压，促进管道内燃料的蒸发吸热，真空泵不工作时依靠反应腔内反应生成微负压促进运输即可；
所述燃料储存罐中燃料由入口管道中毛细芯汲取运输，经由燃料电池电堆中的预热腔吸收电堆废热后温度升高，之后被出口管道运入蒸发腔内蒸发、反应腔内反应、后处理得到氢气；其中，燃料对于燃料电池热量的运输是依靠蒸发吸热原理实现的，但有别于传统热管散热的闭式循环，而是在燃料储存罐、入口管道、预热腔、出口管道、蒸发腔、反应腔及其他装置间形成开放式热管。
通过上述技术方案可知，本发明中的运输通道使用含有毛细芯的管道，利用毛细现象和虹吸原理牵引运输，无需泵等动力结构运输冷却介质，或使用含有毛细芯的管道与泵相结合的方式共同完成运输，将燃料和水分别从燃料储存罐和冷却水储存器中抽取出来，流入燃料电池电堆内的预热腔，通过热管散热的蒸发吸热原理进行高效散热。除此之外，在物质运输的过程中根据运输管道摆放的方式，利用物质本身的重力辅助进行冷却介质的运输。其中燃料吸收热量后由出口管道吸入蒸发腔中，太阳能聚光器在光伏电池上产生的余热进入蒸发腔和反应腔作为热量来源，对已经预热的燃料进行进一步加温蒸发处理和提供燃料反应所需温度。反应腔中依靠太阳能聚光器在光伏电池上产生的余热根据燃料种类的不同发生重整或分裂反应，生成H2、CO、CO2、H2O以及其他杂质。混合气体通过连通管进入后处理器，在CO处理腔中通过燃料中的CO与水蒸气发生放热反应，去除CO，生成H2，混合气体进而进入之后的氢气纯化器去除杂质得到较纯的氢气，在气液分离收集器中进行气液分离，将气体部分即纯氢气通入燃料电池电堆氢气入口后输送至各燃料单电池的阳极氢气通道作为阳极原料。在太阳能获能较多时刻，即燃料电池电堆所需原料小于系统氢气产量的时候，来自气液分离收集器的多余氢气经由连通管进入氢气储存罐中储存备用。与此同时，冷却水吸收热量后储入冷却水储存器，冷却至室温后再次通入燃料电池电堆中作为冷却介质，具有对环境友好的特性，实现热、电、化学的综合利用提高能量的利用率。
本发明产生的有益效果有：
(1)本套系统结构简单，整个系统简单易实现，既可以将太阳能单元、蒸发腔和反应腔及其随后的CO处理腔、氢气纯化器和气液分离收集器这三个后处理装置经太阳能固定器固定在燃料电池电堆上形成一体化装置，减少连通管上保温材料的用量，降低系统成本，从而减少了管内物质与环境间的传热损失，提升能量转换效率，并能够减小整套系统的占用空间，实现整套燃料电堆系统的小型化，整体简洁；又可以在无需整体小型化的情况下，将太阳能单元及其随后的CO处理腔、氢气纯化器和气液分离收集器这三个后处理装置在燃料电池电堆附近分散安装布置，装置安装的位置灵活可便，不受拘束。
(2)采用特殊的毛细芯利用毛细现象和虹吸原理自燃料储存罐内抽取燃料，可省去了传统的管路运输，及其配套使用的泵等动力结构，采用具有高孔隙率并且孔径在一定范围内尽可能较小的毛细管道，提高了冷却介质的渗透率，减小了管内的流动阻力，达到了降低整个系统能耗的效果；在燃料电池高功率使用时刻，借助泵动力的普通运输通道可辅助燃料的运输过程，提高燃料运输速率，灵活方便，应用范围广泛；同时含有毛细芯的特殊管道作为燃料电池冷却流道具有更好的传热特性，管内的燃料与燃料单电池两侧通过热管散热的蒸发吸热原理直接接触吸热，减少了内嵌在双极板中的传统闭式循环热管散热因间接接触产生的多余热阻，结构更加紧凑，加快蒸发吸热的响应速度，是一种开放式热管，并且通过调节燃料和/或水的流量和压力，实现反应腔中反应的温度可控，提高散热的效率。
(3)采用燃料、水双层或多层特殊流道设计，增加了燃料电池的冷却效率，提高了燃料电池余热的吸收速率，结合含有毛细芯的特殊管道设计，以及开放式热管散热、太阳能辅助功能和一体化设计，可提供一种解决如今电池产品小型化和单位散热量增加问题的方法，满足传统散热技术难以满足的散热功率要求。
