CN219832718U - 一种燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种燃料电池系统，属于燃料电池技术领域。所述燃料电池系统包括第一电堆组、第二电堆组及控水装置，所述第一电堆组的阳极进气通道连接有第一阳极进气管，所述第一电堆组的阳极出气通道与控水装置的进口连接，所述控水装置的出口与第二电堆组的阳极进气通道连接，所述第二电堆组的阳极出气通道连接有第二阳极出气管。在本实用新型提供的燃料电池系统中第一电堆组和第二电堆组可以分别进行电流拉载，本实用新型在第一电堆组和第二电堆组之间设置控水装置，使所排燃气通入控水装置中除水，从而显著降低了通入第二电堆组的燃气含水量，从而在提高燃气利用率的同时，显著提高了燃料电池系统的发电效率。

Description

一种燃料电池系统

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池系统。

背景技术

近年来，随着化石燃料不断消耗，能源问题和环境问题越来越制约经济发展。燃料电池是一种可以把在燃料和氧化气中储存的化学能直接转化成电能的电化学装置。自20世纪40年代起，发展至今已有四代燃料电池，第一代燃料电池为碱性燃料电池(AFC)和磷酸燃料电池(PAFC)，第二代燃料电池为熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)，第三代燃料电池为固体氧化物燃料电池(SOFC)，第四代燃料电池为质子交换膜燃料电池(PEMFC)和直接甲醇燃料电池。其中，固体氧化物燃料电池作为新型高效的清洁能源，为可持续发展提供了潜力巨大的优化方案。

为了提高系统的整体燃料利用率，现有的固体氧化物燃料电池(SOFC)会将从电堆阳极排出的燃气输入到另一电堆中进行再利用，以提高燃气的利用率，但是，从电堆阳极排出的燃气往往含有大量的水蒸气，再利用时会影响燃料电池的发电效率。

因此，十分有必要提供一种具有除水功能的燃料电池系统，在提高燃气利用率的同时提高系统的发电效率。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足之处而提供一种燃料电池系统，在该系统中第一电堆组和第二电堆组可以分别进行电流拉载，从第一电堆组排出的燃气中水蒸气含量高，在第一电堆组和第二电堆组之间设置控水装置，使所排燃气通入控水装置中除水，从而显著降低了通入第二电堆组的燃气含水量，从而在提高燃气利用率的同时，显著提高了燃料电池系统的发电效率。

为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案为：

一种燃料电池系统，包括第一电堆组、第二电堆组及控水装置，所述第一电堆组的阳极进气通道连接有第一阳极进气管，所述第一电堆组的阳极出气通道与控水装置的进口连接，所述控水装置的出口与第二电堆组的阳极进气通道连接，所述第二电堆组的阳极出气通道连接有第二阳极出气管。

在本实用新型中，第一电堆组和第二电堆组可以分别进行电流拉载，通过第一阳极进气管向第一电堆组通入燃气，燃气在第一电堆组中反应后，多余的燃气从第一电堆组的阳极出气通道排出，所排燃气的水蒸气含量高；本实用新型通过在第一电堆组和第二电堆组之间设置控水装置，使所排燃气通入控水装置中除水，从而显著降低了通入第二电堆组的燃气含水量，从而在提高燃气利用率的同时，显著提高了燃料电池系统的发电效率。

作为本实用新型的优选实施方式，所述控水装置包括控水器。

所述控水器的出水口连接有第一回收管。所述第一回收管用于与燃料电池系统的供气装置连接，从而使排出的水在燃料电池系统实现循环利用，显著提高了水的利用效果。

作为本实用新型的优选实施方式，所述控水装置包括控水器和第一换热器，所述第一电堆组的阳极出气通道与所述第一换热器的第一介质进口连接，所述第一换热器的第一介质出口通过管道与所述控水器的进气口连接，所述控水器的出气口通过管道与所述第一换热器的第二介质进口连接，所述第一换热器的第二介质出口与所述第二电堆组的阳极进气通道连接。

由于燃料电池系统中电堆组的工作温度较高，从第一电堆组的阳极出气通道排出的燃气气流具有较高的温度，所排高温气流流入第一换热器中换热降温后，流入控水器中除水降温，从控水器排出的气流回到第一换热器中换热升温，从而实现了燃气气流的自体换热。因此，本实用新型通过所述第一换热器和控水器，可以充分利用所排燃气的热能，提高燃料电池系统的燃气利用率和发电效率。

