CN203690408U - 一种低温与中高温燃料电池联合运行系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种低温与中高温燃料电池联合运行系统，包括低温燃料电池堆，中高温燃料电池堆，以及分别连接在低温燃料电池堆和中高温燃料电池堆上的氢气共用供应系统、空气共用供应系统和冷却流体循环共用系统，还包括设置在中高温燃料电池堆前，对进入中高温燃料电池堆的氢气和空气进行预热的换热器，该换热器二端设有空气入口与空气出口，该空气入口分别连接低温燃料电池堆和中高温燃料电池堆的空气出口。与现有技术相比，本实用新型利用低温燃料电池堆的低温启动快的优点，为中、高温燃料电池加热、升温、做好预热启动准备，具有兼容二种燃料电池的优点。

Description

一种低温与中高温燃料电池联合运行系统

技术领域

本实用新型涉及一种新能源技术领域，尤其是涉及一种低温与中高温燃料电池联合运行系统。 

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。 

中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。 

以上二种燃料电池的运行特点可以看出，低温燃料电池启动快，但生成液态水不利于稳定运行，寿命有限。而中高温燃料电池需要外部能源加热，升温到100℃以上启动，启动后运行稳定，寿命长、可靠性高，而低温燃料电池运行产生液态水，运行稳定性差。 

发明内容

本实用新型的目的就是为了克服上述二种燃料电池现有技术存在的缺陷而提供一种能综合上述二种燃料电池优点达到运行稳定的低温与中高温燃料电池联合运行系统。 

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：一种低温与中高温燃料电池 联合运行系统，包括低温燃料电池堆，中高温燃料电池堆，以及分别连接低温燃料电池堆和中高温燃料电池堆的氢气共用供应系统、空气共用供应系统和冷却流体循环共用系统，其特征在于，还包括设置在中高温燃料电池堆前，对进入中高温燃料电池堆的氢气和空气进行预热的换热器，该换热器二端设有空气入口和空气出口，该空气入口分别连接低温燃料电池堆和中高温燃料电池堆的空气出口。 

氢气共用供应系统包括：氢气罐依次连接减压阀、稳压阀后分为两路，其中一路通过电磁阀a、换热器、引射泵a后连接中高温燃料电池堆，中高温燃料电池堆排出的氢气经分离器a分离后返回引射泵a，另一路通过电磁阀a’和引射泵b后连接低温燃料电池，低温燃料电池堆排出的氢气经分离器b分离后返回引射泵b； 

所述的空气共用供应系统包括：过滤器、风机，风机的入口连接过滤器，风机出口分为两路，其中一路通过电磁阀b、换热器后连接高温燃料电池，另一路通过电磁阀b’连接低温燃料电池； 

所述的冷却流体循环共用系统包括：冷却液储箱依次连接冷却液循环泵，冷却液散热器后分为两路，一路通过电磁阀c连接中高温燃料电池堆，另一路通过电磁阀c’连接低温燃料电池堆；低温燃料电池堆和中高温燃料电池堆的冷却液出口并联后返回冷却液储箱。 

所述的换热器内设有加热管、至少一根氢气流道管、至少一根空气流道管，换热器的空气入口的相对位置设有空气出口与排空阀；所述的氢气流道管两端分别连接中高温燃料电池堆的氢气共用供应系统中的稳压阀和引射泵，所述的空气流道管两端分别连接风机和中高温燃料电池堆，所述的加热管与低温燃料电池堆的正负极输出端连接，对进入中高温燃料电池堆的氢气和空气进行预热，同时回收从低温燃料电池堆和中高温燃料电池堆排出的空气的热量。 

所述的加热管包括设有1～20根，每根加热管的功率为0.1～1000W。 

所述的加热管为石英玻璃管、或铝翅片包覆管、或铜包覆管。 

所述的氢气共用供应系统、空气共用供应系统和冷却流体循环共用系统分别通过控制打开电磁阀a’、电磁阀b’和电磁阀c’快速启动与运行低温燃料电池，当低温燃料电池运行放电加热电热管，以及自身放热加热共用冷却流体，使中高温燃料电池堆达到100℃以上后，即关闭电磁阀a’、电磁阀b’和电磁阀c’，启动运行中高温燃料电池，并停止低温燃料电池运行。 