(4)采用回收废热后具有更高初始温度的燃料进入蒸发腔、反应腔，利用清洁的太阳能重整或裂解制氢后，产物中的氢气可作为燃料电池阳极原料供入燃料电池，或在产量充足时存入氢气储存罐，确保燃料电池供应原料的连续性和可持续性，具有对环境友好的特性，实现热、电、化学的综合利用提高能量的利用率。
附图说明
图1为本发明的一种太阳能辅助的燃料电池余热回收一体化系统结构示意图；
图2为本发明的一种太阳能辅助的燃料电池余热回收一体化系统流程图；
图3为本发明的燃料电池内部冷却流道即预热腔的示意图；
图4为本发明的实施例1的燃料电池内部冷却流道即预热腔示意图；
图5为本发明的实施例2的系统结构示意图；
图6为本发明的实施例3的系统流程图；
图7为本发明的实施例4的系统流程图；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合具体实施例，并参考相应附图，对本发明做进一步详细介绍：
如图1所示，为本发明的一种太阳能辅助的燃料电池余热回收一体化系统结构示意图，该系统包括燃料储存罐1、呼吸阀2、连接阀3、运输管道4、入口管道5、预热腔6、出口管道7、毛细芯8、冷却部分固定器9、燃料管道阀门10、冷却水管道阀门11、混合腔12、燃料电池电堆13、燃料单电池14、双极板15、销钉16、质子交换膜17、阴极材料18、阳极材料19、阴极扩散层20、阳极扩散层21、阳极氢气通道22、阴极空气通道23、氢气入口24、空气入口25、太阳能单元26、太阳能聚光器27、光伏电池28、控制器29、逆变器30、蓄电池31、太阳能固定器32、蒸发腔33、反应腔34、流量控制阀35、温度监视器36、CO处理腔37、氢气纯化器38、气液分离收集器39、连通管40、气阀41、氢气储存罐42、冷却水储存器43、真空泵44、泵45，其中：
燃料储存罐1包括有呼吸阀2和连接阀3，用来储存甲烷、甲醇、液氨、液化石油气以及其他可重整或裂解的制氢燃料；
呼吸阀2用来保证甲醇中溶解的低沸点气体能够闪蒸出去，使得燃料储存罐1始终处于常压状态，这是因为甲醇易挥发，入罐的甲醇溶有部分低沸点气体，而罐为常压装置；
连接阀3是用来连通燃料储存罐1和入口管道5之间的装置；
运输管道4包括有入口管道5、预热腔6、出口管道7、毛细芯8、燃料管道阀门10、冷却水管道阀门11、混合腔12和泵45，由管道中的毛细芯8利用毛细现象和虹吸原理牵引运输，或在利用毛细芯8运输的基础上结合普通管道经泵45提供动力运输，毛细芯8材料可以使用毛巾、棉布条和海绵中的一种或两种或三种结合，除此之外，在物质运输的过程中根据运输管道4摆放的方式，利用物质本身的重力辅助冷却介质的运输；
入口管道5和出口管道7是指位于燃料电池电堆13底部和顶部位置的运输管道4。入口管道5包括两条管道，一条管道用来运输燃料，另一条管道用来运输冷却水，在燃料电池电堆13进口端两条管道分散成数支，运送燃料和冷却水到各双极板15内部。出口管道7包括三条管道，一条管道收集双极板15流出的燃料，将其运输至蒸发腔33内，剩余两条管道分别收集双极板15流出的吸收废热后的水和燃料电池反应产生的产物水，将其运回到冷却水储存器44中；
燃料管道阀门10和冷却水管道阀门11安装在两条入口管道5末端，分别对燃料和水的通入实现实际控制；
混合腔12位于燃料电池电堆13内，两端分别与入口管道5和预热腔6相连，用以对燃料和水进行混合；
预热腔6位于燃料电池电堆13内部，是指分散进入每一个双极板15中的运输管道4，作为冷却系统为燃料单电池14散热，以及为燃料提供预热，进口端与入口管道5相连，出口端与出口管道7相连，每个双极板15内的分支流道继续分支，每一支流道由至少两层分流道组成，其流道形状可以是蛇形、Z字形和直管中的一种，流道中冷却介质分别为水和燃料；
冷却部分固定器9用来在燃料电池电堆13外侧支撑和固定入口管道5和出口管道7；
燃料电池电堆13中至少由一个燃料单电池14构成，以及配备的氢气入口24和空气入口25，燃料单电池14由双极板15、销钉16、质子交换膜17、阴极材料18、阳极材料19、阴极扩散层20、阳极扩散层21、阳极氢气通道22、阴极空气通道23以及燃料电池催化剂组成；
