專利名稱：一種基于燃料電池的熱電聯(lián)供系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種基于燃料電池的熱電聯(lián)供系統(tǒng)，特別適用于小型分布式燃料電池熱電聯(lián)供系統(tǒng)。
背景技術：
熱電聯(lián)供系統(tǒng)可以很好地滿足居民單元、小型社區(qū)、商業(yè)或工業(yè)建筑、醫(yī)院等公共場所對照明、電器設備、采暖和熱水等的需求。與基于燃氣內燃機、燃氣外燃機、微型燃氣輪機的分布式熱電聯(lián)供系統(tǒng)相比，基于燃料電池發(fā)電的分布式熱電聯(lián)供系統(tǒng)具有發(fā)電效率 (40-70%)和總效率(70-90%)高、污染物排放少(CO2減排約40%，基本不產生NOx等污染物)、規(guī)模適應性強以及原料適應性強等優(yōu)點。隨著氫能及燃料電池技術的不斷進步，基于燃料電池技術的熱電聯(lián)供系統(tǒng)正逐漸成為分布式熱電聯(lián)供新的重要發(fā)展方向。燃料電池是一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學能通過電極反應直接轉化為電能的發(fā)電裝置，能量轉換效率高，對環(huán)境污染小。質子交換膜燃料電池(PEMFC)以氫為燃料，具有能量密度高，不使用流動的、腐蝕性的電解質，結構簡單等優(yōu)點。由于純氫價格高、 安全性差、輸送儲存及加注困難，使用純氫必然限制了燃料電池的規(guī)模應用。因此通過現(xiàn)有的化石燃料的儲運加注設施，利用燃料重整制氫的方式與PEMFC聯(lián)合使用成為當前國際上的通用方法。重整制氫系統(tǒng)將含氫化合物轉換為含氫的重整氣，由于PEMFC燃料電池對含氫重整氣的質量要求高，必須將有害雜質(如CO)的含量降至20ppm以下，然后將此含氫混合氣體輸送至燃料電池的陽極，同時在燃料電池陰極通入相應量的空氣。通常情況下，燃料電池不能完全消耗掉重整氣中所有的氫氣，剩余的氫氣則和燃料電池中反應后的氣體經過一定的換熱裝置回收部分熱量后排放出燃料電池。未反應的氫氣和相應量的空氣一起通過催化燃燒催化劑，將所有的氫氣轉化為水，同時回收相關的熱量。
發(fā)明內容本實用新型的技術任務是針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種設計合理、節(jié)能環(huán)保的熱電聯(lián)供系統(tǒng)。本實用新型采用的技術方案是一、將重整制氫系統(tǒng)和燃料電池高效集成； 二、合理匹配不同系統(tǒng)間的吸放熱過程，提高熱電聯(lián)供系統(tǒng)的能量效率；三、充分回收利用燃料電池的陽極尾氣，通過催化燃燒技術并結合相應結構的換熱裝置回收部分熱量；四、結合換熱裝置和催化燃燒裝置的優(yōu)化設計，合理布置這些裝置在全系統(tǒng)流程中的位置，可以靈活調節(jié)熱電聯(lián)供系統(tǒng)的熱電比例。本實用新型具體提供了一種基于燃料電池的熱電聯(lián)供系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)由燃料電池發(fā)電系統(tǒng)、重整制氫系統(tǒng)和熱量回收利用系統(tǒng)組成，燃料電池發(fā)電系統(tǒng)分別與重整制氫系統(tǒng)以及熱量回收利用系統(tǒng)相連。反應原料進入重整制氫系統(tǒng)產生含氫混合氣體，混合氣體進入燃料電池，通過電極反應將含氫混合氣中的化學能轉化為電能，同時通過熱量回收利用系統(tǒng)生產熱水、氣或冷水，在進行電力供應的同時，向用戶提供熱/冷供應。本實用新型提供的熱電聯(lián)供系統(tǒng)，其特征在于與燃料電池發(fā)電系統(tǒng)連接的物料管路是絕緣管路，保證其它子系統(tǒng)和燃料電池系統(tǒng)之間的絕緣連接。