CN220895558U - 燃料电池装置及包括其的综合能源利用系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种燃料电池装置及包括其的综合能源利用系统。根据本实用新型实施例的燃料电池装置包括电堆；第一气罐，所述第一气罐中存储有阳极气体；所述第一气罐与所述电堆相连接以将所述阳极气体提供至所述电堆；以及第二气罐，所述第二气罐中存储有阴极气体；所述第二气罐与所述电堆相连接以将所述阴极气体提供至所述电堆，其中，所述第一气罐内阳极气体的气体压力大于大气压；所述第二气罐内的阴极气体的气体压力大于大气压。根据本实用新型实施例的燃料电池装置及包括其的综合能源利用系统，适用范围广，且能耗低。
Description
技术领域
本实用新型涉及能源技术领域，特别涉及一种燃料电池装置及包括其的综合能源利用系统。
背景技术
综合能源利用系统是一种将多种能源形式(如电力、热能、冷能等)进行整合、优化利用的系统。该系统通过对能源的收集、转换、储存、输送和利用等环节进行综合优化，实现能源的高效利用和节能减排。
在现有技术中，综合能源利用系统包括能源生产、能源转换、能源储存、能源输送、能源利用、智能控制和管理等部分。氢能源是能源储存部分的一个常规选项，氢燃料电池是构成氢能源储存的一个重要部分。现有的氢燃料电池由空气压缩机吸取、压缩空气，并供给至电芯阴极以提供氧气。随着海拔的升高，空气会变得稀薄，氧分压会下降，在系统空压机能力一定的前提下，空压机负荷会随电流增加很快到达极限，海拔越高负荷越重，空压机也越快达到极限。电堆性能对其阴极的操作条件恰恰十分敏感，包括空气压力和过量系数，尤其是在高功率的输出条件下，燃料电池性能受扩散极化影响较大。当空压机没有足够的能力保证电堆的工作压力时，电堆的输出性能会严重受到限制。现有的氢燃料电池并不能很好地满足中西部地区的综合能源利用系统的需求。
因此，希望能有一种新的燃料电池装置及包括其的综合能源利用系统，能够克服上述问题。
实用新型内容
鉴于上述问题，本实用新型的目的在于提供一种燃料电池装置及包括其的综合能源利用系统，特别是一种适用于高海拔环境/地区的氢燃料电池装置，从而扩展适用范围，降低能耗。
根据本实用新型的一方面，提供一种燃料电池装置，包括：
电堆；
第一气罐，所述第一气罐中存储有阳极气体；所述第一气罐与所述电堆相连接以将所述阳极气体提供至所述电堆；以及
第二气罐，所述第二气罐中存储有阴极气体；所述第二气罐与所述电堆相连接以将所述阴极气体提供至所述电堆，
其中，所述第一气罐内阳极气体的气体压力大于大气压；所述第二气罐内的阴极气体的气体压力大于大气压。
可选地，所述电堆包括至少一个电池单元，所述电池单元包括：
阳极，与所述第一气罐相连通以接收所述阳极气体；
阴极，与所述第二气罐相连通以接收所述阴极气体；以及
电解质膜，位于所述阳极和所述阴极之间。
可选地，所述电堆还包括：
电堆外壳；
电堆板，位于所述电堆外壳中；
内部流道板，位于所述电堆板与所述电池单元之间；所述内部流道板分配所述阴极气体和所述阳极气体的流量；以及
外部流道板，位于所述电堆板和所述电堆外壳之间；所述外部流道板分配所述阴极气体和所述阳极气体的流量。
可选地，所述燃料电池装置还包括：
第一阀门，与所述第一气罐相连接，用于控制所述阳极气体与所述电堆间的连通或关断；所述阳极气体包括氢气；
第二阀门，与所述第二气罐相连接，用于控制所述阴极气体与所述电堆间的连通或关断；所述阴极气体包括选自纯氧、压缩空气、纯氧和空气的混合气体中的至少一种。
可选地，所述燃料电池装置还包括：
冷却单元，与所述电堆相连接以冷却所述电堆。
可选地，所述燃料电池装置还包括：
控制单元，与所述电堆相连接以控制所述电堆的功率。
可选地，所述第一气罐包括：
第一输入端，用于接收所述阳极气体；
第一气罐主体，与所述第一输入端相连接以接收所述阳极气体；所述第一气罐主体用于存储所述阳极气体；以及
第一输出端，与所述电堆相连通，以输出所述阳极气体。
可选地，所述第二气罐包括：
第二输入端，用于接收所述阴极气体；
