一種低溫與中高溫燃料電池聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種新能源技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種低溫與中高溫燃料電池聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)是21世紀(jì)人類利用氫能的最主要的關(guān)鍵技術(shù)。很多國(guó)家對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)產(chǎn)業(yè)化都給予了高度的重視與大力的支持，并取得了許多實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。可以預(yù)見，該技術(shù)的全面產(chǎn)業(yè)化將對(duì)未來世界能源供應(yīng)和格局產(chǎn)生重大影響。在現(xiàn)代社會(huì)生活和經(jīng)濟(jì)建設(shè)中，電力供應(yīng)和保障的重要性越來越重要，同時(shí)對(duì)提高電力生產(chǎn)和使用效率及環(huán)境友好的要求程度不斷提高。分布式發(fā)電的接近用戶，減少電力遠(yuǎn)距離輸送，根據(jù)用電需求靈活調(diào)整的優(yōu)勢(shì)越來越受到各國(guó)的重視。
[0003]根據(jù)質(zhì)子交換膜的運(yùn)行溫度，質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)可分為低溫和中高溫兩種類型。低溫質(zhì)子交換膜燃料電池的運(yùn)行溫度一般不高于90°C，具有啟動(dòng)快、功率密度高、重量輕、體積小的優(yōu)點(diǎn)，它對(duì)作為燃料的氫氣純度要求很高，適合與太陽(yáng)能等可再生能源銜接，利用電解水制取的高純度氫氣將不穩(wěn)定的可再生能源轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的電能；中高溫質(zhì)子交換膜燃料電池的運(yùn)行溫度在100°C到200°C，雖然相比低溫質(zhì)子交換膜燃料電池(工作溫度< 90°C )的啟動(dòng)速度略慢(需要預(yù)熱)、功率密度稍低，但是中高溫質(zhì)子交換膜燃料電池(工作溫度100-200°C )有很強(qiáng)的抗CO中毒能力，非常適合由天然氣、管道煤氣、甲醇、丙烷、甚至是垃圾填埋氣以及生物能等多種方式重整制得的氫氣，大大降低了燃料電池發(fā)電技術(shù)的使用門檻，而且由于高溫燃料電池運(yùn)行與100°C以上的高溫，電堆生成水全部汽化，不會(huì)造成燃料電池堆內(nèi)流道堵水，燃料電池的穩(wěn)定可靠性大大提高，運(yùn)行壽命比低溫燃料電池高出10倍以上。此外，中高溫質(zhì)子交換膜燃料電池運(yùn)行產(chǎn)生的高溫更容易被回收利用，整合成熱電聯(lián)供系統(tǒng)(CHP)進(jìn)一步提高其能量利用率。中高溫質(zhì)子交換膜燃料電池具有運(yùn)行穩(wěn)定性高、系統(tǒng)簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣，從小型居民家用終端熱電聯(lián)供，到樓宇、小區(qū)的分布式發(fā)電、大型的中心發(fā)電站。
[0004]中高溫質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)作為燃料電池中使用固態(tài)質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)的一種，其電解質(zhì)的重要特性、膜電極(membrane electrode assembly MEA)的基本結(jié)構(gòu)和燃料電池的工作方式與低溫質(zhì)子交換膜燃料電池(工作溫度< 90°C )類似:電解質(zhì)同樣是質(zhì)子的導(dǎo)體、電子的絕緣體，并有非常低的氣體滲透性；膜電極MEA同樣是其核心部件，膜電極與其兩側(cè)的雙極板組成了燃料電池的基本單元-燃料電池單電池；膜電極的基本結(jié)構(gòu)也是中間質(zhì)子交換膜，膜兩側(cè)分別是陰極和陽(yáng)極電催化劑，陰陽(yáng)極電催化劑外附氣體擴(kuò)散層；工作過程，氫氣透過有孔的氣體擴(kuò)散層至催化劑層，燃料電池的氫氣一側(cè)為陽(yáng)極，催化劑使氫氣分離為質(zhì)子和電子，質(zhì)子通過電解質(zhì)達(dá)到陰極(即氧氣一側(cè))，電子流過一個(gè)外部電路到達(dá)陰極，在陰極質(zhì)子、電子和氧氣反應(yīng)生成水。
[0005]一個(gè)典型電池組通常包括:(I)燃料及氧化劑氣體的導(dǎo)流進(jìn)口和導(dǎo)流通道，將燃料(如氫氣、甲醇或由甲醇、天然氣、汽油經(jīng)重整后得到的富氫氣體)和氧化劑(主要是氧氣或空氣)均勻地分布到各個(gè)陽(yáng)極、陰極面的導(dǎo)流槽中；(2)冷卻流體(如水)的進(jìn)出口與導(dǎo)流通道，將冷卻流體均勻分布到各個(gè)電池組內(nèi)冷卻通道中，將燃料電池內(nèi)氫、氧電化學(xué)放熱反應(yīng)生成的熱吸收并帶出電池組后進(jìn)行散熱；(3)燃料與氧化劑氣體的出口與相應(yīng)的導(dǎo)流通道，燃料氣體與氧化劑氣體在排出時(shí)，可攜帶出燃料電池中生成的液、汽態(tài)的水。通常，將所有燃料、氧化劑、冷卻流體的進(jìn)出口都開在燃料電池組的一個(gè)端板上或兩個(gè)端板上。