燃料電池發(fā)電系統(tǒng)為質子交換膜燃料電池或固體氧化物燃料電池。熱量回收利用系統(tǒng)為熱量回收器。本實用新型提供的熱電聯(lián)供系統(tǒng)，其特征在于重整制氫系統(tǒng)12的輸入端與換熱器11相連，輸出端通過絕緣管道13與燃料電池發(fā)電系統(tǒng)14中燃料電池的陽極相連，燃料電池發(fā)電系統(tǒng)14同時與DC/AC變換器15和熱量回收利用系統(tǒng)17相連，熱量回收利用系統(tǒng) 17與高溫換熱器18相連，高溫換熱器18上有接口 la。經燃料電池發(fā)電系統(tǒng)14轉化的電能通過DC/AC變換器15變換為輸出給用電用戶16。熱量回收利用系統(tǒng)17中的高溫氣體通過高溫換熱器18產生蒸汽，產生的蒸汽由接口 Ia輸出。本實用新型提供的熱電聯(lián)供系統(tǒng)，其特征在于重整制氫系統(tǒng)12的輸入端與換熱器11相連，輸出端通過絕緣管道13與燃料電池發(fā)電系統(tǒng)14中燃料電池的陽極相連，燃料電池發(fā)電系統(tǒng)14同時與DC/AC變換器15和熱量回收利用系統(tǒng)17相連，熱量回收利用系統(tǒng) 17通過高溫換熱器18與換熱器11相連，換熱器11與用暖用戶19相連，用暖用戶19上有出口 lb。燃料電池的陽極尾氣和陰極尾氣進入熱量回收利用系統(tǒng)17，在熱量回收利用系統(tǒng) 17內通過氫和氧的催化燃燒反應放出熱量，通過換熱器18利用催化燃燒放出的熱預熱、氣化重整原料或產生蒸汽，換熱后的燃燒尾氣還可以為用戶供暖。本實用新型提供的熱電聯(lián)供系統(tǒng)其提供的熱水有兩個來源，一是來自于重整制氫系統(tǒng)，一是來自于燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，重整制氫系統(tǒng)和燃料電池系統(tǒng)內發(fā)生的化學反應均為放熱反應，通過換熱器，利用循環(huán)水從這兩個系統(tǒng)獲取相應的熱水，熱水儲存在熱水箱內，熱水箱上設有不同的熱水出口。本實用新型提供的熱電聯(lián)供系統(tǒng)，其重整制氫的原料為醇類及烴類的含氫化合物，如甲醇、乙醇、甲烷、天然氣、城市煤氣、液化氣。燃料電池可以使用質子交換膜燃料電池或固體氧化物燃料電池。本實用新型提供的熱電聯(lián)供系統(tǒng)，其特征在于所述熱電聯(lián)供系統(tǒng)供的熱和電的比例可以根據要求調節(jié)，熱電比例的范圍為0. 5:1-11:1。該系統(tǒng)可應用于居民單元、小型社區(qū)、商業(yè)或工業(yè)建筑、醫(yī)院等公共場所對照明、電器設備、采暖和熱水等的需求，特別適用于l-200kW的小型分布式燃料電池熱電聯(lián)供系統(tǒng)?；谌剂想姵氐臒犭娐?lián)供系統(tǒng)與大電網供電的合理結合，被全球能源、電力專家認為是投資省、能耗低、可靠性高的靈活能源系統(tǒng)，是二十一世紀電力工業(yè)的發(fā)展方向。

圖1是基于燃料電池的熱電聯(lián)供系統(tǒng)的線路構造示意圖。圖2是本實用新型的熱電聯(lián)供系統(tǒng)實驗運行結果。
具體實施方式
實施例1本實施例中的原料以城市中的管道天然氣為例，其設計總功率為10kW。如圖1所示的基于燃料電池的熱電聯(lián)供系統(tǒng)，實施例中的燃料電池采用質子交換膜燃料電池，管道天然氣和水首先經換熱器11進入重整制氫系統(tǒng)12，在重整制氫系統(tǒng)12內，天然氣和水轉化為含氫的混合氣體，并通過CO變換反應、選擇氧化等一系列反應將重整產生的混合氣中的CO濃度降低到20ppm以下。凈化后的重整氣經絕緣管道13進入質子交換膜燃料電池 14的陽極，同時在質子交換膜燃料電池14的陰極通入相應量的空氣，氫氧經過電極反應轉化為電能后經DC/AC變換器15變換為合適的電壓供用電用戶16使用。