CN203674322U - 一种中高温燃料电池集成运行系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种中高温燃料电池集成运行系统，包括燃料电池堆，以及连接在燃料电池堆上的氢气供应与循环系统、空气供应与循环系统和冷却流体循环系统，还包括对氢气和空气进行预热的换热器，以及控制冷却液流量的冷却液循环回路，从稳压阀流出的氢气经过换热器换热后，通过引射泵进入燃料电池堆，从风机流出的空气经换热器换热后进入燃料电池堆，燃料电池堆的空气出口排出的热空气返回换热器；所述的冷却液循环回路包括两个电磁控制阀，分别连接冷却液循环泵，和冷却液散热器，以及通过循环管连接冷却液储箱，通过控制其中一个或二个电磁控制阀达到冷却液体可以全部或部分甚至不进入燃料电池堆。与现有技术相比，本实用新型具有中高温燃料电池运行稳定、效率高等优点。

Description

一种中高温燃料电池集成运行系统
技术领域
本实用新型涉及一种新能源技术领域，尤其是涉及一种中高温燃料电池集成运行系统。
背景技术
质子交换膜燃料电池技术是21世纪人类利用氢能的最主要的关键技术。很多国家对质子交换膜燃料电池技术产业化都给予了高度的重视与大力的支持，并取得了许多实质性的进展。可以预见，该技术的全面产业化将对未来世界能源供应和格局产生重大影响。在现代社会生活和经济建设中，电力供应和保障的重要性越来越重要，同时对提高电力生产和使用效率及环境友好的要求程度不断提高。分布式发电的接近用户，减少电力远距离输送，根据用电需求灵活调整的优势越来越受到各国的重视。
根据质子交换膜的运行温度，质子交换膜燃料电池(PEMFC)可分为低温和中高温两种类型。低温质子交换膜燃料电池的运行温度一般不高于90℃，具有启动快、功率密度高、重量轻、体积小的优点，它对作为燃料的氢气纯度要求很高，适合与太阳能等可再生能源衔接，利用电解水制取的高纯度氢气将不稳定的可再生能源转化为稳定的电能；中高温质子交换膜燃料电池的运行温度在100℃到200℃，虽然相比低温质子交换膜燃料电池(工作温度＜90℃)的启动速度略慢(需要预热)、功率密度稍低，但是中高温质子交换膜燃料电池(工作温度100-200℃)有很强的抗CO中毒能力，非常适合由天然气、管道煤气、甲醇、丙烷、甚至是垃圾填埋气以及生物能等多种方式重整制得的氢气，大大降低了燃料电池发电技术的使用门槛，而且由于高温燃料电池运行与100℃以上的高温，电堆生成水全部汽化，不会造成燃料电池堆内流道堵水，燃料电池的稳定可靠性大大提高，运行寿命比低温燃料电池高出10倍以上。此外，中高温质子交换膜燃料电池运行产生的高温更容易被回收利用，整合成热电联供系统(CHP)进一步提高其能量利用率。中高温质子交换膜燃料电池具有运行稳定性高、系统简单、寿命长等优点，其应用领域非常广，从小型居民家用终端热电联供，到楼宇、小区的分布式发电、大型的中心发电站。
高温质子交换膜燃料电池技术作为燃料电池中使用固态质子交换膜作为电解质的一种，其电解质的重要特性、膜电极(membrane electrode assembly MEA)的基本结构和燃料电池的工作方式与低温质子交换膜燃料电池(工作温度＜90℃)类似：电解质同样是质子的导体、电子的绝缘体，并有非常低的气体渗透性；膜电极MEA同样是其核心部件，膜电极与其两侧的双极板组成了燃料电池的基本单元-燃料电池单电池；膜电极的基本结构也是中间质子交换膜，膜两侧分别是阴极和阳极电催化剂，阴阳极电催化剂外附气体扩散层；工作过程，氢气透过有孔的气体扩散层至催化剂层，燃料电池的氢气一侧为阳极，催化剂使氢气分离为质子和电子，质子通过电解质达到阴极(即氧气一侧)，电子流过一个外部电路到达阴极，在阴极质子、电子和氧气反应生成水。
