一种一体式可逆燃料电池系统的制作方法

本发明涉及燃料电池系统，尤其是涉及一种一体式可逆燃料电池系统。

背景技术：

氢储能技术被认为是智能电网和可再生能源发电规模化发展的重要支撑，并日趋成为多个国家能源科技创新和产业支持的焦点。

燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置，燃料电池通常由多个电池单元构成，每个电池单元包括两个电极(阳极和阴极)，该两个电极被电解质元件隔开，并且彼此串联地组装，形成燃料电池堆。通过给每个电极供给适当的反应物，即给一个电极供给燃料而另一个供给氧化剂，实现电化学反应，从而在电机之间形成电位差，并且因此产生电能。

可逆燃料电池(RFC)是一种将电解水制氢技术与氢氧燃料电池发电技术相结合的可充放储能电池，即2H₂O+电能→2H₂+O₂的正、逆过程得以循环进行。氢氧燃料电池发电系统的活性物质纯氢和纯氧可通过电解水制氢技术得以“再生”，从而起到储能作用。可逆燃料电池与目前应用的二次蓄电池相比，具有更高的比能量及比功率，特别是可实现更高的储能容量，且使用中无自放电，也不受放电深度及电池容量的限制等，是一种具有广阔发展前景的新型大容量电力储能电池。

可逆燃料电池可实现燃料电池模式和电解模式的双模式工作，将水电解制氢系统和燃料电池发电系统整合为一个可逆燃料电池系统，简化了储能装置的系统结构，提高了系统的可靠性和系统比能量。可逆燃料电池按电解质特性可分为碱性氢氧可逆燃料电池、质子交换膜氢氧可逆燃料电池和固体氧化物氢氧可逆燃料电池。

中国专利CN 102185327 A公开了一种基于可逆燃料电池的大容量电力储能装置，该装置包括：AC/DC变换系统(III)，将需要储存的电能由交流转化为直流；可逆燃料电池系统(IV)，通过电解运行模式即充电过程将转化后的直流电能转换为化学能纯氢和纯氧，通过发电运行模式即放电过程将化学能转换为电能；DC/AC变换系统(VII)，将可逆燃料电池系统(IV)放电过程转换的电能转化为交流后并入电网；控制系统(X)，根据电网负荷控制可逆燃料电池系统(IV)的充放电；储氢系统(V)，储存充电过程中生成的氢气并供放电过程使用；储氧系统(VI)，储存充电过程中生成的氧气并供放电过程使用；储水系统(IX)，储存放电过程产生的水并供充电过程使用。但是该发明并没有涉及系统布局设置细节，具体实施还有待考虑。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种一体式可逆燃料电池系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一体式可逆燃料电池系统，该系统包括单体双功能燃料电池制氢发电电堆，氢气循环模块，氧气循环模块和水循环模块，单体双功能燃料电池制氢发电电堆简称燃料电池电堆，所述的燃料电池电堆包括多个依次叠加的单电池以及氢气进出口、氧气进出口和冷却流体进出口，所述的单电池包括导电板和膜电极，所述的氢气循环模块连接燃料电池电堆的氢气进出口，所述的氧气循环模块连接燃料电池电堆的氧气进出口，所述的水循环模块连接燃料电池电堆的冷却流体进出口，所述的系统正向过程使用氢氧气体进行发电，反向过程进行电解水制氢；

正向发电时，氢气循环模块和氧气循环模块分别为燃料电池电堆提供氢气和氧气，并通过水循环模块为燃料电池电堆提供冷却水，通过导电板将所得电能输出；反向电解水制氢时，水循环模块为燃料电池电堆提供电解水原料，通过导电板外接电源，将电能引入燃料电池电堆电解水，制得的氢气和氧气分别通过氢气循环模块和氧气循环模块储存。

所述的氢气循环模块包括氢气气水分离装置、氢气储气装置和氢气循环管道，所述的氢气储气装置通过氢气循环管道依次连接燃料电池电堆和氢气气水分离装置，再返回连接至氢气储气装置，构成回路；其中氢气气水分离装置还通过一分支管道连接至燃料电池电堆氢气入口。