氢气入口24和空气入口25位于燃料电池电堆13外侧，可接收来自外界的原料供给，并与众多单电池的阳极氢气通道22和阴极空气通道23相连；
双极板15中含有阳极氢气通道22、阴极空气通道23，并布满了预热腔6中的冷却流道；
阳极氢气通道22和阴极空气通道23是燃料单电池14中运输原料的通道；
销钉16是用来连接不同燃料单电池14的双极板15的，进而连接构成整个燃料电池电堆13；
质子交换膜17、阴极材料18、阳极材料19是燃料电池的核心反应部件；
阴极扩散层20、阳极扩散层21是将来自通道运输过来的原料扩散到电极区的通道；
太阳能单元26包括太阳能聚光器27、光伏电池28、控制器29、逆变器30、蓄电池31和太阳能固定器32；
聚光器27将太阳辐射能汇聚在光伏电池28上，发生光电效应，在蓄电池31中储存电能，光伏电池28上余热用来加热蒸发腔33中的物质，并且为反应腔34中反应提供所需的能量；
控制器29是对蓄电池31充电以及蓄电池31给逆变器30负载供电的自动控制设备，对蓄电池31的充、放电条件加以规定和控制；
逆变器30功能是把光伏电池28所发的直流电转化成交流电；
太阳能固定器32的作用是将太阳能单元26、蒸发腔33、反应腔34、CO处理腔37、氢气纯化器38和气液分离收集器39固定在燃料电池电堆13顶部，形成一体化装置，或者分散安置；
蒸发腔33吸收来自光伏电池28发电的余热，进一步加热燃料变成蒸汽，与反应腔34通过连通管40相连，燃料蒸汽进而进入反应腔34；
反应腔34中包括流量控制阀35、温度监视器36以及用于重整或分裂的反应催化剂，可以发生甲醇等燃料的重整反应或甲烷等燃料的裂解反应生成氢气，末端与CO处理装置37相连；
流量控制阀35和温度监视器36起到对反应腔34内部反应速率控制的作用，流量控制阀35通过改变管道中流通面积来调节燃料流量，温度监视器36通过对温度的实时显示来达到对反应进行程度的判断，反应温度的改变由流量控制阀35和太阳能聚光器27通过调节流量和控制聚光程度来实现；
CO处理腔37中可使混合蒸汽中的CO与H2O发生反应，生成H2；
氢气纯化器38可去除混合气体中的杂质留下纯氢气体；
气液分离收集器39可以对混合物进行气液分离，排出纯氢气，末端与燃料电池电堆13的氢气入口24和氢气储存罐42相连；
连通管40是作为蒸发腔33、反应腔34、CO处理腔37、氢气纯化器38、气液分离收集器39和氢气储存罐42之间物质传输的管道；
气阀41位于氢气储存罐42之前的连通管40上，用以在需要时开启，使用氢气燃料罐42中氢气作为燃料电池电堆13的燃料来源；
氢气储存罐42可以储存燃料电池电堆13所需之外的过量生产的氢气，其与气液分离收集器39末端和燃料电池电堆13的氢气入口24通过连通管40相连接；
冷却水储存器43可以储存循环产生的热水和反应生成的水，冷却至室温后可再次通入燃料电池电堆13中作为冷却介质，两端分别连接入口管道5和出口管道7；
真空泵44位于通往蒸发腔33的出口管道7旁，打开真空泵44可以将出口管道7内部抽成微负压，促进管道内燃料的蒸发吸热，真空泵44不工作时依靠反应腔34内反应生成微负压促进运输即可；
燃料储存罐1中燃料由入口管道5中毛细芯8汲取运输，经由燃料电池电堆13中的预热腔6吸收电堆废热后温度升高，之后被出口管道7运入蒸发腔33内蒸发、反应腔34内反应、后处理得到氢气；其中，燃料对于燃料电池热量的运输是依靠蒸发吸热原理实现的，但有别于传统热管散热的闭式循环，而是在燃料储存罐1、入口管道5、预热腔6、出口管道7、蒸发腔33、反应腔34及其他装置间形成开放式热管。