一个典型电池组通常包括：(1)燃料及氧化剂气体的导流进口和导流通道，将燃料(如氢气、甲醇或由甲醇、天然气、汽油经重整后得到的富氢气体)和氧化剂(主要是氧气或空气)均匀地分布到各个阳极、阴极面的导流槽中；(2)冷却流体(如水)的进出口与导流通道，将冷却流体均匀分布到各个电池组内冷却通道中，将燃料电池内氢、氧电化学放热反应生成的热吸收并带出电池组后进行散热；(3)燃料与氧化剂气体的出口与相应的导流通道，燃料气体与氧化剂气体在排出时，可携带出燃料电池中生成的液、汽态的水。通常，将所有燃料、氧化剂、冷却流体的进出口都开在燃料电池组的一个端板上或两个端板上。
中高温燃料电池，运行温度为100-200℃，冷的空气或氢气进入电堆，对发电性能会产生波动，影响发电效率，并且中高温燃料电池在启动是需要外接电源产生热使电堆温度达到100℃以上，方可启动运行。
发明内容
本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种方便启动及运行稳定的中高温燃料电池集成运行系统。
本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：一种中高温燃料电池集成运行系统，包括燃料电池堆，以及连接在燃料电池堆上的氢气供应与循环系统、空气供应与循环系统和冷却流体循环系统，其中氢气供应与循环系统包括氢气罐、减压阀、稳压阀、引射泵、汽水分离器，所述的氢气罐依次通过减压阀、稳压阀、引射泵连接到燃料电池堆的氢气入口，燃料电池堆的氢气出口连接汽水分离器，汽水分离器的气体出口连接引射泵；所述的空气供应与循环系统包括过滤器、风机，风机的入口连接过滤器，出口连接燃料电池堆的空气进口；所述的冷却流体循环系统包括冷却液循环泵、冷却液储箱，冷却液散热器，所述的冷却液储箱依次连接冷却液循环泵、冷却液散热器、燃料电池堆的冷却液入口，燃料电池堆的冷却液出口连接冷却液储箱，其特征在于，还包括对氢气和空气进行预热的换热器，以及控制冷却液流量的冷却液循环回路，从稳压阀流出的氢气经过换热器换热后，通过引射泵进入燃料电池堆，从风机流出的空气经换热器换热后进入燃料电池堆，燃料电池堆的空气出口排出的热空气返回换热器；所述的冷却液循环回路包括两个电磁控制阀和一个循环管路，该循环管路连接冷却液循环泵和冷却液储箱，所述的两个电磁控制阀中的一个电磁阀a设置在冷却流体进入燃料电池堆的主管道上，另一个电磁阀b设置在循环管上，通过控制其中一个或二个电磁控制阀使冷却液体全部或部分甚至不进入燃料电池堆。
所述的换热器内设有加热管、一路或多路氢气流道管、一路或多路空气流道管，换热器底部设有空气入口，顶部设有空气排出口及排空阀；所述的氢气流道管两端分别连接稳压阀和引射泵，所述的空气流道管两端分别连接风机和燃料电池堆，所述的加热管外接电源，对氢气和空气进行预热，同时回收从燃料电池堆流出的空气的热量。
所述的加热管包括设有1～20根，每根加热管的功率为0.1～500w。
所述的加热管为石英玻璃管、或铝翅片包覆管、或铜包覆管。
所述的燃料电池堆的空气出口处设有温度探测器T1，冷却流体出口处设有温度探测器T2。
