[发明专利]一种固定式的微型燃料电池热电联产装置的热控制系统

说明书

技术领域

本发明属于燃料电池热电联产系统、能量控制技术领域，具体涉及一种固定式的微型燃料电池热电联产装置的热控制系统。

背景技术

燃料电池热电联产装置是使用碳氢类燃料(天然气,沼气等)经过燃料重整单元转换成富氢重整混合气后，将重整混合气与空气分别供给到燃料电池电堆的阳极和阴极，进而通过电化学反应产生直流电，并对重整反应过程中的热量及电力生产过程中产生的热量进行回收。

在燃料电池热电联产装置中，从重整单元中得到的富氢混合气流通常温度较高150℃或更高，在进入燃料电池阳极之前必须冷却至液化点和80℃之间，或者由电堆制造商设定的最大正常运行温度。富氢混合气流中的水蒸气低于其露点温度将开始凝结成液态水，这不利于燃料电池电堆的运行，甚至会对燃料电池电堆运行造成危害。当富氢混合气流温度超过80℃或燃料电池电堆制造商设定的最大正常运行温度时，燃料电池的材料可能退化、失效甚至报废。

燃料电池电堆正常运行发电时会产生余热。为了保证电堆的正常运行，需要一个专用的冷却回路将电堆中的废热迅速排出。该回路中液体泵将冷却液输送到电堆冷却板中，冷却液将废热带出电堆。在这个过程中电堆废热导致冷却液温度升高。在冷却液返回到液体泵之前，它需要被冷却到一个合适的温度，该温度是由冷却液的流速和所需移除的废热的量所决定的。

最后一个热源来自阳极尾气。该气流从电堆阳极堆离开，它包含未使用的氢，液体水和水蒸汽，还有其它成分，如二氧化碳，甲烷和微量的一氧化碳。蒸汽冷凝时会释放出大量的能量。几乎在所有的设计中，该混合气都被输送到燃料重整单元中，并为吸热的蒸汽重整反应提供热量，提高系统的效率。冷却阳极尾气有两个主要好处。一个好处是将额外的能量从阳极尾气转移给热水副产品，另外一个则是干燥气流更有利于燃料重整单元的燃烧性能。另外一个不太明显的好处是，混合气中的冷凝水返回到燃料重整单元，被系统回收并利用，减轻燃料重整单元系统对水需求的负担。

燃料电池电堆通常在一个最佳的工作温度范围内实现输出功率最大化。当燃料电池电堆处于冷启动时，需要通过自身工作产生的热量来加热电堆，这个过程耗时较多，因此燃料电池电堆的输出功率在启动时间内受到限制。所以需要利用整个系统中的热能来设计一个循环回路实现快速加热电堆，尽快达到理想功率输出。

显然，需要一种热控制方法以完成这两个主要目标。一个目标是有效控制阳极入口气流温度和冷却液入口温度，目的是控制燃料电池电堆的温度。另一个目标是尽可能地回收各方面的热量，以最大限度地提高系统的整体效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种固定式微型燃料电池热电联产装置的热控制系统，用于调节燃料电池堆的温度，以保证燃料电池系统可靠运行，另一方面尽可能地回收利用各方面的热量，以最大限度地提高系统的整体效率。

本发明为实现上述目的而采取的技术方案为：

一种用于住宅的微型燃料电池热电联产装置的热控制系统，包括将碳氢燃料催化转换成氢的燃料重整单元和与燃料重整单元相连接的水热循环单元，所述的水热循环单元包括气流管路、冷却水循环回路和冷却液循环回路，气流管路包括气流进入管路、一号换热器、一号电磁阀、单向阀、二号换热器、冷凝器和二号电磁阀，气流管路分为两条，一条为进入燃料电池电堆的气路，另外一条是旁路，所述进入燃料电池电堆的气路为正常工作气路，燃料重整单元产生的高温富氢混合气流通过管路进入一号换热器使高温富氢混合气体温度降低到设定温度后经一号换热器的出口通过一号电磁阀进入阳极板进行发电，从阳极板排出的高温尾气通过单向阀进入二号换热器使高温尾气温度降低，降温后的高温尾气进入冷凝器进行水汽分离，分离后所产生的干气流与水气再分别回流到重整单元进行循环利用；所述旁路是在燃料电池电堆启动前，泵入燃料重整单元大量的液态水产生的水蒸气通过管路进入一号换热器与水循环回路的冷却水换热，经一号换热器的出口通过二号电磁阀进入二号换热器使得水蒸汽温度进一步降低，降温后进入冷凝器形成液态水回流到燃料重整单元进行循环利用；