第二气罐主体，与所述第二输入端相连接以接收所述阴极气体；所述第二气罐主体用于存储所述阴极气体；以及
第二输出端，与所述电堆相连通，以输出所述阴极气体。
可选地，所述燃料电池装置还包括：
监测单元，与所述第一气罐和/或所述第二气罐相连接，以监测所述第一气罐和/或所述第二气罐中的气压。
根据本实用新型的另一方面，提供一种综合能源利用系统，包括：
能源获取装置，用于获取能源；
能源转换装置，与所述能源获取装置相连接以接收所述能源，并将所述能源转换为化学能；
能源存储装置，与所述能源转换装置相连接以接收所述化学能，并存储所述化学能；以及
如上所述的燃料电池装置，与所述能源存储装置相连接以接收所述化学能，并将所述化学能转换为电能。
根据本实用新型实施例的燃料电池装置及包括其的综合能源利用系统，向电堆提供压力大于大气压的阴极气体和阳极气体，克服了海拔给燃料电池带来的不利影响，从而可以使用在不同海拔地区，扩大了适用范围。
进一步地，向电堆提供压力大于大气压的阴极气体，无需再使用空气压缩机，简化了装置的结构，并且降低了装置整体所需能耗。
进一步地，向电堆提供压力大于大气压的氧气以保证氧分压，避免了海拔对氧分压的影响，从而保证了电堆的输出性能。
附图说明
通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出了根据本实用新型实施例一的燃料电池装置的结构示意图。
图2示出了根据本实用新型实施例二的燃料电池装置的结构示意图。
图3示出了根据本实用新型实施例的综合能源利用系统的结构示意图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本实用新型的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未示出某些公知的部分。
下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。在下文中描述了本实用新型的许多特定的细节，例如部件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本实用新型。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本实用新型。
应当理解，在描述部件的结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域。并且，如果将部件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一个区域“下面”或“下方”。
图1示出了根据本实用新型实施例一的燃料电池装置的结构示意图。如图1所示，根据本实用新型实施例一的燃料电池装置10包括第一气罐100、第二气罐200和电堆300。
具体地讲，第一气罐100中存储有阳极气体。第一气罐100与电堆300相连接以将阳极气体提供至电堆300。其中，第一气罐100内阳极气体的气体压力大于大气压。
第二气罐200中存储有阴极气体。第二气罐200与电堆300相连接以将阴极气体提供至电堆300。其中，第二气罐200内阴极气体的气体压力大于大气压。
可选地，燃料电池装置10还包括第一阀门110和第二阀门210。第一阀门110与第一气罐100相连接，用于控制阳极气体与电堆300间的连通或关断。在第一阀门110打开时，连通第一气罐100和电堆300，第一气罐100中的阳极气体提供至电堆300以进行化学反应，产生电能。阳极气体例如包括氢气。第二阀门210与第二气罐200相连接，用于控制阴极气体与电堆300间的连通或关断。在第二阀门210打开时，连通第二气罐200和电堆300，第二气罐200中的阴极气体提供至电堆300以进行化学反应，产生电能。阴极气体例如包括选自纯氧、压缩空气、纯氧和空气的混合气体等中的至少一种。
可选地，燃料电池装置10还包括监测单元400。监测单元400与第一气罐100和/或第二气罐200相连接，以监测第一气罐100和/或第二气罐200中的气压。