所述的两个电磁控制阀连接控制器，控制器连接温度探测器T1和温度探测器T2，当温度探测器T1探测的温度小于100℃时，少量空气和氢气或没有空气或氢气进入燃料电池堆，关闭电磁阀a，打开电磁阀b，冷却液全部返回冷却液储箱；当温度探测器T1的温度大于100℃，温度探测器T2的温度接近100℃时，电磁阀a和电磁阀b同时打开并控制冷却液部分通过循环管路返回冷却液储箱，部分进入燃料电池堆，进入燃料电池堆的冷却液控制在冷却液总流量的1～20％；当温度探测器T2的温度大于120℃时，氢气、空气正常进入燃料电池堆，电磁阀a全开，电磁阀b关闭，冷却液全部进入燃料电池堆，并通过冷却液散热器控制进入燃料电池堆的温度。
所述的两个电磁控制阀还可以通过一个三通阀代替。
与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：在燃料电池堆前设置换热器，一方面通过换热器将氢气和空气预热到与燃料电池堆运行温度相当，以加热燃料电池堆达到预定启动温度(＞100℃)，另一方面回收从燃料电池堆空气出口排出的高温气体的温度，实现热量的回收利用，以免冷气体进入燃料电池堆造成燃料电池堆运行不稳定。同时本实用新型设置了冷却液的循环控制回路，使其在燃料电池堆运行初期，少量的冷却流体进入电堆，等到燃料电池堆正常运行时在将冷却液入口全开，全部进入燃料电池堆，减少能源浪费。
附图说明
图1为本实用新型的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。
实施例1
如图1所示，一种10kw中高温燃料电池集成运行系统，包括燃料电池堆5，其尺寸约是105mm×400mm×700mm，以及连接在燃料电池堆上的氢气供应与循环系统、空气供应与循环系统和冷却流体循环系统，其中氢气供应与循环系统包括氢气罐1、减压阀2、稳压阀3、引射泵4、汽水分离器6，所述的氢气罐1依次通过减压阀2、稳压阀3(将压力稳定在0.1～1bar)、引射泵4连接到燃料电池堆5的氢气入口，燃料电池堆5的氢气出口连接汽水分离器6，汽水分离器6的气体出口连接引射泵4，汽水分离器6还连接排空阀7，储氢罐1还连接带单向阀8的充氢口9；所述的空气供应与循环系统包括过滤器10、风机11，风机11的入口连接过滤器10，出口连接燃料电池堆5的空气进口；所述的冷却流体循环系统包括冷却液循环泵13、冷却液储箱12，冷却液散热器14，所述的冷却液储箱12依次连接冷却液循环泵13、冷却液散热器14、燃料电池堆5的冷却液入口，燃料电池堆5的冷却液出口连接冷却液储箱12；
所述的系统还包括对氢气和空气进行预热的换热器15，以及控制冷却液流量的冷却液循环回路，所述的换热器15内设有加热管151、二根合二为一的氢气流道管152、二根合二为一的空气流道管153，换热器底部设有空气入口，顶部设有空气排出口及排空阀154；所述的氢气流道管两端分别连接稳压阀3和引射泵4，所述的空气流道管两端分别连接风机11和燃料电池堆5，所述的加热管151外接电源，从稳压阀3流出的氢气经过换热器换热后，通过引射泵4进入燃料电池堆5，从风机11流出的空气经换热器15换热后进入燃料电池堆5，燃料电池堆5的空气出口排出的热空气返回换热器；所述的加热管包括设有3根，每根加热管的功率为200w，对氢气和空气进行预热，同时回收从燃料电池堆流出的空气的热量。所述的加热管为石英玻璃管、或铝翅片包覆管、或铜包覆管。
所述的冷却液循环回路包括两个电磁阀：电磁阀a18、电磁阀b19，电磁阀a18分别连接冷却液循环泵13和冷却液散热器14，电磁阀b19设置在循环管上，循环管两端分别连接冷却液循环泵13和冷却液储箱12，并在冷却液储箱12底部设有电磁阀20。
所述的燃料电池堆5的空气出口处设有温度探测器T116，冷却流体出口处设有温度探测器T217。