正向发电时，氢气由氢气储气装置通过循环管道输送至燃料电池电堆氢气入口，进入燃料电池电堆，氢气在燃料电池电堆参与发电后，剩余氢气与水蒸气一起经燃料电池电堆氢气出口送至氢气气水分离装置，分离出的氢气返回燃料电池电堆的氢气入口，循环利用；

反向电解水制氢时，由导电板引入电能，将燃料电池电堆中的水电解，产生的氢气经燃料电池电堆氢气出口送出，通过氢气循环管道送至氢气气水分离装置，氢气气水分离装置分离出的氢气输送至氢气储气装置储存。

所述的氧气循环模块包括氧气气水分离装置、氧气储气装置和氧气循环管道，所述的氧气储气装置通过氧气循环管道依次连接燃料电池电堆和氧气气水分离装置，再返回连接至氧气储气装置，构成回路；其中氧气气水分离装置还通过一分支管道连接至燃料电池电堆氧气入口。

正向发电时，氧气由氧气储气装置通过氧气循环管道输送至燃料电池电堆的氧气入口，进入燃料电池电堆，氧气在燃料电池电堆参与发电后，剩余氧气与水蒸气混合物经燃料电池电堆氧气出口送至氧气气水分离装置，分离出的氧气再返回至燃料电池电堆的氧气入口，循环利用；

反向电解水制氢时，由导电板引入电能，电解水产生的氧气和水蒸气经燃料电池电堆氧气出口送出，通过氧气循环管道送至氧气气水分离装置，分离出的氧气输送至氧气储气装置储存。

所述的水循环模块包括第一水箱、热交换器和水循环管道，所述的第一水箱通过水循环管道依次连接氧气气水分离装置、热交换器、燃料电池电堆，再返回连接至氧气气水分离装置，最后再返回至第一水箱；所述第一水箱还通过水循环管道与氢气气水分离装置连接。

正向发电时，第一水箱中的水依次经过氧气气水分离装置、热交换器、送入燃料电池电堆对其进行冷却，再经燃料电池电堆冷却液体出口流出，经过氧气气水分离装置，返回第一水箱，构成冷却水循环；氢气气水分离装置和氧气气水分离装置分离出的水通过水循环管道输送至第一水箱；

反向电解水制氢时，第一水箱中的水经过氧气气水分离装置，再流经热交换器后，输入燃料电池电堆作为电解原料，电解后的剩余水通过燃料电池电堆冷却液体出口流出，经过氧气气水分离装置，返回第一水箱；电解后剩余水蒸气通过燃料电池电堆的氧气出口流出，经过氧气气水分离装置，返回第一水箱，循环利用。

所述氢气气水分离装置和氧气气水分离装置均包括冷凝装置和离心分离装置，所述冷凝装置对气体混合物中的水蒸气进行初步冷凝，所述离心分离装置对气液混合物进行进一步的分离。

所述的水循环模块具备冷却和供水两项功能，所述的氢气循环模块具备供氢和收集氢两项功能，所述的氧气循环模块具备供氧和收集氧两项功能。

反向电解水制氢过程使制得的氢气自带3～10MPa气压。

所述系统还设有氢氧压力平衡装置，氢氧压力平衡装置设于氢气气水分离装置通往氢气储气瓶的管道和氧气气水分离装置通往氧气储气瓶的管道之间，与两个管道分别连接，平衡两个管道间的压强。

氢气气水分离装置通往氢气储气瓶的管道上还设有氢气干燥器，氧气气水分离装置通往氧气储气瓶的管道上设有氧气干燥器，氢气干燥器和氧气干燥器分离后的水均送至低压水箱。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)系统中的水、氢气和氧气在整个系统中均进行循环回收，实现资源的有效利用，工艺环保，尤其是其中的水循环设置，将冷却水和电解用原料水以及燃料电池发电过程中的生成水均纳入水循环，有效减少水资源浪费；