如图1所示，本发明提供了一种太阳能辅助的燃料电池余热回收一体化系统，采用太阳能作为提供辅助能量的装置，为经由冷却流道吸收了燃料电池废热的燃料提供重整和裂解所需的能量，其中的燃料选择甲烷、甲醇、液氨、液化石油气以及其他可重整或裂解的制氢燃料，包括两个主要过程：来自燃料储存罐的燃料经由入口管道，流入燃料电池双极板中特殊设计的冷却流道，带走燃料电池的废热，提高燃料自身的温度后流入蒸发腔中；通过聚光器将太阳能汇聚在光伏电池上，发电存入蓄电池中，光伏电池上的余热用来为蒸发腔和反应腔提供热量，燃料在流道吸收了燃料电池废热初步预热后，依次进入蒸发腔、反应腔、CO处理腔、氢气纯化器、气液分离收集器，最终收集到的纯氢气可以作为阳极反应物供入燃料电池中，也可储入氢气储存罐中以备使用。
如图3所示，该图是将双极板纵向剖切后的内部冷却流道示意图，显示了位于双极板内部的预热腔流道的分布形式和分支处理。来自外界入口管道的燃料经由毛细芯的毛细作用和虹吸原理引流入燃料电池电堆中，在进口端形成分支流道进入各个双极板内。在双极板中的预热腔内，分支流道进入单个双极板内继续分支形成众多流道，双极板内每一支流道由两层流道组成，一层流入燃料，一层流入冷却水。众多的双层流道布满了双极板内部，采用弯曲的流道设计，尽可能提高了冷却流道与燃料电池工作部分的接触面积，增大了换热系数，从而提高了换热量。
如图3所示，在双极板内冷却流道的设计上，本发明不局限于每支流道由双层流道构成，而是由至少双层的流道组成单个双极板内每支流道，或对燃料和水这两种冷却介质是否混合后再流入同一层流道进行选择。
下面通过具体实施例对本发明做进一步的阐述。其中，实施例1中采取了混合冷却介质后流入同一层流道的方法，实施例2中加入了泵和普通运输管道，实施例3中采用了产物水不回流而是流入蒸发腔内参与后续处理反应的方法，实施例4中采取了换用甲烷和液氨燃料的方法。
实施例1
如图1所示，系统装置图内的双极板15内预热腔6流道设计在图3中得到了具体显示。在图3中，此方案所展示的燃料和冷却水流入不同层流道的设计并不唯一。每一分支流道的流道层数可更改为至少双层，并且不同冷却介质可混合后流入同一层流道。
如图4所示，将图3中的分支冷却流道设计进行更改，在燃料管道阀门和冷却水管道阀门同时开启后，经两条入口通道运送过来的燃料和冷却水，在双极板预热腔入口处的混合腔内进行了充分混合，混合好的混合液体进行分流，燃料和冷却水得以流入同一层流道，吸收燃料电池的废热后，流出预热腔。
其中，入口管道运来的燃料和冷却水的成分比例，是根据燃料的种类不同以及后期CO处理所需要的水蒸气比例，进行选择控制的。
其中，预热腔中冷却流道的布置，不局限于实施例1图4中的两层流道为一分支流道，分支流道的流道层数为至少两层。
其中，预热腔出口处，由于燃料和冷却水已成混合液体，因此只存在两条出口管道，一条出口管道将混合液体从燃料电池电堆中运出，流入蒸发腔中进行下一步反应，另一条出口管道将产物水运至冷却水储存器，并没有出口通道将冷却水运回冷却水储存器。
实施例2
如图1所示，在系统装置图中的燃料电池电堆13入口管道5采用了毛细芯8作为管道中的运输动力来源，毛细芯8依靠毛细作用和虹吸原理将燃料和水从燃料储存罐1中运输出来，并驱动其在双极板15内部即预热腔6中进行流动，流动过程中吸收来自燃料电池的废热，对自身进行预热处理，最后流入蒸发腔33中，但此入口管道5的选取方案并不唯一。
如图5所示，是本发明的系统装置改进图，图中燃料电池电堆13入口管道5加入了部件泵45，并与之匹配了不含毛细芯8的普通管道，用以增大流体的运输速度，从而加大冷却的效果和生产氢气的速度，在燃料电池电堆13高功率运作和多燃料单电池14的设定下进行工作。
其中，对于泵45和与之匹配的普通管道以及含毛细芯8的入口管道数目选择，并不局限于本实施例，采用至少两条含毛细芯8的入口管道5，对于含泵45的普通管道可不设置，或设置至少一条。
实施例3
如图1所示，在系统装置图中的燃料电池电堆13出口管道7包括三条管道，一条管道收集双极板15流出的燃料，将其运输至蒸发腔33内，剩余两条管道分别收集双极板15流出的吸收废热后的水和燃料电池反应产生的产物水，将其运回到冷却水储存器43中，但此出口管道7的设计方案并不唯一。