質子交換膜燃料電池14不能完全消耗掉重整氣中所有的氫氣，剩余的氫氣和質子交換膜燃料電池14陰極未反應掉的空氣進入到熱量回收器17，在熱量回收器17內，氫氣和氧氣在催化劑的表面進行催化燃燒反應，同時放出大量的熱，反應后的高溫氣體可以通過高溫換熱器18產生部分蒸汽，蒸汽由接口 Ia排出供用戶使用，也可以將高溫燃燒尾氣通過換熱器11與重整原料進行換熱，使得重整原料在進入重整系統(tǒng)12前就得到很好的預熱，同時經過換熱器11換熱后的燃燒尾氣還可以給用戶提供相應的暖氣等供暖服務19，最終燃燒尾氣以接近室溫的溫度由出口 Ib排出系統(tǒng)。 按上述設計方案設計制造的基于燃料電池的熱電聯(lián)供系統(tǒng)的電功率輸出情況如圖2所示，將與電功率輸出相當?shù)臒彷敵隹紤]在內，系統(tǒng)總功率超過了 10kW，本實用新型完全達到設計要求。
權利要求1.一種基于燃料電池的熱電聯(lián)供系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)由燃料電池發(fā)電系統(tǒng)、 重整制氫系統(tǒng)和熱量回收利用系統(tǒng)組成，燃料電池發(fā)電系統(tǒng)分別與重整制氫系統(tǒng)以及熱量回收利用系統(tǒng)相連。
2.按照權利要求1所述的熱電聯(lián)供系統(tǒng)，其特征在于與燃料電池發(fā)電系統(tǒng)連接的物料管路是絕緣管路。
3.按照權利要求1所述的熱電聯(lián)供系統(tǒng)，其特征在于所述燃料電池發(fā)電系統(tǒng)為質子交換膜燃料電池或固體氧化物燃料電池。
4.按照權利要求1所述的熱電聯(lián)供系統(tǒng)，其特征在于所述熱量回收利用系統(tǒng)為熱量回收器。
5.按照權利要求1所述的熱電聯(lián)供系統(tǒng)，其特征在于重整制氫系統(tǒng)(12)的輸入端與換熱器(11)相連，輸出端通過絕緣管道(13)與燃料電池發(fā)電系統(tǒng)(14)中燃料電池的陽極相連，燃料電池發(fā)電系統(tǒng)(14)同時與DC/AC變換器(15)和熱量回收利用系統(tǒng)(17)相連，熱量回收利用系統(tǒng)(17)與高溫換熱器(18)相連，高溫換熱器(18)上有接口(la)。
6.按照權利要求1所述的熱電聯(lián)供系統(tǒng)，其特征在于重整制氫系統(tǒng)(12)的輸入端與換熱器(11)相連，輸出端通過絕緣管道(13)與燃料電池發(fā)電系統(tǒng)(14)中燃料電池的陽極相連，燃料電池發(fā)電系統(tǒng)(14)同時與DC/AC變換器(15)和熱量回收利用系統(tǒng)(17)相連， 熱量回收利用系統(tǒng)(17)通過高溫換熱器(18)與換熱器(11)相連，換熱器(11)與用暖用戶 (19)相連，用暖用戶(19)上有出口(lb)。
專利摘要本實用新型的目的在于提供一種基于燃料電池的熱電聯(lián)供系統(tǒng)，整個系統(tǒng)包括燃料電池發(fā)電系統(tǒng)、重整制氫系統(tǒng)和熱量回收利用系統(tǒng)，燃料電池發(fā)電系統(tǒng)分別與重整制氫系統(tǒng)以及熱量回收利用系統(tǒng)相連。反應原料進入重整制氫系統(tǒng)產生含氫混合氣體，混合氣體進入燃料電池，通過電極反應將含氫混合氣中的化學能直接轉化為電能，同時通過熱量回收利用系統(tǒng)生產熱水、氣或冷水，在進行電力供應的同時，向用戶提供熱/冷供應。
文檔編號H01M8/10GK201985204SQ20102065869
公開日2011年9月21日 申請日期2010年12月14日 優(yōu)先權日2010年12月14日
發(fā)明者倪長軍, 張騁, 曹磊, 潘立衛(wèi), 王樹東, 袁中山 申請人:中國科學院大連化學物理研究所