[0006]以上二種燃料電池的運(yùn)行特點(diǎn)可以看出，低溫燃料電池啟動(dòng)快，但生成液態(tài)水不利于穩(wěn)定運(yùn)行，壽命有限。而中高溫燃料電池需要外部能源加熱，升溫到100°c以上啟動(dòng)，啟動(dòng)后運(yùn)行穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)、可靠性高，而低溫燃料電池運(yùn)行產(chǎn)生液態(tài)水，運(yùn)行穩(wěn)定性差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的就是為了克服上述二種燃料電池現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種能綜合上述二種燃料電池優(yōu)點(diǎn)達(dá)到運(yùn)行穩(wěn)定的低溫與中高溫燃料電池聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)。
[0008]本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):一種低溫與中高溫燃料電池聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)，包括低溫燃料電池堆，中高溫燃料電池堆，以及分別連接低溫燃料電池堆和中高溫燃料電池堆的氫氣共用供應(yīng)系統(tǒng)、空氣共用供應(yīng)系統(tǒng)和冷卻流體循環(huán)共用系統(tǒng)，其特征在于，還包括設(shè)置在中高溫燃料電池堆前，對(duì)進(jìn)入中高溫燃料電池堆的氫氣和空氣進(jìn)行預(yù)熱的換熱器，該換熱器二端設(shè)有空氣入口和空氣出口，該空氣入口分別連接低溫燃料電池堆和中高溫燃料電池堆的空氣出口。
[0009]氫氣共用供應(yīng)系統(tǒng)包括:氫氣罐依次連接減壓閥、穩(wěn)壓閥后分為兩路，其中一路通過電磁閥a、換熱器、引射泵a后連接中高溫燃料電池堆，中高溫燃料電池堆排出的氫氣經(jīng)分離器a分離后返回引射泵a，另一路通過電磁閥a’和引射泵b后連接低溫燃料電池，低溫燃料電池堆排出的氫氣經(jīng)分離器b分離后返回引射泵b ;
[0010]所述的空氣共用供應(yīng)系統(tǒng)包括:過濾器、風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)的入口連接過濾器，風(fēng)機(jī)出口分為兩路，其中一路通過電磁閥b、換熱器后連接高溫燃料電池，另一路通過電磁閥b ’連接低溫燃料電池；
[0011]所述的冷卻流體循環(huán)共用系統(tǒng)包括:冷卻液儲(chǔ)箱依次連接冷卻液循環(huán)泵，冷卻液散熱器后分為兩路，一路通過電磁閥C連接中高溫燃料電池堆，另一路通過電磁閥c’連接低溫燃料電池堆；低溫燃料電池堆和中高溫燃料電池堆的冷卻液出口并聯(lián)后返回冷卻液儲(chǔ)箱。
[0012]所述的換熱器內(nèi)設(shè)有加熱管、至少一根氫氣流道管、至少一根空氣流道管，換熱器的空氣入口的相對(duì)位置設(shè)有空氣出口與排空閥；所述的氫氣流道管兩端分別連接中高溫燃料電池堆的氫氣共用供應(yīng)系統(tǒng)中的穩(wěn)壓閥和引射泵，所述的空氣流道管兩端分別連接風(fēng)機(jī)和中高溫燃料電池堆，所述的加熱管與低溫燃料電池堆的正負(fù)極輸出端連接，對(duì)進(jìn)入中高溫燃料電池堆的氫氣和空氣進(jìn)行預(yù)熱，同時(shí)回收從低溫燃料電池堆和中高溫燃料電池堆排出的空氣的熱量。
[0013]所述的加熱管包括設(shè)有I?20根，每根加熱管的功率為0.1?lOOOw。
[0014]所述的加熱管為石英玻璃管、或招翅片包覆管、或銅包覆管。
[0015]所述的氫氣共用供應(yīng)系統(tǒng)、空氣共用供應(yīng)系統(tǒng)和冷卻流體循環(huán)共用系統(tǒng)分別通過控制打開電磁閥a’、電磁閥b’和電磁閥c’快速啟動(dòng)與運(yùn)行低溫燃料電池，當(dāng)?shù)蜏厝剂想姵剡\(yùn)行放電加熱電熱管，以及自身放熱加熱共用冷卻流體，使中高溫燃料電池堆達(dá)到100°c以上后，即關(guān)閉電磁閥a ’、電磁閥b ’和電磁閥C ’，啟動(dòng)運(yùn)行中高溫燃料電池，并停止低溫燃料電池運(yùn)行。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):將中高溫燃料電池和低溫燃料電池聯(lián)用，并在中高溫燃料電池堆前設(shè)置換熱器，換熱器內(nèi)設(shè)有加熱管、氫氣流道、空氣流道，換熱器頂部設(shè)有排空閥；所述的氫氣流道兩端分別連接中高溫燃料電池堆的氫氣共用供應(yīng)系統(tǒng)中的穩(wěn)壓閥和引射泵，所述的空氣流道兩端分別連接風(fēng)機(jī)和中高溫燃料電池堆，所述的加熱管與低溫燃料電池堆的正負(fù)極輸出端連接，對(duì)進(jìn)入中高溫燃料電池堆的氫氣和空氣進(jìn)行預(yù)熱，同時(shí)回收從低溫燃料電池堆和中高溫燃料電池堆排出的空氣的熱量；
[0017]在運(yùn)行初期，溫度較低時(shí)開啟低溫燃料電池進(jìn)行發(fā)電，氫氣共用供應(yīng)系統(tǒng)、空氣共用供應(yīng)系統(tǒng)和冷卻流體循環(huán)共用系統(tǒng)分別通過控制打開電磁閥a’、電磁閥b’和電磁閥c’快速啟動(dòng)與運(yùn)行低溫燃料電池，當(dāng)?shù)蜏厝剂想姵剡\(yùn)行放電加熱電熱管，以及自身放熱加熱共用冷卻流體，使中高溫燃料電池堆達(dá)到100°C以上后，即關(guān)閉電磁閥a’、電磁閥b’和電磁閥c’，啟動(dòng)運(yùn)行中高溫燃料電池，并停止低溫燃料電池運(yùn)行，同時(shí)將中高溫燃料