一種固定式的微型燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)裝置的熱控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)、能量控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種固定式的微型燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)裝置的熱控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)裝置是使用碳?xì)漕惾剂?天然氣，沼氣等)經(jīng)過燃料重整單元轉(zhuǎn)換成富氫重整混合氣后，將重整混合氣與空氣分別供給到燃料電池電堆的陽極和陰極，進(jìn)而通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生直流電，并對重整反應(yīng)過程中的熱量及電力生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的熱量進(jìn)行回收。
[0003]在燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)裝置中，從重整單元中得到的富氫混合氣流通常溫度較高150°C或更高，在進(jìn)入燃料電池陽極之前必須冷卻至液化點(diǎn)和80°C之間，或者由電堆制造商設(shè)定的最大正常運(yùn)行溫度。富氫混合氣流中的水蒸氣低于其露點(diǎn)溫度將開始凝結(jié)成液態(tài)水，這不利于燃料電池電堆的運(yùn)行，甚至?xí)θ剂想姵仉姸堰\(yùn)行造成危害。當(dāng)富氫混合氣流溫度超過80°C或燃料電池電堆制造商設(shè)定的最大正常運(yùn)行溫度時(shí)，燃料電池的材料可能退化、失效甚至報(bào)廢。
[0004]燃料電池電堆正常運(yùn)行發(fā)電時(shí)會產(chǎn)生余熱。為了保證電堆的正常運(yùn)行，需要一個(gè)專用的冷卻回路將電堆中的廢熱迅速排出。該回路中液體栗將冷卻液輸送到電堆冷卻板中，冷卻液將廢熱帶出電堆。在這個(gè)過程中電堆廢熱導(dǎo)致冷卻液溫度升高。在冷卻液返回到液體栗之前，它需要被冷卻到一個(gè)合適的溫度，該溫度是由冷卻液的流速和所需移除的廢熱的量所決定的。
[0005]最后一個(gè)熱源來自陽極尾氣。該氣流從電堆陽極堆離開，它包含未使用的氫，液體水和水蒸汽，還有其它成分，如二氧化碳，甲烷和微量的一氧化碳。蒸汽冷凝時(shí)會釋放出大量的能量。幾乎在所有的設(shè)計(jì)中，該混合氣都被輸送到燃料重整單元中，并為吸熱的蒸汽重整反應(yīng)提供熱量，提高系統(tǒng)的效率。冷卻陽極尾氣有兩個(gè)主要好處。一個(gè)好處是將額外的能量從陽極尾氣轉(zhuǎn)移給熱水副產(chǎn)品，另外一個(gè)則是干燥氣流更有利于燃料重整單元的燃燒性能。另外一個(gè)不太明顯的好處是，混合氣中的冷凝水返回到燃料重整單元，被系統(tǒng)回收并利用，減輕燃料重整單元系統(tǒng)對水需求的負(fù)擔(dān)。
[0006]燃料電池電堆通常在一個(gè)最佳的工作溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)輸出功率最大化。當(dāng)燃料電池電堆處于冷啟動時(shí)，需要通過自身工作產(chǎn)生的熱量來加熱電堆，這個(gè)過程耗時(shí)較多，因此燃料電池電堆的輸出功率在啟動時(shí)間內(nèi)受到限制。所以需要利用整個(gè)系統(tǒng)中的熱能來設(shè)計(jì)一個(gè)循環(huán)回路實(shí)現(xiàn)快速加熱電堆，盡快達(dá)到理想功率輸出。