进一步的，所述控水装置还包括第二换热器，所述第二换热器设置于所述第一换热器与所述控水器之间的管道上，所述第一换热器的第一介质出口通过管道与所述第二换热器的第一介质进口连接，所述第二换热器的第一介质出口通过管道与所述控水器的进气口连接，所述控水器的出水口通过管道与所述第二换热器的第二介质进口连接。

从第一电堆组的阳极出气通道排出的燃气气流通入第一换热器中换热降温后，流入第二换热器中进一步降温，之后流入控水器中除水，除水后的燃气气流的温度较低，流入第一换热器中升温后进入第二电堆组。本实用新型通过第一换热器和第二换热器充分利用的所排燃气气流的热能，除水后无需外部供热，在降低成本的同时提高了燃料电池系统的燃气利用率和发电效率。

进一步的，所述控水器内设置有温控器，所述温控器用于调节所述控水器内的温度。

进一步的，所述温控器为电阻加热器、感应加热器、电弧加热器、介质换热器中的任意一种。

在本实用新型中，所述控水器具有水箱，所述控水器的进气口设置于所述水箱上，所述水箱内设置有进气管，所述进气管的一端与进气口连接，所述进气管的另一端伸入所述水箱的下部水中；所述控水器的出气口设置于所述水箱的上部，所述控水器的出水口设置于所述水箱的底部。

本实用新型通过温控器将所述控水器内的温度控制在44～64℃。当进入控水器的燃气中含水量较高，调低所述控水器的温度，可以实现良好的除水效果，经研究发现将控水器内的温度控制在44～64℃时，可以有效降低进入第二电堆组的燃气的含水量，本实用新型通过调控控水器内的温度来实现对第二电堆组的燃料进气中含水量的调控。

进一步的，所述温控器为介质换热器，所述控水器内设置有介质换热器，通入所述介质换热器的介质包括水、蒸气、油、乙二醇中的任意一种。在本实用新型中，通入所述介质换热器的介质优选为水，所述介质换热器的介质出口通过管道与所述第二换热器的第二介质进口连接。

作为本实用新型的优选实施方式，所述第一电堆组的壳体在阴极侧设置有阴极进气管或者进气口，所述第一电堆组的壳体在阴极侧设置阴极出气管或阴极出气口；所述第二电堆组的壳体在阴极侧设置有阴极进气管或者阴极进气口，所述第二电堆组的壳体在阴极侧设置阴极出气管或阴极出气口。

本实用新型将氧化气(如空气、氧气等)以并联的方式输入各电堆组，可以减少第一电堆组和第二电堆组之间的内部温差，既可以维持燃料电池系统热平衡，有能有效延缓燃料电池系统的老化。

更进一步的，所述控水器、第一换热器及第二换热器集成安装于壳体内。

作为本实用新型的优选实施方式，所述第一电堆组中电堆的数量不少于一个，所述第二电堆组中电堆的数量不少于一个。

进一步的，所述第一电堆组的电堆数量与所述第二电堆组的电堆数量的比为(1～7)：1。若满足上述条件，燃料电池系统的鲁棒性能较好，可以使燃料电池系统维持在最佳的热管理模式；若所述第一电堆组的电堆数量与所述第二电堆组的电堆数量的比大于7：1，会导致第二电堆组的温度过高，导致第二电堆组中阳极进气通道和阳极出气通道之间的温差大，影响第二电堆组的电堆寿命和发电性能；若所述第一电堆组的电堆数量与所述第二电堆组的电堆数量的比小于1：1，会导致进入第二电堆组阳极的燃气气流以及进入系统中循环利用的水均无法达到适宜的温度，还需进一步加热处理，进而导致燃料电池系统的效率降低。

进一步的，所述第一电堆组中电堆的数量不少于两个，各电堆中的氧化气(如空气、氧气等)以并联的方式输入各电堆；所述第二电堆组中电堆的数量不少于两个，各电堆中的氧化气(如空气、氧气等)以并联的方式输入各电堆。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

