一種低溫與中高溫燃料電池聯合運行系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種新能源技術領域，尤其是涉及一種低溫與中高溫燃料電池聯合運行系統。
【背景技術】
[0002]質子交換膜燃料電池技術是21世紀人類利用氫能的最主要的關鍵技術。很多國家對質子交換膜燃料電池技術產業化都給予了高度的重視與大力的支持，并取得了許多實質性的進展。可以預見，該技術的全面產業化將對未來世界能源供應和格局產生重大影響。在現代社會生活和經濟建設中，電力供應和保障的重要性越來越重要，同時對提高電力生產和使用效率及環境友好的要求程度不斷提高。分布式發電的接近用戶，減少電力遠距離輸送，根據用電需求靈活調整的優勢越來越受到各國的重視。
[0003]根據質子交換膜的運行溫度，質子交換膜燃料電池(PEMFC)可分為低溫和中高溫兩種類型。低溫質子交換膜燃料電池的運行溫度一般不高于90°C，具有啟動快、功率密度高、重量輕、體積小的優點，它對作為燃料的氫氣純度要求很高，適合與太陽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定的可再生能源轉化為穩定的電能；中高溫質子交換膜燃料電池的運行溫度在100°C到200°C，雖然相比低溫質子交換膜燃料電池(工作溫度< 90°C )的啟動速度略慢(需要預熱)、功率密度稍低，但是中高溫質子交換膜燃料電池(工作溫度100-200°C )有很強的抗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電技術的使用門檻，而且由于高溫燃料電池運行與100°C以上的高溫，電堆生成水全部汽化，不會造成燃料電池堆內流道堵水，燃料電池的穩定可靠性大大提高，運行壽命比低溫燃料電池高出10倍以上。此外，中高溫質子交換膜燃料電池運行產生的高溫更容易被回收利用，整合成熱電聯供系統(CHP)進一步提高其能量利用率。中高溫質子交換膜燃料電池具有運行穩定性高、系統簡單、壽命長等優點，其應用領域非常廣，從小型居民家用終端熱電聯供，到樓宇、小區的分布式發電、大型的中心發電站。
[0004]中高溫質子交換膜燃料電池技術作為燃料電池中使用固態質子交換膜作為電解質的一種，其電解質的重要特性、膜電極(membrane electrode assembly MEA)的基本結構和燃料電池的工作方式與低溫質子交換膜燃料電池(工作溫度< 90°C )類似:電解質同樣是質子的導體、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；膜電極的基本結構也是中間質子交換膜，膜兩側分別是陰極和陽極電催化劑，陰陽極電催化劑外附氣體擴散層；工作過程，氫氣透過有孔的氣體擴散層至催化劑層，燃料電池的氫氣一側為陽極，催化劑使氫氣分離為質子和電子，質子通過電解質達到陰極(即氧氣一側)，電子流過一個外部電路到達陰極，在陰極質子、電子和氧氣反應生成水。
[0005]一個典型電池組通常包括:(I)燃料及氧化劑氣體的導流進口和導流通道，將燃料(如氫氣、甲醇或由甲醇、天然氣、汽油經重整后得到的富氫氣體)和氧化劑(主要是氧氣或空氣)均勻地分布到各個陽極、陰極面的導流槽中；(2)冷卻流體(如水)的進出口與導流通道，將冷卻流體均勻分布到各個電池組內冷卻通道中，將燃料電池內氫、氧電化學放熱反應生成的熱吸收并帶出電池組后進行散熱；(3)燃料與氧化劑氣體的出口與相應的導流通道，燃料氣體與氧化劑氣體在排出時，可攜帶出燃料電池中生成的液、汽態的水。通常，將所有燃料、氧化劑、冷卻流體的進出口都開在燃料電池組的一個端板上或兩個端板上。
[0006]以上二種燃料電池的運行特點可以看出，低溫燃料電池啟動快，但生成液態水不利于穩定運行，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，啟動后運行穩定，壽命長、可靠性高，而低溫燃料電池運行產生液態水，運行穩定性差。

【發明內容】

[0007]本發明的目的就是為了克服上述二種燃料電池現有技術存在的缺陷而提供一種能綜合上述二種燃料電池優點達到運行穩定的低溫與中高溫燃料電池聯合運行系統。
[0008]本發明的目的可以通過以下技術方案來實現:一種低溫與中高溫燃料電池聯合運行系統，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系統、空氣共用供應系統和冷卻流體循環共用系統，其特征在于，還包括設置在中高溫燃料電池堆前，對進入中高溫燃料電池堆的氫氣和空氣進行預熱的換熱器，該換熱器二端設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]氫氣共用供應系統包括:氫氣罐依次連接減壓閥、穩壓閥后分為兩路，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分離器b分離后返回引射泵b ;
[0010]所述的空氣共用供應系統包括:過濾器、風機，風機的入口連接過濾器，風機出口分為兩路，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共用系統包括:冷卻液儲箱依次連接冷卻液循環泵，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后返回冷卻液儲箱。
[0012]所述的換熱器內設有加熱管、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位置設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系統中的穩壓閥和引射泵，所述的空氣流道管兩端分別連接風機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極輸出端連接，對進入中高溫燃料電池堆的氫氣和空氣進行預熱，同時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系統、空氣共用供應系統和冷卻流體循環共用系統分別通過控制打開電磁閥a’、電磁閥b’和電磁閥c’快速啟動與運行低溫燃料電池，當低溫燃料電池運行放電加熱電熱管，以及自身放熱加熱共用冷卻流體，使中高溫燃料電池堆達到100°c以上后，即關閉電磁閥a ’、電磁閥b ’和電磁閥C ’，啟動運行中高溫燃料電池，并停止低溫燃料電池運行。
[0016]與現有技術相比，本發明具有以下優點:將中高溫燃料電池和低溫燃料電池聯用，并在中高溫燃料電池堆前設置換熱器，換熱器內設有加熱管、氫氣流道、空氣流道，換熱器頂部設有排空閥；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系統中的穩壓閥和引射泵，所述的空氣流道兩端分別連接風機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極輸出端連接，對進入中高溫燃料電池堆的氫氣和空氣進行預熱，同時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]在運行初期，溫度較低時開啟低溫燃料電池進行發電，氫氣共用供應系統、空氣共用供應系統和冷卻流體循環共用系統分別通過控制打開電磁閥a’、電磁閥b’和電磁閥c’快速啟動與運行低溫燃料電池，當低溫燃料電池運行放電加熱電熱管，以及自身放熱加熱共用冷卻流體，使中高溫燃料電池堆達到100°C以上后，即關閉電磁閥a’、電磁閥b’和電磁閥c’，啟動運行中高溫燃料電池，并停止低溫燃料電池運行，同時將中高溫燃料