[0007]顯然，需要一種熱控制方法以完成這兩個(gè)主要目標(biāo)。一個(gè)目標(biāo)是有效控制陽極入口氣流溫度和冷卻液入口溫度，目的是控制燃料電池電堆的溫度。另一個(gè)目標(biāo)是盡可能地回收各方面的熱量，以最大限度地提高系統(tǒng)的整體效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是提供一種固定式微型燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)裝置的熱控制系統(tǒng)，用于調(diào)節(jié)燃料電池堆的溫度，以保證燃料電池系統(tǒng)可靠運(yùn)行，另一方面盡可能地回收利用各方面的熱量，以最大限度地提高系統(tǒng)的整體效率。
[0009]本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的而采取的技術(shù)方案為:
[0010]—種用于住宅的微型燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)裝置的熱控制系統(tǒng)，包括將碳?xì)淙剂洗呋D(zhuǎn)換成氫的燃料重整單元和與燃料重整單元相連接的水熱循環(huán)單元，所述的水熱循環(huán)單元包括氣流管路、冷卻水循環(huán)回路和冷卻液循環(huán)回路，氣流管路包括氣流進(jìn)入管路、一號換熱器、一號電磁閥、單向閥、二號換熱器、冷凝器和二號電磁閥，氣流管路分為兩條，一條為進(jìn)入燃料電池電堆的氣路，另外一條是旁路，所述進(jìn)入燃料電池電堆的氣路為正常工作氣路，燃料重整單元產(chǎn)生的高溫富氫混合氣流通過管路進(jìn)入一號換熱器使高溫富氫混合氣體溫度降低到設(shè)定溫度后經(jīng)一號換熱器的出口通過一號電磁閥進(jìn)入陽極板進(jìn)行發(fā)電，從陽極板排出的高溫尾氣通過單向閥進(jìn)入二號換熱器使高溫尾氣溫度降低，降溫后的高溫尾氣進(jìn)入冷凝器進(jìn)行水汽分離，分離后所產(chǎn)生的干氣流與水氣再分別回流到重整單元進(jìn)行循環(huán)利用;所述旁路是在燃料電池電堆啟動前，栗入燃料重整單元大量的液態(tài)水產(chǎn)生的水蒸氣通過管路進(jìn)入一號換熱器與水循環(huán)回路的冷卻水換熱，經(jīng)一號換熱器的出口通過二號電磁閥進(jìn)入二號換熱器使得水蒸汽溫度進(jìn)一步降低，降溫后進(jìn)入冷凝器形成液態(tài)水回流到燃料重整單元進(jìn)行循環(huán)利用；
[0011]所述冷卻水循環(huán)回路包括冷卻水栗、三通閥、三號換熱器和四號換熱器，冷卻水栗與四號換熱器相通取冷水，冷水經(jīng)二號換熱器與陽極板排出的高溫尾氣進(jìn)行換熱，冷水水溫升高，升溫后的冷水經(jīng)過三通閥后根據(jù)熱電偶測溫裝置測得的冷卻液的溫度高低分成兩路:一路是當(dāng)冷卻液的溫度高于冷卻液溫度的設(shè)定值時(shí)冷水進(jìn)入三號換熱器與冷卻液進(jìn)行換熱，使冷卻液的溫度降低到設(shè)定溫度，升溫后的冷水繼續(xù)循環(huán)進(jìn)入一號換熱器與燃料重整單元的產(chǎn)生高溫富氫混合氣體換熱，水溫進(jìn)一步升高，再經(jīng)過四號換熱器降溫后與冷卻水栗相通;另一路是當(dāng)冷卻液的溫度低于冷卻液溫度設(shè)定值時(shí)，冷水直接進(jìn)入一號換熱器與燃料重整單元的高溫富氫氣流換熱，水溫升高，再經(jīng)過四號換熱器降溫后與冷卻水栗相通，四號換熱器出水管與熱水副產(chǎn)品水箱相連接；