如图6所示，是本发明的系统流程改进图，图中流出燃料电池电堆的产物水改变了原来的运输方向，不再由出口管道运输回冷却水储存器，进行冷却后达到室温，由入口管道运入燃料电池再次参与冷却循环。而是由一条出口管道运输入蒸发腔中形成水蒸气，参与接下来在反应腔和CO后处理腔的反应，最终生成H2。
其中，根据产物水参与之后反应所需的摩尔质量和与燃料的混合程度，需对产物水的运输流量和运输速度加以控制。
实施例4
如图1所示，在系统装置图中的燃料储存罐1中采用了甲醇作为燃料，并与之配套使用了CO处理腔37、氢气纯化器38和气液分离收集器39作为生产氢气的后处理装置。
如图7所示，本发明在流程图中将燃料种类修改为了甲烷或液氨，并对反应腔后部的后处理装置进行了修改。甲醇的裂解会产生CO、CH4和N2等杂质气体，液氨的分解会产生含H2、N2和NH3的混合气体。相应的要改变原来设置的后处理装置中的部件，如图7所示，本发明设置了两处小型吸附塔，分为第一吸附塔和第二吸附塔来纯化氢气，去除其中的杂质气体。
其中，吸附塔是交替进行吸附、解吸和吸附准备过程来达到连续产出氢气，混合气体在吸附塔中自下而上依次经过多个含有不同吸附剂的床层，当床层中的吸附剂被杂质气体饱和后,富氢气将切换到第二吸附塔进行进一步的纯化来确保氢气的纯度。
其中，对于甲烷和液氨燃料，将针对其产生杂质气体的不同，设置含有不同吸附剂的床层。
除此之外，对于液化石油气燃料，针对其产生的杂质气体复杂的问题，设置多重含有吸附剂的床层和吸附塔来去除杂质气体。
实施例5
如图1所示，在系统装置图中的太阳能固定器32将太阳能单元26、蒸发腔33、反应腔34及其随后的CO处理腔37、氢气纯化器38和气液分离收集器39固定在燃料电池电堆13顶部，形成了一体化装置，减少了连通管40上保温材料的用量，降低系统成本，并减少了管内物质与环境间的传热损失，提升能量转换效率，一体化装置的设计能减小整套系统的占用空间，实现整套燃料电堆系统的小型化，整体简洁。
在无需整体小型化的情况下，太阳能单元26及其随后的CO处理腔37、氢气纯化器38和气液分离收集器39这三个后处理装置在燃料电池电堆13附近分散安装布置，装置安装的位置灵活可便，不受拘束。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所述的仅为本发明的四个具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种太阳能辅助的燃料电池余热回收一体化系统，其特征在于，包括燃料储存罐(1)、呼吸阀(2)、连接阀(3)、运输管道(4)、入口管道(5)、预热腔(6)、出口管道(7)、毛细芯(8)、冷却部分固定器(9)、燃料管道阀门(10)、冷却水管道阀门(11)、混合腔(12)、燃料电池电堆(13)、燃料单电池(14)、双极板(15)、销钉(16)、质子交换膜(17)、阴极材料(18)、阳极材料(19)、阴极扩散层(20)、阳极扩散层(21)、阳极氢气通道(22)、阴极空气通道(23)、氢气入口(24)、空气入口(25)、太阳能单元(26)、太阳能聚光器(27)、光伏电池(28)、控制器(29)、逆变器(30)、蓄电池(31)、太阳能固定器(32)、蒸发腔(33)、反应腔(34)、流量控制阀(35)、温度监视器(36)、CO处理腔(37)、氢气纯化器(38)、气液分离收集器(39)、连通管(40)、气阀(41)、氢气储存罐(42)、冷却水储存器(43)、真空泵(44)、泵(45)，其中：
所述太阳能单元(26)包括太阳能聚光器(27)、光伏电池(28)、控制器(29)、逆变器(30)和蓄电池(31)，由太阳能固定器(32)固定在燃料电池电堆(13)上方；
所述燃料储存罐(1)包括有呼吸阀(2)和连接阀(3)，通过连接阀(3)与入口管道(5)相连接，通过入口管道(5)将燃料输送出去；
