专利名称：一种基于燃料电池的热电联供系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于燃料电池的热电联供系统，特别适用于小型分布式燃料电池热电联供系统。
背景技术：
热电联供系统可以很好地满足居民单元、小型社区、商业或工业建筑、医院等公共场所对照明、电器设备、采暖和热水等的需求。与基于燃气内燃机、燃气外燃机、微型燃气轮机的分布式热电联供系统相比，基于燃料电池发电的分布式热电联供系统具有发电效率00-70%)和总效率(70-90%)高、污染物排放少(CO2减排约40%，基本不产生NOx等污染物)、规模适应性强以及原料适应性强等优点。随着氢能及燃料电池技术的不断进步， 基于燃料电池技术的热电联供系统正逐渐成为分布式热电联供新的重要发展方向。燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电极反应直接转化为电能的发电装置，能量转换效率高，对环境污染小。质子交换膜燃料电池(PEMFC)以氢为燃料，具有能量密度高，不使用流动的、腐蚀性的电解质，结构简单等优点。由于纯氢价格高、 安全性差、输送储存及加注困难，使用纯氢必然限制了燃料电池的规模应用。因此通过现有的化石燃料的储运加注设施，利用燃料重整制氢的方式与PEMFC联合使用成为当前国际上的通用方法。重整制氢系统将含氢化合物转换为含氢的重整气，由于PEMFC燃料电池对含氢重整气的质量要求高，必须将有害杂质(如CO)的含量降至20ppm以下，然后将此含氢混合气体输送至燃料电池的阳极，同时在燃料电池阴极通入相应量的空气。通常情况下，燃料电池不能完全消耗掉重整气中所有的氢气，剩余的氢气则和燃料电池中反应后的气体经过一定的换热装置回收部分热量后排放出燃料电池。未反应的氢气和相应量的空气一起通过催化燃烧催化剂，将所有的氢气转化为水，同时回收相关的热量。
发明内容
本发明的技术任务是针对现有技术的不足，提供一种设计合理、节能环保的热电联供系统。本发明采用的技术方案是一、将重整制氢系统和燃料电池高效集成；二、合理匹配不同系统间的吸放热过程，提高热电联供系统的能量效率；三、充分回收利用燃料电池的阳极尾气，通过催化燃烧技术并结合相应结构的换热装置回收部分热量；四、结合换热装置和催化燃烧装置的优化设计，合理布置这些装置在全系统流程中的位置，可以灵活调节热电联供系统的热电比例。本发明具体提供了一种基于燃料电池的热电联供系统，其特征在于所述系统由燃料电池发电系统、重整制氢系统和热量回收利用系统组成，反应原料进入重整制氢系统产生含氢混合气体，混合气体进入燃料电池，通过电极反应将含氢混合气中的化学能转化为电能，同时通过热量回收利用系统生产热水、气或冷水，在进行电力供应的同时，向用户提供热/冷供应。
本发明提供的热电联供系统，其特征在于所述燃料电池的阳极尾气和阴极尾气进入热量回收利用系统，在热量回收利用系统内通过氢和氧的催化燃烧反应放出热量，通过换热器利用催化燃烧放出的热预热、气化重整原料或产生蒸汽，换热后的燃烧尾气还可以为用户供暖。本发明提供的热电联供系统，其特征在于热电联供系统提供的热水有两个来源， 一是来自于重整制氢系统，一是来自于燃料电池发电系统，重整制氢系统和燃料电池系统内发生的化学反应均为放热反应，通过换热器，利用循环水从这两个系统获取相应的热水， 热水储存在热水箱内，热水箱上设有不同的热水出口。本发明提供的热电联供系统，其特征在于与燃料电池发电系统连接的物料管路， 采用绝缘管路，保证其它子系统和燃料电池系统之间的绝缘连接。本发明提供的热电联供系统，其特征在于重整制氢的原料为醇类及烃类的含氢化合物，如甲醇、乙醇、甲烷、天然气、城市煤气、液化气。燃料电池可以使用质子交换膜燃料电池或固体氧化物燃料电池。本发明提供的热电联供系统，其特征在于所述热电联供系统供的热和电的比例可以根据要求调节，热电比例的范围为0. 5:1-11:1。该系统可应用于居民单元、小型社区、商业或工业建筑、医院等公共场所对照明、电器设备、采暖和热水等的需求，特别适用于 l-200kff的小型分布式燃料电池热电联供系统。基于燃料电池的热电联供系统与大电网供电的合理结合，被全球能源、电力专家认为是投资省、能耗低、可靠性高的灵活能源系统，是二十一世纪电力工业的发展方向。