在本实用新型提供的燃料电池系统中第一电堆组和第二电堆组可以分别进行电流拉载，从第一电堆组排出的燃气中水蒸气含量高，本实用新型在第一电堆组和第二电堆组之间设置控水装置，使所排燃气通入控水装置中除水，从而显著降低了通入第二电堆组的燃气含水量，从而在提高燃气利用率的同时，显著提高了燃料电池系统的发电效率。

附图说明

图1为本实用新型实施例1提供的燃料电池系统的结构示意图；

图2为本实用新型实施例2提供的燃料电池系统的结构示意图；

图3为本实用新型实施例3提供的燃料电池系统的结构示意图；

图4为本实用新型实施例4提供的燃料电池系统的结构示意图。

图中，1-第一电堆组，2-第二电堆组，3-控水装置，31-控水器，32-第一热交换器，33-第二热交换器，34-第一回收管，35-第二回收管，36-介质输入管，4-第一阳极进气管，5-第一阳极出气管，6-第二阳极进气管，7-第二阳极出气管，8-阴极进气管，9-阴极出气管。

具体实施方式

为更好地说明本实用新型的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例1

请参阅图1，本实施例提供的一种燃料电池系统包括第一电堆组1、第二电堆组2及控水装置3。

第一电堆组1的阳极进气通道连接有第一阳极进气管4，第一电堆组1的阳极出气通道通过第一阳极出气管5与控水装置3的进气口连接，控水装置3的出气口通过第二阳极进气管6与第二电堆组2的阳极进气通道连接，第二电堆组2的阳极出气通道连接有第二阳极出气管7。

第一阳极进气管4上设置有流量控制器；第一阳极出气管5上设置有流量控制器。

在本实施例中，第一电堆组1和第二电堆组2可以分别进行电流拉载，通过第一阳极进气管4向第一电堆组1通入燃气，燃气在第一电堆组1中参与反应后，多余的燃气从第一电堆组1的阳极出气通道排出，所排燃气的水蒸气含量高；本实施例通过在第一电堆组1和第二电堆组2之间设置控水装置3，使所排燃气通入控水装置3中除水，从而显著降低了通入第二电堆组2的燃气含水量，从而在提高燃气利用率的同时，显著提高了本实施例燃料电池系统的发电效率。

第一电堆组1的壳体在阴极侧设置有阴极进气管8或者进气口，第一电堆组1的壳体在阴极侧设置阴极出气管9或阴极出气口；第二电堆组2的壳体在阴极侧设置有阴极进气管8或者阴极进气口，第二电堆组2的壳体在阴极侧设置阴极出气管9或阴极出气口。本实施例将氧化气(如空气、氧气等)以并联的方式输入各电堆组，可以减少第一电堆组1和第二电堆组2之间的内部温差，既可以维持燃料电池系统热平衡，有能有效延缓燃料电池系统的老化。

所述第一电堆组1包括至少一个电堆，所述第二电堆组2包括至少一个电堆。

在本实施例中，所述第一电堆组1的电堆数量与所述第二电堆组2的电堆数量的比优选为(1～7)：1。当满足这一条件时，燃料电池系统的鲁棒性能较好，可以使燃料电池系统维持在最佳的热管理模式；若所述第一电堆组1的电堆数量与所述第二电堆组2的电堆数量的比大于7：1，会导致第二电堆组2的温度过高，导致第二电堆组2中阳极进气通道和阳极出气通道之间的温差大，影响第二电堆组2的电堆寿命和发电性能；若所述第一电堆组1的电堆数量与所述第二电堆组2的电堆数量的比小于1：1，在第一换热器32中升温后进入第二电堆组2阳极的燃气气流以及由第二换热器2升温后进入系统中循环利用的水无法达到适宜的温度，还需进一步加热处理，降低了燃料电池系统效率。

在本实施例中，所述第一电堆组1中电堆的数量不少于两个，各电堆中的氧化气(如空气、氧气等)以并联的方式输入各电堆；所述第二电堆组2中电堆的数量不少于两个，各电堆中的氧化气(如空气、氧气等)以并联的方式输入各电堆。

