一種中高溫燃料電池集成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，尤其是涉及一種中高溫燃料電池集成運行系統。
【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]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]中高溫燃料電池，運行溫度為100-200°C，冷的空氣或氫氣進入電堆，對發電性能會產生波動，影響發電效率，并且中高溫燃料電池在啟動是需要外接電源產生熱使電堆溫度達到100°C以上，方可啟動運行。

【發明內容】

[0007]本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種方便啟動及運行穩定的中高溫燃料電池集成運行系統。
[0008]本發明的目的可以通過以下技術方案來實現:一種中高溫燃料電池集成運行系統，包括燃料電池堆，以及連接在燃料電池堆上的氫氣供應與循環系統、空氣供應與循環系統和冷卻流體循環系統，其中氫氣供應與循環系統包括氫氣罐、減壓閥、穩壓閥、引射泵、汽水分離器，所述的氫氣罐依次通過減壓閥、穩壓閥、引射泵連接到燃料電池堆的氫氣入口，燃料電池堆的氫氣出口連接汽水分離器，汽水分離器的氣體出口連接引射泵；所述的空氣供應與循環系統包括過濾器、風機，風機的入口連接過濾器，出口連接燃料電池堆的空氣進口 ；所述的冷卻流體循環系統包括冷卻液循環泵、冷卻液儲箱，冷卻液散熱器，所述的冷卻液儲箱依次連接冷卻液循環泵、冷卻液散熱器、燃料電池堆的冷卻液入口，燃料電池堆的冷卻液出口連接冷卻液儲箱，其特征在于，還包括對氫氣和空氣進行預熱的換熱器，以及控制冷卻液流量的冷卻液循環回路，從穩壓閥流出的氫氣經過換熱器換熱后，通過引射泵進入燃料電池堆，從風機流出的空氣經換熱器換熱后進入燃料電池堆，燃料電池堆的空氣出口排出的熱空氣返回換熱器；所述的冷卻液循環回路包括兩個電磁控制閥和一個循環管路，該循環管路連接冷卻液循環泵和冷卻液儲箱，所述的兩個電磁控制閥中的一個電磁閥a設置在冷卻流體進入燃料電池堆的主管道上，另一個電磁閥b設置在循環管上，通過控制其中一個或二個電磁控制閥使冷卻液體全部或部分甚至不進入燃料電池堆。
[0009]所述的換熱器內設有加熱管、一路或多路氫氣流道管、一路或多路空氣流道管，換熱器底部設有空氣入口，頂部設有空氣排出口及排空閥；所述的氫氣流道管兩端分別連接穩壓閥和引射泵，所述的空氣流道管兩端分別連接風機和燃料電池堆，所述的加熱管外接電源，對氫氣和空氣進行預熱，同時回收從燃料電池堆流出的空氣的熱量。
[0010]所述的加熱管包括設有I?20根，每根加熱管的功率為0.1?500w。
[0011]所述的加熱管為石英玻璃管、或招翅片包覆管、或銅包覆管。
[0012]所述的燃料電池堆的空氣出口處設有溫度探測器Tl，冷卻流體出口處設有溫度探測器T2。
[0013]所述的兩個電磁控制閥連接控制器，控制器連接溫度探測器Tl和溫度探測器T2，當溫度探測器Tl探測的溫度小于100°c時，少量空氣和氫氣或沒有空氣或氫氣進入燃料電池堆，關閉電磁閥a，打開電磁閥b，冷卻液全部返回冷卻液儲箱；當溫度探測器Tl的溫度大于100°C，溫度探測器T2的溫度接近100°C時，電磁閥a和電磁閥b同時打開并控制冷卻液部分通過循環管路返回冷卻液儲箱，部分進入燃料電池堆，進入燃料電池堆的冷卻液控制在冷卻液總流量的I?20%;當溫度探測器T2的溫度大于120°C時，氫氣、空氣正常進入燃料電池堆，電磁閥a全開，電磁閥b關閉，冷卻液全部進入燃料電池堆，并通過冷卻液散熱器控制進入燃料電池堆的溫度。
[0014]所述的兩個電磁控制閥還可以通過一個三通閥代替。
[0015]與現有技術相比，本發明具有以下優點:在燃料電池堆前設置換熱器，一方面通過換熱器將氫氣和空氣預熱到與燃料電池堆運行溫度相當，以加熱燃料電池堆達到預定啟動溫度(> 100°c )，另一方面回收從燃料電池堆空氣出口排出的高溫氣體的溫度，實現熱量的回收利用，以免冷氣體進入燃料電池堆造成燃料電池堆運行不穩定。同時本發明設置了冷卻液的循環控制回路，使其在燃料電池堆運行初期，少量的冷卻流體進入電堆，等到燃料電池堆正常運行時在將冷卻液入口全開，全部進入燃料電池堆，減少能源浪費。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發明的示意圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。
[0018]實施例1
[0019]如圖1所示