2)气水分离装置中设置有冷凝器和离心分离器，使得水蒸气和氢气、氧气分离更彻底，有利于氢气和氧气的后期压缩储存再利用；

3)制氢过程本身会产生3-10MPa气压，不需对氢气进行再加压，节省工序；

4)第一水箱的设置可以补充系统循环过程中损失的水。

附图说明

图1为本发明一种一体式可逆燃料电池系统示意图；

图2为本发明可逆燃料电池电力电气控制系统具体结构示意图；

图3为本发明多功能容器具体结构示意图；

图中，

1.氢气储气瓶；2.氧气储气瓶；3.一体式可逆燃料电池电堆；4.氢气气水分离装置；5.低压水箱；6.多功能容器：氧气气水分离装置，冷却水和电解反应水箱，燃料电池发电产物水收集装置，水-氧压力平衡容器；7.热交换器；8.第一调压阀；9.第一隔离阀门；10.氢气环流风机；11.第二调压阀；12.电解水控制阀；13.循环水泵；14.氧气环流风机；15.第二隔离阀门；16.第三隔离阀门；17第四隔离阀门；18氧气干燥器；19.氢气干燥器；20.氢氧压力平衡子系统(电解)；21.第五隔离阀门；22.第一排水阀；23.电解补水泵；

24.可逆燃料电池电力电气控制系统；25.第六隔离阀门；26.第七隔离阀门；27.H₂脉宽调制控制阀；28.O₂脉宽调制控制阀；29.低压氢气储存容器；30.低压氧气储存容器；31氢气转移压缩机；32.氧气传送压缩机；33.第一单向阀；34.第二单向阀；35.第二排水阀；

101.燃料电池电力电子模块；102.电解电源模块；103.配套设施电源模块；104.系统控制模块；105.功率选择继电器；106.电池；

201.多功能容器分离部分；202.多功能容器水箱部分；203.多功能容器水位控制感应器；204.排水电磁阀选择开关(用于燃料电池发电过程)；205.供水泵选择开关(电解操作)；206.稳定水位保护缓冲器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

如图1所示的一体式可逆燃料电池系统示意图，该系统可以实现正向氢气发电，将化学能转化成电能，还可以实现反向电解水制氢，将电能转化成化学能，并且在进行正向发电和反向制氢时，不需要改变组成一体式可逆燃料电池电堆3的双极板和膜电极等硬件结构和双极板上的流道设置，正反向过程采用同一个燃料电池系统，整个系统设置简约，节约成本。

该系统主要包括一体式可逆燃料电池电堆3，氢气循环模块，氧气循环模块和水循环模块；所述的燃料电池电堆3包括多个依次叠加的单电池以及氢气进出口、氧气进出口和冷却流体进出口，所述的单电池包括导电板和膜电极，所述的氢气循环模块连接一体式可逆燃料电池电堆3的氢气进出口，所述的氧气循环模块连接一体式可逆燃料电池电堆3的氧气进出口，所述的水循环模块连接一体式可逆燃料电池电堆3的冷却流体进出口。

一体式可逆燃料电池电堆3，是实现正向发电和反向电解水制氢的核心组件，正向发电时将氢气和氧气的化学能转化为电能输出，反向电解水制氢时，导电板外接电源，电解水生成氢气，将电能转化成化学能；

氢气循环模块，将系统正向发电过程中的氢气收集并循环利用，反向电解水制氢时将制得的氢气储存起来；

氧气循环模块，将系统正向发电过程中的氧气收集并循环利用，反向电解水时将制得的氧气储存起来；

水循环模块，正向发电过程实现冷却水循环，并将氢气循环模块和氧气循环模块中分离出的水收集储存，反向电解水制氢时将系统储存的水和冷却水一同为电解过程提供原料。

具体设置如下：

如图1所示，所述的一体式可逆燃料电池电堆3包括多个依次叠加的单电池以及氢气进出口、氧气进出口和冷却流体进出口，所述的单电池包括导电板和膜电极，电堆连接可逆燃料电池电力电气控制系统24。

所述的氢气循环模块包括氢气气水分离装置4、氢气储气瓶1和氢气循环管道，所述的氢气气水分离装置4设有氢气入口和氢气出口，氢气储气瓶1通过氢气循环管道连接一体式可逆燃料电池电堆3的氢气入口，一体式可逆燃料电池电堆3的氢气出口连接氢气气水分离装置4的氢气入口，氢气气水分离装置4的氢气出口分为两路，其中一路连接氢气储气瓶1，另一路连接一体式可逆燃料电池电堆3的氢气入口。氢气循环管道上设有第一调压阀8、第一隔离阀门9、第五隔离阀门21、第六隔离阀门25和氢气环流风机10。