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：将中高温燃料电池和低温燃料电 池联用，并在中高温燃料电池堆前设置换热器，换热器内设有加热管、氢气流道、空气流道，换热器顶部设有排空阀；所述的氢气流道两端分别连接中高温燃料电池堆的氢气共用供应系统中的稳压阀和引射泵，所述的空气流道两端分别连接风机和中高温燃料电池堆，所述的加热管与低温燃料电池堆的正负极输出端连接，对进入中高温燃料电池堆的氢气和空气进行预热，同时回收从低温燃料电池堆和中高温燃料电池堆排出的空气的热量； 

在运行初期，温度较低时开启低温燃料电池进行发电，氢气共用供应系统、空气共用供应系统和冷却流体循环共用系统分别通过控制打开电磁阀a’、电磁阀b’和电磁阀c’快速启动与运行低温燃料电池，当低温燃料电池运行放电加热电热管，以及自身放热加热共用冷却流体，使中高温燃料电池堆达到100℃以上后，即关闭电磁阀a’、电磁阀b’和电磁阀c’，启动运行中高温燃料电池，并停止低温燃料电池运行，同时将中高温燃料电池堆排出的空气中的废热用来预热进入中高温燃料电池堆的气体；由于中高温燃料电池堆的运行温度在100～200℃，如果进入电堆的气体的温度过低进入高温电堆，会造成运行不稳定，而且，在中高温燃料电池堆前设置换热器，一方面换热器通过电加热将氢气和空气预热到与燃料电池堆运行温度相当，以免冷气体进入燃料电池堆，造成燃料电池堆运行不稳定，另一方面回收从两个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。 

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，一种低温与中高温燃料电池联合运行系统，包括低温燃料电池堆，中高温燃料电池堆，以及分别连接在低温燃料电池堆和中高温燃料电池堆上的氢气共用供应系统、空气共用供应系统和冷却流体循环共用系统。 

在本实施例中由一个2kW低温燃料电池堆和一个40kW中高温燃料电池堆共用部分氢气共用供应系统、空气共用供应系统和冷却流体循环共用系统，先由2kW 低温燃料电池堆运行，帮助加热40kW中高温燃料电池堆达到可以启动温度100℃以上后不再参与运行，具体操作如下： 

其中氢气共用供应系统中氢气罐1依次连接减压阀2、稳压阀3(将压力稳定在0.1～1bar)后分为两路，其中一路通过电磁阀a4、换热器14、引射泵a5后连接中高温燃料电池堆6，中高温燃料电池堆6排出的氢气经分离器a7分离后返回引射泵a5，分离器a7连接排空阀8，另一路通过电磁阀a’19和引射泵b20后连接低温燃料电池18，低温燃料电池堆18排出的氢气经分离器b21分离后返回引射泵b20，分离器b21连接排空阀22；所述的氢气罐1还连接带有单向阀9的充氢口10； 

空气共用供应系统中风机11入口连接过滤器10，风机出口分为两路，其中一路通过电磁阀b13、换热器14后连接高温燃料电池6，另一路通过电磁阀b’23连接低温燃料电池18，低温燃料电池堆和中高温燃料电池堆的空气出口并联连接到换热器14的空气入口； 

冷却流体循环共用系统中冷却液储箱15依次连接冷却液循环泵16，冷却液散热器17后分为两路，一路通过电磁阀c25连接中高温燃料电池堆6，另一路通过电磁阀c’24连接低温燃料电池堆18；低温燃料电池堆6和中高温燃料电池堆18的冷却液出口并联后返回冷却液储箱15，冷却液储箱15底部设有电磁阀27。 