图2示出了根据本实用新型实施例二的燃料电池装置的结构示意图。如图2所示，根据本实用新型实施例二的燃料电池装置10包括第一气罐100、第二气罐200、电堆300、冷却单元500和控制单元600。
具体地讲，燃料电池装置10包括氢燃料电池。氢燃料电池包括至少一个氢燃料单电池(电池单元)叠加组成的电堆300。由高压氢气罐(第一气罐100)通过氢气供给系统向电芯阳极提供氢气，由高压氧气罐(第二气罐200)通过空气供给系统向电芯阴极提供氧气，氢和氧在氢燃料电池里经历电化学反应过程产生电能。
可选地，电堆300包括至少一个电池单元。每个电池单元包括阳极、阴极和电解质膜。阳极与第一气罐100相连通以接收阳极气体。阴极与第二气罐200相连通以接收阴极气体。电解质膜位于阳极和阴极之间。电解质膜的作用例如是将阳极和阴极分隔开来，防止氢气和氧气直接混合反应。电解质膜还可以传导氢离子(H+)和氧离子(O2-)，使它们在阳极和阴极之间传递，促进氢气和氧气的化学反应。电解质膜还可以阻止电子在阳极和阴极之间直接流动，从而使电子通过外部电路，产生电能。
电堆300还可以包括以下中的至少一种：
电堆外壳，主要用于保护电堆内部的各个部件，同时还可以起到防水、防尘、隔热、散热等作用。
电堆板，位于所述电堆外壳中。电堆板可以支撑电堆的各个部分，保证各个部分在电堆中的位置稳定。电堆板还可以固定电堆的各个部分，防止各个部分在电堆运行时发生移动或松动。电堆板还可以传导电流，将电子从电极催化剂传递到电堆板上，从而产生电能。
内部流道板，位于所述电堆板与所述电池单元之间。内部流道板分配所述阴极气体和所述阳极气体的流量。内部流道板例如将氢气和氧气分别引导到阳极和阴极，同时还可以起到分配氢气和氧气的作用。
外部流道板，位于所述电堆板和所述电堆外壳之间。外部流道板分配所述阴极气体和所述阳极气体的流量。外部流道板例如用于分配和调节氢气和氧气的流量
在本实用新型的可选实施例中，燃料电池装置10还包括冷却单元500和(能量)控制单元600。燃料电池装置10在产生电能的同时会释放热量，冷却单元500与电堆300相连接以冷却电堆300，将释放的热量带走。控制单元600与电堆300相连接以控制电堆300的功率。燃料电池装置10产生的电能例如通过控制单元600输出。
第一气罐100例如通过氢气供给系统(包括阀门、管道等)将阳极气体提供至电堆300。第一气罐100包括第一输入端、第一气罐主体和第一输出端。第一输入端(例如与阳极气体气源相连接)用于接收所述阳极气体。第一气罐主体与所述第一输入端相连接以接收所述阳极气体；所述第一气罐主体用于存储所述阳极气体。第一输出端与电堆300相连通，以输出所述阳极气体。
第二气罐200例如通过阴极供气系统(包括阀门、管道等)将阴极气体提供至电堆300。第二气罐200包括第二输入端、第二气罐主体和第二输出端。第二输入端(例如与阴极气体气源相连接)用于接收所述阴极气体。第二气罐主体与所述第二输入端相连接以接收所述阴极气体；所述第二气罐主体用于存储所述阴极气体。第二输出端与电堆300相连通，以输出所述阴极气体。
根据本实用新型的另一方面，提供一种综合能源利用系统。图3示出了根据本实用新型实施例的综合能源利用系统的结构示意图。如图3所示，根据本实用新型实施例的综合能源利用系统包括能源获取装置20、能源转换装置30、能源存储装置40和燃料电池装置10。
具体地讲，能源获取装置20用于获取能源。能源获取装置20例如为太阳能电池板、风力发电机、燃气发电机、热泵等，这些设备将太阳能、风能等转化为电能、热能等形式，供给综合能源利用系统的其他组成部分使用。
能源转换装置30与能源获取装置20相连接以接收能源获取装置20获取的能源，并将接收到的能源转换为化学能。能源转换装置30例如为电解设备，利用能源获取装置20获取的电能、热能等，转化得到化学能(电解得到氢气)。
能源存储装置40与能源转换装置30相连接以接收所述化学能，并存储所述化学能。能源存储装置40例如为储气罐，接收并存储能源转换装置30转换得到的化学能(氢气)。