所述的氧气循环模块包括多功能容器(氧气气水分离装置)6、氧气储气瓶2和氧气循环管道，所述的氧气气水分离装置设有氧气入口和氧气出口，氧气储气瓶2通过氧气循环管道连接一体式可逆燃料电池电堆3的氧气入口，一体式可逆燃料电池电堆3的氧气出口连接氧气气水分离装置的氧气入口，氧气气水分离装置的氧气出口分为两路，其中一路连接氧气储气瓶2，另一路连接一体式可逆燃料电池电堆3的氧气入口。氧气循环管道上设有第二调压阀11、第二隔离阀门15、第三隔离阀门16、第四隔离阀门17、第七隔离阀门26和氧气环流风机14。

所述的水循环模块包括低压水箱5(即第一水箱)、多功能容器(冷却水和电解反应水箱)、热交换器7和水循环管道，所述的低压水箱5在第一低压水出口经过电解补水泵23连接多功能容器水箱部分，所述的多功能容器水箱部分202在第一高压水出口经排水阀22连接低压水箱。所述的多功能容器水箱部分202通过水循环管道依次连接热交换器、一体式可逆燃料电池电堆后再连至多功能容器。所述的氢气气水分离装置的水出口通过第二排水阀35连至低压水箱。同时氢气循环模块和氧气循环模块中的氢气干燥器19和氧气干燥器18的水出口也连至低压水箱5。水循环管道上设有循环水泵13。

所述的系统还设有氢氧压力平衡子系统20，电解水时，产生的氢气经氢气气水分离装置后送至氢气储气瓶，产生的氧气经氧气气水分离装置后送至氧气储气瓶，氢氧压力平衡子系统20设于氢气气水分离装置通往氢气储气瓶的管道和氧气气水分离装置通往氧气储气瓶的管道之间，与两个管道分别连接，用于电解水时，平衡氢气循环管道和氧气循环管道之间的压强，从而保护膜电极。

所述的氢气循环模块和氧气循环模块分别设有低压氢气储存容器29和低压氧气储存容器30，低压氢气储存容器29的入口通过H₂脉宽调制控制阀27连至氢气气水分离装置后的氢气循环管道，出口通过氢气转移压缩机31连至燃料电池电堆氢气入口；低压氧气储存容器30的入口通过O₂脉宽调制控制阀28连接氧气气水分离装置后的氧气循环管道，出口通过氧气传送压缩机连接燃料电池电堆氧气入口。

氧气循环管道和氢气循环管道上还设有第一单向阀33和第二单向阀34，可以使得电解循环开始时的系统平衡压力增加到的气体存储实际压力水平。

具体原理为：

如图1所示，电解时，电解反应水从所述的多功能容器水箱部分202出发依次经过循环水泵13以及电解水控制阀12供应到一体式可逆燃料电池电堆3的氧气入口，以供水进行电解反应产生氢气和氧气。如图3所示，冷却水也从所述的多功能容器水箱部分202经过循环水泵13提供至电堆水入口，与电解反应水流平行。系统控制模块104、配套设施电源模块103和电解电源模块102将电力适时地施加到一体式可逆燃料电池电堆3的阳极和阴极以驱动水电解，氢气和少量水从燃料电池电堆H₂出口端离开，而未反应的水和氧气从一体式可逆燃料电池电堆3的O₂出口端离开。液态水在氢气气水分离装置4中与H₂气体分离，并通过第二排水阀35排出到低压水箱5。O₂和未反应的水流进入多功能容器分离部分201，在这里气流与水分离。来自电堆水出口的冷却水流也进入多功能容器分离部分201。两种水流在重力下通过稳定水位保护缓冲器206周围的小间隙下落到多功能容器水箱部分202。两种气流O₂和H₂通过相应的氧气干燥器18和氢气干燥器19以及氢氧压力平衡子系统20(如果需要)，收集在相应的氧气储气瓶2和氢气储气瓶1中。