换热器14内设有加热管、二根合二为一的氢气流道管、二根合二为一的空气流道管，换热器顶部设有与空气排出口相连的排空阀26；所述的氢气流道管两端分别连接中高温燃料电池堆的氢气共用供应系统中的稳压阀和引射泵，空气流道管两端分别连接风机和中高温燃料电池堆，所述的加热管与低温燃料电池堆的正负极输出端连接，对进入中高温燃料电池堆的氢气和空气进行预热，同时回收从低温燃料电池堆和中高温燃料电池堆排出的空气的热量。 

在运行初期，温度较低时开启低温燃料电池进行发电，氢气共用供应系统、空气共用供应系统和冷却流体循环共用系统分别通过控制打开电磁阀a’、电磁阀b’和电磁阀c’快速启动与运行低温燃料电池，当低温燃料电池运行放电加热电热管，以及自身放热加热共用冷却流体，使中高温燃料电池堆达到100℃以上后，即关闭电磁阀a’、电磁阀b’和电磁阀c’，启动运行中高温燃料电池，并停止低温燃料电池运行。 

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。 

加热管为石英玻璃管、或铝翅片包覆管、或铜包覆管。 

实施例2 

所述的1千瓦低温燃料电池堆和50千瓦中高温燃料电池堆的氢气共用供应系统、空气共用供应系统和冷却流体循环共用系统各自独立，其余同实施例1。 

Claims (5)

1.一种低温与中高温燃料电池联合运行系统，包括低温燃料电池堆，中高温燃料电池堆，以及分别连接低温燃料电池堆和中高温燃料电池堆的氢气共用供应系统、空气共用供应系统和冷却流体循环共用系统，其特征在于，还包括设置在中高温燃料电池堆前，对进入中高温燃料电池堆的氢气和空气进行预热的换热器，该换热器二端设有空气入口和空气出口，该空气入口分别连接低温燃料电池堆和中高温燃料电池堆的空气出口。 

2.根据权利要求1所述的一种低温与中高温燃料电池联合运行系统，其特征在于，氢气共用供应系统包括：氢气罐依次连接减压阀、稳压阀后分为两路，其中一路通过电磁阀a、换热器、引射泵a后连接中高温燃料电池堆，中高温燃料电池堆排出的氢气经分离器a分离后返回引射泵a，另一路通过电磁阀a’和引射泵b后连接低温燃料电池，低温燃料电池堆排出的氢气经分离器b分离后返回引射泵b； 

所述的空气共用供应系统包括：过滤器、风机，风机的入口连接过滤器，风机出口分为两路，其中一路通过电磁阀b、换热器后连接高温燃料电池，另一路通过电磁阀b’连接低温燃料电池； 

所述的冷却流体循环共用系统包括：冷却液储箱依次连接冷却液循环泵、冷却液散热器后分为两路，一路通过电磁阀c连接中高温燃料电池堆，另一路通过电磁阀c’连接低温燃料电池堆；低温燃料电池堆和中高温燃料电池堆的冷却液出口并联后返回冷却液储箱。 

3.根据权利要求1所述的一种低温与中高温燃料电池联合运行系统，其特征在于，所述的换热器内设有加热管、至少一根氢气流道管、至少一根空气流道管，换热器的空气入口的相对位置设有空气出口与排空阀；所述的氢气流道管两端分别连接中高温燃料电池堆的氢气共用供应系统中的稳压阀和引射泵，所述的空气流道管两端分别连接风机和中高温燃料电池堆，所述的加热管与低温燃料电池堆的正负极输出端连接，对进入中高温燃料电池堆的氢气和空气进行预热，同时回收从低温燃料电池堆和中高温燃料电池堆排出的空气的热量。 

4.根据权利要求3所述的一种低温与中高温燃料电池联合运行系统，其特征在于，所述的加热管设有1～20根，每根加热管的功率为0.1～1000W。 

5.根据权利要求3所述的一种低温与中高温燃料电池联合运行系统，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。 

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