所述运输管道(4)包括入口管道(5)、预热腔(6)、出口管道(7)、毛细芯(8)和泵(45)，由管道中毛细芯(8)利用毛细现象和虹吸原理牵引运输燃料和冷却水两种冷却介质，两端分别与燃料储存罐(1)的连接阀(3)、冷却水储存器(43)和蒸发腔(33)相连；
所述入口管道(5)和出口管道(7)是指位于燃料电池电堆(13)底部和顶部位置的运输管道(4)，在燃料电池电堆(13)外侧均有冷却部分固定器(9)进行支撑和固定，入口管道(5)包括两条管道，一条管道用来运输燃料，另一条管道用来运输冷却水，在燃料电池电堆(13)进口端两条管道分散成数支，运送燃料和冷却水到各双极板(15)内部，出口管道(7)包括三条管道，一条管道收集双极板(15)流出的燃料，将其运输至蒸发腔(33)内，剩余两条管道分别收集双极板(15)流出的吸收废热后的水和燃料电池反应产生的产物水，将其运回到冷却水储存器(43)中；
所述预热腔(6)位于燃料电池电堆(13)内部，是指分散进入每一个双极板(15)中的运输管道(4)，作为冷却系统为燃料单电池(14)散热，以及为燃料提供预热，进口端与入口管道(5)相连，出口端与出口管道(7)相连，每个双极板(15)内的分支流道继续分支，每一支流道由至少两层分流道组成，其流道形状是蛇形、Z字形和直管中的一种，流道中冷却介质分别为水和燃料；
所述燃料电池电堆(13)中至少由一个燃料单电池(14)构成，以及配备的氢气入口(24)和空气入口(25)，氢气入口(24)和空气入口(25)位于燃料电池电堆(13)外侧，接收来自外界的原料供给，并与众多单电池的阳极氢气通道(22)和阴极空气通道(23)相连，燃料单电池(14)由双极板(15)、销钉(16)、质子交换膜(17)、阴极材料(18)、阳极材料(19)、阴极扩散层(20)、阳极扩散层(21)、燃料电池催化剂、阳极氢气通道(22)和阴极空气通道(23)组成，不同燃料单电池双极板(15)之间由销钉(16)进行连接构成整个燃料电池电堆(13)；
所述蒸发腔(33)吸收来自光伏电池(28)发电的余热，进一步加热燃料变成蒸汽，与反应腔(34)相连，燃料蒸汽进而进入反应腔(34)；
所述反应腔(34)中包括用于重整或分裂的反应催化剂，发生甲醇及其他可重整燃料的重整反应或甲烷及其他可裂解燃料的裂解反应生成氢气，反应腔末端通过连通管(40)与CO处理腔(37)相连；
所述CO处理腔(37)、氢气纯化器(38)和气液分离收集器(39)，CO处理腔(37)中使混合蒸汽中的CO与H2O发生反应，生成H2，氢气纯化器(38)去除混合气体中的杂质留下纯氢气体，气液分离收集器(39)对混合物进行气液分离，排出纯氢气，末端与燃料电池电堆(13)的氢气入口(24)和氢气储存罐(42)通过连通管(40)相连；
所述连通管(40)是作为蒸发腔(33)、反应腔(34)、CO处理腔(37)、氢气纯化器(38)、气液分离收集器(39)和氢气储存罐(42)之间物质传输的管道，在氢气储存罐(42)之前连通管处配备有气阀(41)，用以在需要时开启，使用氢气储存罐(42)中氢气作为燃料电池燃料来源；
所述氢气储存罐(42)储存燃料电池电堆(13)所需之外的过量生产的氢气，其与气液分离收集器(39)和燃料电池电堆(13)的氢气入口(24)通过连通管(40)相连接；
所述冷却水储存器(43)储存吸收废热的水和反应生成的水，冷却至室温后再次通入燃料电池电堆(13)中作为冷却介质，两端分别连接入口管道(5)和出口管道(7)；
所述真空泵(44)位于通往蒸发腔(33)的出口管道(7)旁，打开真空泵(44)将出口管道(7)内部抽成微负压，促进管道内燃料的蒸发吸热，真空泵(44)不工作时依靠反应腔(34)内反应生成微负压促进运输即可；