具体的，所述第一电堆组1中，各电堆的阳极进气通道并联于第一阳极进气管4，各电堆的阳极出气通道并联于第一阳极出气管5。

所述第二电堆组2中，各电堆的阳极进气通道并联于第二阳极进气管6，各电堆的阳极出气通道并联于第二阳极出气管7。

第一电堆组1中的电堆和第二电堆组2中的电堆分别产生电流，可提高燃料电池系统发电效率。

实施例2

本实施例提供的燃气电池系统是在实施例1基础上的改进，实施例1中公开的内容不再重复描述，实施例1公开的内容也属于本实施例公开的内容。

请参阅图2，在本实施例中，控水装置3为控水器31。

具体的，控水器31具有水箱，控水器31的进气口设置于在水箱上，水箱内设置有进气管，进气管的一端与进气口连接，进气管的另一端伸入水箱下部水中，控水器31的出气口设置于水箱的上部，控水器31的出水口设置于水箱的底部，该出水口连接有第一回收管34；第一回收管34用于与燃料电池系统的水管道连接，从而使排出的水在燃料电池系统实现循环利用，显著提高了水的利用效果。

具体的，控水器31内设置有温控器，所述温控器用于调节控水器31水箱的水温，所述温控器为电阻加热器、感应加热器、电弧加热器、介质换热器中的任意一种。

本实施例的燃料电池系统的工作原理如下：

控水器31的水箱内装有水，利用温控器调节水箱内的水温，当高温高湿燃气气流从第一电堆组1的第一阳极出气管5排出并进入水箱下部时，会急速降温，燃气中部分水蒸气因冷凝而留在水箱中，从而控制排出控水器31的燃气气流中的含水量，排出的燃气气流通过第二阳极进气管6进入第二电堆组2的阳极。

实施例3

本实施例提供的燃气电池系统是在实施例1基础上的改进，实施例1中公开的内容不再重复描述，实施例1公开的内容也属于本实施例公开的内容。

请参阅图3，在本实施例中，控水装置3包括控水器31和第一换热器32。

第一电堆组31的阳极出气通道通过第一阳极出气管5与第一换热器32的第一介质进口连接，第一换热器32的第一介质出口通过管道与控水器31的进气口连接，控水器31的出气口通过管道与第一换热器32的第二介质进口连接，第一换热器32的第二介质出口通过第二阳极进气管6与第二电堆组2的阳极进气通道连接。

具体的，控水器31具有水箱，控水器31的进气口设置于在水箱上，水箱内设置有进气管，进气管的一端与进气口连接，进气管的另一端伸入水箱下部水中，控水器31的出气口设置于水箱的上部，控水器31的出水口设置于水箱的底部，该出水口连接有第一回收管34；第一回收管34用于与燃料电池系统的水管道连接，从而使排出的水在燃料电池系统实现循环利用，显著提高了水的利用效果。

控水器31内设置有温控器，所述温控器用于调节控水器31水箱的水温，所述温控器为电阻加热器、感应加热器、电弧加热器、介质换热器中的任意一种。所述温控器优选为介质换热器，通入所述介质换热器的介质包括水、蒸气、油、乙二醇中的任意一种或多种。通入所述介质换热器的介质优选为水，所述介质换热器的介质进口与介质输入管36连接；介质输入管36上设置有流量控制器。

本实施例的燃料电池系统的工作原理如下：

从第一电堆组1的阳极出气通道排出的燃气气流具有高温高湿的特点，通过流量控制器控制所排高温高湿燃气的流量，所排高温高湿燃气流入第一换热器32中换热降温后，流入控水器31中冷凝除水，冷凝除水后燃气气流的含水量降低，温度也降低；将冷凝除水后的燃气输回到第一换热器32中换热升温，从而实现了气流的自体换热。本实施例通过第一换热器32和控水器31的设置，可以充分利用所排燃气气流的热能，提高燃料电池系统的阳极燃气利用率和发电效率。

与实施例2相比，本实施例的燃气气流在除水降温后，可回到第一换热器32进行换热升温，从而使输入第二电堆组2的燃气气流的含水量降低，又具有较高的温度，使输入第一电堆组1的燃气气流和输入第二电堆组2的燃气气流之间的温差较小，有利于提高系统的整体效率。