电磁阀a18、电磁阀b19连接控制器，控制器连接温度探测器T116和温度探测器T217，当温度探测器T116探测的温度小于100℃时，少量空气和氢气进入燃料电池堆，电磁阀a18关闭、电磁阀b19全开启，冷却液全部返回冷却液储箱；当温度探测器T116的温度大于100℃，温度探测器T217的温度接近100℃时，电磁阀a18部分开启、电磁阀b19开启，控制冷却液的部分通过循环管返回冷却液储箱，部分进入燃料电池堆，进入燃料电池堆的冷却液控制在冷却液总流量的10％；当温度探测器T217的温度大于120℃时，电磁阀a18全开、电磁阀b19关闭，同时氢气、空气全开，并通过换热器控制进入燃料电池堆的温度，此时燃料电池功率可以自由稳定输出0～10kw。
实施例2
由一个30kw中高温燃料电池堆，该电池堆有3个10kw模块并行集成而成，集成运行系统如实施例1，所述的电磁阀a18、电磁阀b19通过一个三通阀代替，其余同实施例1。
加热管可根据需要设置1～20根，每根加热管的功率可选择0.1～500w。

Claims (7)

1.一种中高温燃料电池集成运行系统，包括燃料电池堆，以及连接在燃料电池堆上的氢气供应与循环系统、空气供应与循环系统和冷却流体循环系统，其中氢气供应与循环系统包括氢气罐、减压阀、稳压阀、引射泵、汽水分离器，所述的氢气罐依次通过减压阀、稳压阀、引射泵连接到燃料电池堆的氢气入口，燃料电池堆的氢气出口连接汽水分离器，汽水分离器的气体出口连接引射泵；所述的空气供应与循环系统包括过滤器、风机，风机的入口连接过滤器，出口连接燃料电池堆的空气进口；所述的冷却流体循环系统包括冷却液循环泵、冷却液储箱，冷却液散热器，所述的冷却液储箱依次连接冷却液循环泵、冷却液散热器、燃料电池堆的冷却液入口，燃料电池堆的冷却液出口连接冷却液储箱，其特征在于，还包括对氢气和空气进行预热的换热器，以及控制冷却液流量的冷却液循环回路，从稳压阀流出的氢气经过换热器换热后，通过引射泵进入燃料电池堆，从风机流出的空气经换热器换热后进入燃料电池堆，燃料电池堆的空气出口排出的热空气返回换热器；所述的冷却液循环回路包括两个电磁控制阀和一个循环管路，该循环管路连接冷却液循环泵和冷却液储箱，所述的两个电磁控制阀中的一个电磁阀a设置在冷却流体进入燃料电池堆的主管道上，另一个电磁阀b设置在循环管上，通过控制其中一个或二个电磁控制阀使冷却液体全部或部分甚至不进入燃料电池堆。
2.根据权利要求1所述的一种中高温燃料电池集成运行系统，其特征在于，所述的换热器内设有加热管、一路或多路氢气流道管、一路或多路空气流道管，换热器底部设有空气入口，顶部设有空气排出口及排空阀；所述的氢气流道管两端分别连接稳压阀和引射泵，所述的空气流道管两端分别连接风机和燃料电池堆，所述的加热管外接电源，对氢气和空气进行预热，同时回收从燃料电池堆流出的空气的热量。
3.根据权利要求2所述的一种中高温燃料电池集成运行系统，其特征在于，所述的加热管包括设有1～20根，每根加热管的功率为0.1～500w。
4.根据权利要求2所述的一种中高温燃料电池集成运行系统，其特征在于，所述的加热管为石英玻璃管、或铝翅片包覆管、或铜包覆管。
5.根据权利要求1所述的一种中高温燃料电池集成运行系统，其特征在于，所述的燃料电池堆的空气出口处设有温度探测器T1，冷却流体出口处设有温度探测器T2。
6.根据权利要求5所述的一种中高温燃料电池集成运行系统，其特征在于，所述的两个电磁控制阀连接控制器，控制器连接温度探测器T1和温度探测器T2。
7.根据权利要求1或6所述的一种中高温燃料电池集成运行系统，其特征在于，所述的两个电磁控制阀还可以通过一个三通阀代替。
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