所述燃料储存罐(1)中燃料由入口管道(5)中毛细芯(8)汲取运输，经由燃料电池电堆(13)中的预热腔(6)吸收电堆废热后温度升高，之后被出口管道(7)运入蒸发腔(33)内蒸发、反应腔(34)内反应、后处理得到氢气；其中，燃料对于燃料电池热量的运输是依靠蒸发吸热原理实现的，但有别于传统热管散热的闭式循环，而是在燃料储存罐(1)、入口管道(5)、预热腔(6)、出口管道(7)、蒸发腔(33)、反应腔(34)及其他装置间形成开放式热管。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能辅助的燃料电池余热回收一体化系统，其特征在于，燃料储存罐(1)中燃料选择甲烷、甲醇、液氨、液化石油气以及其他可重整或裂解的制氢燃料。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能辅助的燃料电池余热回收一体化系统，其特征在于，所述太阳能单元(26)中包括太阳能聚光器(27)、光伏电池(28)、控制器(29)、逆变器(30)和蓄电池(31)，利用太阳能聚光器(27)收集外界的太阳能聚集在光伏电池(28)上，发生光电效应并产生电能经控制器(29)输送到蓄电池(31)中储存起来，电能之后可经由逆变器(30)输送出去加以利用；其中，在光伏电池(28)上发生光电效应所产生的余热传递到了其下紧贴的蒸发腔(33)和反应腔(34)，加热蒸发腔(33)中燃料使其蒸发后，并促进反应腔(34)中燃料进行重整或裂解反应；整体的太阳能单元(26)、蒸发腔(33)、反应腔(34)及其随后的CO处理腔(37)、氢气纯化器(38)和气液分离收集器(39)这三个后处理装置经太阳能固定器(32)固定在燃料电池电堆(13)上形成一体化装置，减少了连通管(40)上保温材料的用量，降低系统成本，并减少了管内物质与环境间的传热损失，提升能量转换效率，一体化装置的设计能减小整套系统的占用空间，实现整套燃料电堆系统的小型化，整体简洁；在无需整体小型化的情况下，太阳能单元(26)、蒸发腔(33)、反应腔(34)及其随后的CO处理腔(37)、氢气纯化器(38)和气液分离收集器(39)这三个后处理装置在燃料电池电堆(13)附近分散安装布置，装置安装的位置灵活可便，不受拘束。
4.根据权利要求1所述的一种太阳能辅助的燃料电池余热回收一体化系统，其特征在于，所述运输管道(4)包括入口管道(5)、预热腔(6)、出口管道(7)、毛细芯(8)和泵(45)，在燃料电池电堆(13)外侧与内部均有分布；其中，预热腔(6)在每个双极板(15)内的分支流道由至少两层分流道组成，每层流道的形状是蛇形、Z字形和直管中的一种，或者是两种、三种流道的结合，其内运输的冷却介质分别为水和燃料；在冷却流道的设计上，不局限于每支分支流道由双层流道构成，既可以是由至少双层的流道组成分支流道，也可以对燃料和水这两种冷却介质是否混合后再流入同一层流道进行选择；在运输燃料和水的两支入口管道(5)末端分别设有的燃料管道阀门(10)和冷却水管道阀门(11)对燃料和水的通入实现实际控制，当仅燃料管道阀门(10)开启时，燃料作为仅有的冷却介质进入不同层的流道中实现散热冷却，当仅冷却水管道阀门(11)开启时，水作为仅有的冷却介质对燃料电池电堆进行冷却，当燃料管道阀门(10)和冷却水管道阀门(11)同时开启时，水和燃料的运输有两种情况，其中一种是燃料和水在混合腔(12)中发生混合后流入各层流道，另一种是燃料和水不经由混合腔(12)，分别流入不同层的流道进行冷却。
5.根据权利要求1所述的一种太阳能辅助的燃料电池余热回收一体化系统，其特征在于，燃料和冷却水由管道中毛细芯(8)利用毛细现象和虹吸原理牵引运输，或在利用毛细芯(8)运输的基础上结合普通管道经泵(45)提供动力运输，毛细芯(8)材料可以使用毛巾、棉布条和海绵中的一种或两种或三种结合；除此之外，在物质运输的过程中根据运输管道(4)摆放的方式，利用物质本身的重力辅助冷却介质的运输；其中，利用毛细芯(8)的牵引运输是主要的运输动力，与之结合的使用泵(45)运输的情况用于增大冷却介质的运输速率时使用。