两个回路中建立压力平衡时，高压H₂和O₂气体空间的体积比大约为2:1。电解时，两种气体在各自气瓶中的压力随着电解过程的进行而持续增加。电解反应所需的水由多功能容器6内的水对其进行补充，同时多功能容器6由低压水箱为其补充新鲜水。如图3所示，电解补水泵23由多功能容器水位控制感应器203控制，即供水泵选择开关205在电解过程期间保持关闭。功率选择继电器(或接触器)105保持电堆与电解电源模块102连接。当两个气缸中的压力达到期望水平或者如果H₂和O₂之间的压力差超过压力差安全设计值时，系统控制模块104停止电解，比如压差为1.5bar，压差上限值取决于一体式可逆燃料电池电堆设计。进行膜干燥程序，直到电解消耗功率下降到低于设定点，例如：0.1％的额定功率。此时，第四隔离阀门17和第五隔离阀门21关闭，随后所有回路中的压力逐渐降低至所需值，例如：燃料电池操作压力。H₂脉宽调制控制阀27和O₂脉宽调制控制阀28可以使压力降低，将气体储存在低压氢气储存容器和低压氧气储存容器中，从而使得H₂和O₂之间的压力差保持在期望值以下，例如：0.5bar，压力差值应小于控制系统运行的压差安全设计值。压力降低过程中疏散的气体可以被排出或存储在低压氢气储存容器29和低压氧气储存容器30中。

电解结束后，所有阀关闭，所有泵停止工作，如图2所示，功率选择继电器105处于空挡位置或燃料电池状态位置。

发电时，来自氢气储气瓶1和氧气储气瓶2以及低压氢气储存容器29和低压氧气储存容器30(如果使用)的H₂和O₂反应气体在一体式可逆燃料电池电堆3中反应生成H₂O，完成发电。燃料电池操作配套施设组件激活，向客户提供电力。电池106提供启动电源，功率选择继电器105(或接触器)切换到燃料电池状态位置，电堆与燃料电池电力电子模块101连接。第四隔离阀门17和第五隔离阀门21保持关闭。氢气转移压缩机31和氧气传送压缩机32用于清空低压氢气储存容器29和低压氧气储存容器30，并使排出或净化的H₂和O₂返回到系统。来自氢气储气瓶1和氧气储气瓶2的反应气体的高压经第一调压阀8和第二调压阀11后调节到适应燃料电池的操作压力，例如，1.5bar。一体式可逆燃料电池电堆3出口出来的的未反应气体(100％的化学计量反应气体)移除电堆中产生的液态水。这些气流经过氢气气水分离装置4和多功能容器6(氧气气水分离装置)，分离出的水被排放到低压水箱5，排水电磁阀选择开关204在发电过程中闭合，同时气体经由氢气环流风机10和氧气环流风机14周期性地或连续性地再循环到一体式可逆燃料电池电堆气体入口。再循环气流在进入一体式可逆燃料电池电堆3之前与新鲜反应气体流混合。燃料电池操作结束后所有阀关闭，所有泵和压缩机停止，并且功率选择继电器105处于空挡或电解状态位置，如图2所示。这可以是下一个电解循环的起点，也可以做好长时间系统不启动的准备，将所有气体可以从H₂和O₂回路排出。

工艺流程中通过低压水箱5加水，用于补充在正向发电和反向电解水过程中的水消耗等情况。两个水回路(高压水回路和低压水回路)均用于电解和燃料电池过程中。高压水回路中，多功能容器水箱部分202中包含相对少量的水，电解期间的电解反应水通过电解补水泵23从低压水箱5补充至多功能容器水箱部分202。循环水泵13入口处的水压与多功能容器6中的电堆氧气出口压力自动平衡。同一个泵给两种操作模式分别提供热交换器7换热后的冷却水或加热后的电解反应水，电解水控制阀12打开之后给电解提供水。燃料电池操作模式反应产物水在多功能容器分离部分201中分离。多功能容器水箱部分202中的过量水经由第一排水阀22排放到低压水箱5。热交换器7用于冷却或加热。

氢气气水分离装置4和氧气气水分离装置6中均设置有冷凝装置和离心分离装置，所述冷凝装置对气液混合物中的水蒸气进行初步冷凝，所述离心分离装置对气液混合物进行进一步分离。

反向电解水制氢过程使制得的氢气自带3～10MPa气压，不必在制氢后再进行压缩，因此可以简化工艺。

电解补水泵23和第一排水阀22由氧气气水分离装置中的水位信号控制。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。