实施例4

本实施例提供的燃气电池系统是在实施例3基础上的改进，本实施例与实施例3之间的不同之处在于：

请参阅图4，在本实施例中，控水装置3包括控水器31、第一换热器32和第二换热器32。

第一电堆组31的阳极出气通道通过第一阳极出气管5与第一换热器32的第一介质进口连接，第一换热器32的第一介质出口通过管道与第二换热器33的第一介质进口连接，第二换热器33的第一介质出口通过管道与控水器31的进气口连接，控水器31的出气口通过管道与第一换热器32的第二介质进口连接，控水器31的出水口通过管道与第二换热器33的第二介质进口连接，第一换热器32的第二介质出口通过第二阳极进气管6与第二电堆组2的阳极进气通道连接；第二换热器33的第二介质出口连接有第二回收管35。

与第二换热器33的第二介质进口连接的管道上设置有流量控制器。

本实施例的燃料电池系统的工作原理如下：

从第一电堆组1的阳极出气通道排出的燃气气流具有高温高湿的特点，通过流量控制器控制对应管道上流体的流量，控制控水器31的水箱内的水温，使所排高温高湿燃气流入第一换热器32中换热降温后，流入第二换热器33中进一步降温(降温至80℃)，降温后流入控水器31中冷凝除水，冷凝除水后燃气气流的含水量降低，温度也降低；将冷凝除水后的燃气输回到第一换热器32中换热升温，从而实现了气流的自体换热。而控水器31水箱内的水和介质换热器内的水均通过管道输入第二换热器33内对燃气气流进行换热，本实施例通过第一换热器32、第二换热器33和控水器31的设置，可以充分利用所排燃气气流的热能，提高燃料电池系统的阳极燃气利用率和发电效率。

在实施例3～4的第一换热器32及实施例4的第二换热器33具有相同规格(相同管径和相同长度)的第一介质换热管及相同规格(相同管径和相同长度)的第二介质换热管的情况下，与实施例3相比，实施例4的燃气气流依次经过第一换热器31及第二换热器32降温后，进入控水器31内进行除水降温，换热效率更高。

上述实施例中的各管道上设置有控制阀，用于控制各管道的通断；各管道上还设置有温度传感器及压力计，用于监测各管道内流体的温度及压力；控水器31的水箱内设置有温度传感器，用于监测水箱内的水温。

可以理解的是，在本实用新型中，第一电堆组1中的电堆、第二电堆组2中的电堆，第一换热器32及第二换热器33均为市售产品，可以根据实际需要，选择合适的品牌及型号。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”及“安装”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体，可以是直接连接，还可是通过其他部件间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对本实用新型保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，包括第一电堆组、第二电堆组及控水装置，所述第一电堆组的阳极进气通道连接有第一阳极进气管，所述第一电堆组的阳极出气通道与控水装置的进口连接，所述控水装置的出口与第二电堆组的阳极进气通道连接，所述第二电堆组的阳极出气通道连接有第二阳极出气管。

2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控水装置包括控水器。

3.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控水装置包括第一换热器和控水器，所述第一电堆组的阳极出气通道通过管道与所述第一换热器的第一介质进口连接，所述第一换热器的第一介质出口通过管道与所述控水器的进气口连接，所述控水器的出气口通过管道与所述第一换热器的第二介质进口连接，所述第一换热器的第二介质出口与所述第二电堆组的阳极进气通道连接。

4.如权利要求3所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控水装置还包括第二换热器，所述第二换热器设置于所述第一换热器与所述控水器之间的管道上，所述第一换热器的第一介质出口通过管道与所述第二换热器的第一介质进口连接，所述第二换热器的第一介质出口通过管道与所述控水器的进气口连接。

5.如权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控水器的出水口通过管道与所述第二换热器的第二介质进口连接。

6.如权利要求2～5中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控水器具有水箱，所述控水器的进气口设置于所述水箱上，所述水箱内设置有进气管，所述进气管的一端与进气口连接，所述进气管的另一端伸入所述水箱的下部水中；所述控水器的出气口设置于所述水箱的上部，所述控水器的出水口设置于所述水箱的底部。

7.如权利要求2～3中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，所述控水器内设置有温控器，所述温控器用于调节所述控水器内的温度。

8.如权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于，所述温控器为电阻加热器、感应加热器、电弧加热器、介质换热器中的任意一种。

9.如权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述第一电堆组中电堆的数量不少于一个，所述第二电堆组中电堆的数量不少于一个。

10.如权利要求9所述的燃料电池系统，其特征在于，所述第一电堆组的电堆数量与所述第二电堆组的电堆数量的比为(1～7)：1。