6.根据权利要求1所述的一种太阳能辅助的燃料电池余热回收一体化系统，其特征在于，所述入口管道(5)、预热腔(6)和出口管道(7)本身为毛细状管道，采用毛细效应输送燃料和/或水；预热腔(6)的外侧壁面与燃料单电池(14)中的阴极扩散层(20)和阳极扩散层(21)直接接触，利用燃料和/或水蒸发相变快速吸热原理实现燃料电池电堆(13)热量利用和温度控制，燃料快速吸收燃料电池电堆(13)产生的热量进行预热，之后到反应腔(34)中发生吸热反应，此处的吸热介质为重整或裂解反应中的反应物；燃料储存罐(1)内的燃料通过毛细效应源源不断的进入预热腔(6)中进行补充，进行燃料电池电堆(13)热回收后的燃料和/或水不再依次通过水泵、外部散热翅片散热后形成闭环实现循环利用，而是形成一种开放式循环，无需外部动力，燃料和/或水直接进入到预热腔(6)、蒸发腔(33)、反应腔(34)、CO处理腔(37)、氢气纯化器(38)和气液分离收集器(39)后最终产出氢气；管内燃料流经双极板(15)内冷却流道，燃料与燃料单电池(14)中的阴极扩散层(20)和阳极扩散层(21)两侧壁面的直接接触形式，减少了内嵌在双极板(15)中的传统闭式循环热管散热因间接接触产生的多余热阻，结构更加紧凑，加快蒸发吸热的响应速度，是一种开放式热管，并且通过调节燃料和/或水的流量和压力，实现反应腔(34)中反应的温度可控，提高散热的效率。
7.根据权利要求1所述的一种太阳能辅助的燃料电池余热回收一体化系统，其特征在于，所述反应腔(34)中含有的流量控制阀(35)和温度监视器(36)起到对反应腔(34)内部反应速率控制的作用，流量控制阀(35)通过改变管道中流通面积来调节燃料流量，温度监视器(36)通过对温度的实时显示来达到对反应进行程度的判断，反应温度的改变由流量控制阀(35)和太阳能聚光器(27)通过调节流量和控制聚光程度来实现；由于反应腔(34)内燃料消耗，使得反应腔(34)中压力相对于蒸发腔(33)形成微负压效果，调节流量控制阀(35)和温度监视器(36)，促使燃料在蒸发腔(33)内快速吸热蒸发，加快运输管道(4)所包括的入口管道(5)、预热腔(6)和出口管道(7)中的冷却介质流速，吸热升温现象加剧，迅速带走大量热量，进行热量回收的同时，实现燃料电池电堆(13)内部的温度调控。
8.使用权利要求1所述的一种太阳能辅助的燃料电池余热回收一体化系统进行太阳能辅助的燃料电池余热回收一体化的方法，其特征在于,该方法包括：运输管道(4)使用含有毛细芯(8)的管道，无需泵(45)运输冷却介质，或使用含有毛细芯(8)的管道与泵(45)相结合的方式共同完成运输，将燃料和水分别从燃料储存罐(1)和冷却水储存器(43)中抽取出来，流入燃料电池预热腔(6)进行散热；其中燃料吸收热量后由出口管道(7)吸入蒸发腔(33)中，太阳能聚光器(27)在光伏电池(28)上产生的余热进入蒸发腔(33)和反应腔(34)作为热量来源，对已经预热的燃料进行进一步加温蒸发处理和提供燃料反应所需温度；反应腔(34)中依靠太阳能聚光器(27)在光伏电池(28)上产生的余热根据燃料种类的不同发生重整或分裂反应，生成H2、CO、CO2、H2O以及其他杂质；混合气体通过连通管(40)进入后处理器，在CO处理腔(37)中通过燃料中的CO与水蒸气发生放热反应，去除CO，生成H2，混合气体进而进入之后的氢气纯化器(38)中去除杂质得到较纯的氢气，在气液分离收集器(39)中进行气液分离，将气体部分即纯氢气通入燃料电池电堆(13)氢气入口(24)后输送至各燃料单电池(14)的阳极氢气通道(22)作为阳极原料；在太阳能获能较多时刻，即燃料电池电堆(13)所需原料小于系统氢气产量的时候，来自气液分离收集器(39)的多余氢气经由连通管(40)进入氢气储存罐(42)中储存备用；与此同时，冷却水吸收热量后储入冷却水储存器(43)，冷却至室温后再次通入燃料电池电堆(13)中作为冷却介质，具有对环境友好的特性，实现热、电、化学的综合利用提高能量的利用率。
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