[0012]所述冷卻液循環(huán)回路包括冷卻液栗和熱電偶測溫裝置和冷卻劑板，冷卻液通過冷卻液栗在冷卻劑板和冷卻液管路之間形成回路，熱電偶測溫裝置安裝在冷卻液管路上，該冷卻液循環(huán)回路通過三號換熱器與冷卻水循環(huán)回路相連通，初始時(shí)，通過旁路氣流管路加熱初始冷卻水循環(huán)回路中的水，升溫的冷卻水與冷卻液在三號換熱器處進(jìn)行熱量交換，使得冷卻液初始溫度升溫，給燃料電池提供初始啟動溫度，在運(yùn)行時(shí)，通過熱電偶測溫裝置進(jìn)行溫度判斷，當(dāng)溫度高于設(shè)定溫度，則通過三通閥使冷卻循環(huán)水與冷卻液在三號換熱器進(jìn)行換熱，使得冷卻液溫度降低；當(dāng)溫度低于設(shè)定值時(shí)，則冷卻循環(huán)水不經(jīng)過冷卻液，冷卻液依靠燃料電池工作產(chǎn)生的熱量對冷卻液進(jìn)行升溫。
[0013]所述的冷卻水栗為雙向栗。
[0014]本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，設(shè)計(jì)旁路氣路，主要是為了有效利用栗入燃料重整單元大量的液態(tài)水產(chǎn)生蒸汽時(shí)所產(chǎn)生的熱能，并和冷卻水循環(huán)回路和冷卻液循環(huán)回路結(jié)合，提高燃料電池的啟動性能。具體而言，當(dāng)燃料重整單元逐漸升溫并到設(shè)計(jì)溫度時(shí)，通過栗入燃料重整單元大量的液態(tài)水產(chǎn)生大量的蒸汽。該蒸汽攜帶大量熱量從燃料重整單元進(jìn)入一號熱交換器，將熱量傳遞給流經(jīng)的冷卻水，然后通過旁路通道進(jìn)入冷凝器。該過程中經(jīng)蒸汽加熱的冷卻水隨循環(huán)路徑流經(jīng)三號換熱器，熱量被交換到冷卻液回路。加熱后的冷卻液進(jìn)一步將熱量傳導(dǎo)到燃料電池電堆最終實(shí)現(xiàn)了加熱電堆的目標(biāo)。
[0015]本設(shè)計(jì)中，循環(huán)水回路設(shè)計(jì)冷卻水栗，二號換熱器，三通閥、一號換熱器、四號換熱器，冷卻水栗這樣的管路排布，充分滿足了整個(gè)系統(tǒng)中各組件對溫度的需求。
[0016]1、陽極排出的氣流是唯一的一條對溫度調(diào)節(jié)沒有任何要求的氣流，因此在循環(huán)回路中從冷卻水栗處開始流出的水溫度最低，使用最冷的水在二號換熱器與陽極尾氣換熱，使得陽極排出的尾氣溫度盡可能的低，同時(shí)最大可能回收陽極尾氣的熱量。
[0017]2、進(jìn)入電堆的冷卻液的溫度是需要調(diào)節(jié)的。過冷的冷卻液進(jìn)入電堆將會使電堆溫度過低，導(dǎo)致性能降低或降低產(chǎn)電量。如果電堆的運(yùn)行溫度為70°C，理想的冷卻液入口溫度將在50°C以上，最好是60 °C左右，甚至可以達(dá)到65°C左右。因此設(shè)計(jì)三通閥來控制循環(huán)水的流量，使得從二號換熱器出來的溫水在三號換熱器處與冷卻液進(jìn)行換熱，使冷卻液降溫，確保入口冷卻液溫度不會低于冷卻水入口的溫度。
[0018]3、從燃料重整單元出來的富氫混合氣流過度冷卻會產(chǎn)生液態(tài)冷凝水，如果該冷凝水進(jìn)入電堆，則對電堆造成危害。因此富氫混合氣流對溫度的要求比冷卻液對溫度要求更高，所以冷卻水經(jīng)三號換熱器換熱，使得水溫進(jìn)一步升溫，在一號換熱器處與富氫混合氣流換熱，以便控制進(jìn)入陽極板的氣流溫度，達(dá)到了充分利用熱量進(jìn)行循環(huán)冷卻的目的。
[0019]4、此外，冷卻水栗采用雙向水栗，使得冷卻循環(huán)水在系統(tǒng)中可反向流動。在啟動階段，冷卻水以流經(jīng)一號換熱器，三號換熱器和二號換熱器的順序流動，使得被加熱的水以最短的路徑送達(dá)燃料電池電堆，縮短電堆加熱的時(shí)間，提高電堆啟動性能。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，冷卻水以流經(jīng)二號換熱器，三號換熱器和