图1是基于燃料电池的热电联供系统的流程示意图； 图2是本发明的热电联供系统实验运行结果。
具体实施例方式实施例1
本实施例中的原料以城市中的管道天然气为例，其设计总功率为10kw。如图1所示的基于燃料电池的热电联供系统，实施例中的燃料电池采用质子交换膜燃料电池，管道天然气和水首先经换热器11进入重整制氢系统12，在重整制氢系统12内，天然气和水转化为含氢的混合气体，并通过CO变换反应、选择氧化等一系列反应将重整产生的混合气中的CO 浓度降低到20ppm以下。净化后的重整气经绝缘管道13进入质子交换膜燃料电池14的阳极，同时在质子交换膜燃料电池14的阴极通入相应量的空气，氢氧经过电极反应转化为电能后经DC/AC变换器15变换为合适的电压供用电用户16使用。质子交换膜燃料电池14 不能完全消耗掉重整气中所有的氢气，剩余的氢气和质子交换膜燃料电池14阴极未反应掉的空气进入到热量回收器17，在热量回收器17内，氢气和氧气在催化剂的表面进行催化燃烧反应，同时放出大量的热，反应后的高温气体可以通过高温换热器18产生部分蒸汽， 蒸汽由接口 Ia排出供用户使用，也可以将高温燃烧尾气通过换热器11与重整原料进行换热，使得重整原料在进入重整系统12前就得到很好的预热，同时经过换热器11换热后的燃烧尾气还可以给用户提供相应的暖气等供暖服务19，最终燃烧尾气以接近室温的温度由出口 Ib排出系统。 按上述设计方案设计制造的基于燃料电池的热电联供系统的电功率输出情况如图2所示，将与电功率输出相当的热输出考虑在内，系统总功率超过了 10kW，本发明完全达到设计要求。
权利要求
1.一种基于燃料电池的热电联供系统，其特征在于所述系统由燃料电池发电系统、 重整制氢系统和热量回收利用系统组成，反应原料进入重整制氢系统产生含氢混合气体， 混合气体进入燃料电池，通过电极反应将含氢混合气中的化学能转化为电能，同时通过热量回收利用系统生产热水、气或冷水。
2.按照权利要求1所述的热电联供系统，其特征在于所述燃料电池的阳极尾气和阴极尾气进入热量回收利用系统，在热量回收利用系统内通过氢和氧的催化燃烧反应放出热量，通过换热器利用催化燃烧放出的热预热、气化重整原料或产生蒸汽，换热后的燃烧尾气为用户供暖。
3.按照权利要求1所述的热电联供系统，其特征在于热电联供系统提供的热水有两个来源，一是来自于重整制氢系统，一是来自于燃料电池发电系统，通过换热器，利用循环水从这两个系统获取相应的热水，热水储存在热水箱内，热水箱上设有不同的热水出口。
4.按照权利要求1所述的热电联供系统，其特征在于与燃料电池发电系统连接的物料管路，采用绝缘管路。
5.按照权利要求1所述的热电联供系统，其特征在于重整制氢的原料为醇类及烃类的含氢化合物。
6.按照权利要求5所述的热电联供系统，其特征在于重整制氢的原料为甲醇、乙醇、 甲烷、天然气、城市煤气、液化气。
7.按照权利要求1所述的热电联供系统，其特征在于燃料电池为质子交换膜燃料电池或固体氧化物燃料电池。
8.按照权利要求1所述的热电联供系统，其特征在于所述热电联供系统可应用于居民单元、小型社区、商业或工业建筑、医院等公共场所对照明、电器设备、采暖和热水等的需求，特别适用于l_200kW的小型分布式燃料电池热电联供系统。
9.按照权利要求1所述的热电联供系统，其特征在于所述热电联供系统提供的热和电的比例可以根据要求调节，热电比例的范围为0. 5:1-11:1。
全文摘要
本发明涉及一种基于燃料电池的热电联供系统，整个系统包括燃料电池发电系统、重整制氢系统和热量回收利用系统，反应原料进入重整制氢系统产生含氢混合气体，混合气体进入燃料电池，通过电极反应将含氢混合气中的化学能直接转化为电能，同时通过热量回收利用系统生产热水、气或冷水，在进行电力供应的同时，向用户提供热/冷供应。
文档编号H01M8/04GK102544549SQ20101058722
公开日2012年7月4日 申请日期2010年12月14日 优先权日2010年12月14日
发明者倪长军, 张骋, 曹磊, 潘立卫, 王树东, 袁中山 申请人:中国科学院大连化学物理研究所