如前文所述的燃料电池装置10与能源存储装置40相连接以接收能源转换装置30转换的化学能，并将接收的化学能转换为电能。能源存储装置40例如通过第一气罐的第一输入端接收氢气。
根据本实用新型实施例的燃料电池装置，作为氢能储能的一种形式耦合于高海拔地区综合能源利用系统中。综合能源利用系统一般包括风电、光伏等可再生能源，电解水制氢生成氢和氧，生成的氢和氧可以消纳在上述的燃料电池装置中，具有实用性和很好的经济性。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
依照本实用新型的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本实用新型以及在本实用新型基础上的修改使用。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (10)
1.一种燃料电池装置，其特征在于，包括：
电堆；
第一气罐，所述第一气罐中存储有阳极气体；所述第一气罐与所述电堆相连接以将所述阳极气体提供至所述电堆；以及
第二气罐，所述第二气罐中存储有阴极气体；所述第二气罐与所述电堆相连接以将所述阴极气体提供至所述电堆，
其中，所述第一气罐内阳极气体的气体压力大于大气压；所述第二气罐内的阴极气体的气体压力大于大气压。
2.根据权利要求1所述的燃料电池装置，其中，所述电堆包括至少一个电池单元，所述电池单元包括：
阳极，与所述第一气罐相连通以接收所述阳极气体；
阴极，与所述第二气罐相连通以接收所述阴极气体；以及
电解质膜，位于所述阳极和所述阴极之间。
3.根据权利要求2所述的燃料电池装置，其中，所述电堆还包括：
电堆外壳；
电堆板，位于所述电堆外壳中；
内部流道板，位于所述电堆板与所述电池单元之间；所述内部流道板分配所述阴极气体和所述阳极气体的流量；以及
外部流道板，位于所述电堆板和所述电堆外壳之间；所述外部流道板分配所述阴极气体和所述阳极气体的流量。
4.根据权利要求1所述的燃料电池装置，其中，所述燃料电池装置还包括：
第一阀门，与所述第一气罐相连接，用于控制所述阳极气体与所述电堆间的连通或关断；所述阳极气体包括氢气；
第二阀门，与所述第二气罐相连接，用于控制所述阴极气体与所述电堆间的连通或关断；所述阴极气体包括选自纯氧、压缩空气、纯氧和空气的混合气体中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的燃料电池装置，其中，所述燃料电池装置还包括：
冷却单元，与所述电堆相连接以冷却所述电堆。
6.根据权利要求1所述的燃料电池装置，其中，所述燃料电池装置还包括：
控制单元，与所述电堆相连接以控制所述电堆的功率。
7.根据权利要求1所述的燃料电池装置，其中，所述第一气罐包括：
第一输入端，用于接收所述阳极气体；
第一气罐主体，与所述第一输入端相连接以接收所述阳极气体；所述第一气罐主体用于存储所述阳极气体；以及
第一输出端，与所述电堆相连通，以输出所述阳极气体。
8.根据权利要求1所述的燃料电池装置，其中，所述第二气罐包括：
第二输入端，用于接收所述阴极气体；
第二气罐主体，与所述第二输入端相连接以接收所述阴极气体；所述第二气罐主体用于存储所述阴极气体；以及
第二输出端，与所述电堆相连通，以输出所述阴极气体。
9.根据权利要求1所述的燃料电池装置，其中，所述燃料电池装置还包括：
监测单元，与所述第一气罐和/或所述第二气罐相连接，以监测所述第一气罐和/或所述第二气罐中的气压。
10.一种综合能源利用系统，其特征在于，包括：
能源获取装置，用于获取能源；
能源转换装置，与所述能源获取装置相连接以接收所述能源，并将所述能源转换为化学能；
能源存储装置，与所述能源转换装置相连接以接收所述化学能，并存储所述化学能；以及
如权利要求1-9中任一项所述的燃料电池装置，与所述能源存储装置相连接以接收所述化学能，并将所述化学能转换为电能。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |