高温质子交换膜燃料电池冷热电三联供系统及其工作方法与流程

本公开涉及高温质子交换膜燃料电池技术领域，具体涉及一种高温质子交换膜燃料电池冷热电三联供系统及其工作方法。

背景技术：

由于低温质子交换膜燃料电池(lt-pemfc)的工作温度(60℃-80℃)的限制，使得产生的水中存在的液态水会有可能造成膜“水淹”的可能，这会导致反应气体的传输受到阻碍，大大影响燃料电池的性能，同时，对于水管理系统就会比较复杂，所需空间就会增大。而且，lt-pemfc催化剂对于co耐受性低，因而co的存在会对电池的性能产生比较明显且不利的影响。于是，为了克服以上缺点，高温质子交换膜燃料电池(ht-pemfc)，应运而生，其工作温度为140℃-200℃。

对于ht-pemfc，由于其工作温度的提升，不仅由于生成的水以水蒸气形态排出，避免了膜“水淹”现象、简化了水管理设备，同时提高了电极反应的活性，加快了反应速度，提高了比功率；而且工作温度的提高，催化剂对于co的耐受性得以提高，提高了燃料电池系统性能和寿命，同时对于重整制气系统就可以免除一部分置换反应系统和co优先氧化系统，大大简化了设备；不仅如此，ht-pemfc的冷却液与环境的温差更大，因此余热利用更加可行、效率更加高。

因为ht-pemfc工作温度较高，因而在此系统中将冷却液的余热加以利用，来提高整个系统的能源利用效率。将这些余热分别用来进行发电、供热和制冷，并且可用于实际情况，可进行发电制冷等的比例调控，从而达到能源的合理分配利用。根据ht-pemfc功能特性及余热三联供的特点等使其非常适合于商场、写字楼、居民区等区域。

现有燃料电池冷热电联供系统主要有基于高温燃料电池的冷热电联供系统，如熔融碳酸盐燃料电池冷热电联供系统、固体氧化物燃料电池冷热电联供系统等；中温燃料电池冷热电联供系统，如太阳能燃料电池冷热电联供系统等；中低温/低温燃料电池冷热电联供系统，如磷酸燃料电池冷热电联供系统、碱性燃料电池冷热电联供系统、质子交换膜燃料冷热电联供系统等。

发明人在研发过程中发现，虽然高温与中温燃料电池的冷热电三联供总效率很高，但由于其设备繁多、操作温度过高，其并不适用于居民区和商场等区域。而在低温燃料电池中，应用最广、前景最好的低温质子交换膜燃料电池，却由于其运行温度低，对其本身电池性能产生不利影响的同时还使得一部分低温余热无法有效利用而直接排出。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本公开提供了一种高温质子交换膜燃料电池冷热电三联供系统及其工作方法，不仅提高了电池本身发电性能，同时在住宅或商场等场所余热能与冷热系统很好的耦合，余热被提高了品质从而也能更加高效的利用。

本公开一方面提供的一种高温质子交换膜燃料电池冷热电三联供系统的技术方案是：

一种高温质子交换膜燃料电池冷热电三联供系统，该系统包括燃料电池、用于给燃料电池提供燃料气体的燃料制气系统、用于冷却燃料电池的燃料电池冷却系统、用于回收制冷剂余热产生电能的有机朗肯循环发电系统以及吸收式制冷系统；

所述燃料制气系统包括蒸汽发生器ⅰ、重整器、燃烧器、换热器ⅰ、置换器、换热器ⅱ和除水器；天然气经压缩机压缩后分为两部分，一部分进入燃烧器，一部分进入重整器，天然气和蒸汽发生器输出的过量水蒸气在重整器内发生重整，重整器排出的气体经换热器ⅰ换热和置换器置换后得到燃料气体，燃料气体经除水器分离后，通入燃料电池阳极，燃料电池阳极反应产生的气体进入燃烧器；

所述燃料电池冷却系统包括分流器、合流器ⅰ、节温器、散热器和储液器，流经燃料电池的制冷剂经过泵送至分流器，分流器将冷却剂分为多部分，一部分进入有机朗肯循环发电系统，另一部分进入吸收式制冷系统；经有机朗肯循环发电系统和吸收式制冷系统换热后两部分制冷剂经合流器合流；合流后的制冷剂经过节温器控温后进入散热器或储液罐，储液罐将制冷剂送入燃料电池。

本公开另一方面提供的一种高温质子交换膜燃料电池冷热电三联供系统的工作方法的技术方案是：

一种如上所述的高温质子交换膜燃料电池冷热电三联供系统的工作方法，该方法包括以下步骤：

天然气经过压缩机压缩后分为两部分，一部分进入燃烧器，一部分进入重整器；进入燃烧器的天然气与经空压机压缩的空气在燃烧器中进行燃烧为重整器提供蒸汽重整所需的热量和温度；进入重整器的天然气和蒸汽发生器输出的过量水蒸气发生蒸汽重整产生co和h2；重整器排出的气体经过换热器ⅰ换热后进入置换器中，通过co和水蒸气的置换反应将co置换为co2，产生h2后，经过换热器ⅱ将置换器置换后气体进一步降温至燃料电池工作温度，经过除水器分离出过量的水蒸气后的气体通入燃料电池阳极进行反应；

燃料电池阳极产生的气体进入燃烧器燃烧，经过空压机压缩后的空气经过空气预热器换热后进入燃料电池的阴极发生电化学反应，燃料电池阴极产生的气体经过空气预热器换热升温后，经换热器ⅲ与供热水进行换热，将气体排出系统；燃料电池产生的直流电通过dc-ac转换器向外输出电能；

除水器分离出来的水蒸气与燃料电池阴极产生的水蒸气混合后通过泵加压成液态水经过换热器ⅰ和换热器ⅱ两次换热后进入蒸汽发生器ⅰ，蒸汽发生器ⅰ中产生水蒸汽再进入重整器中参与重整反应；

有机工质经过蒸气发生器ⅱ回收制冷剂的余热后产生蒸气，蒸气进入透平做功产生电能，蒸气发生器ⅱ的排气经回热器ⅰ换热后进入冷凝器ⅰ冷凝，再经泵压缩进入回热器ⅰ换热，换热后再进入蒸气发生器ⅱ回收冷却剂余热。

通过上述技术方案，本公开的有益效果是：

(1)本公开的余热利用分为发电和制冷、或发电和供热，并且这两部分的负荷大小可通过分流器调节流量大小；比如夏季商场、写字楼等小规模局域发电时，该系统就可以通过分流器和阀门的控制选择为写字楼供电，同时为其制冷；冬季时，为其发电和供热；并且可以通过分流器调节进入发电和制冷或供热的大小，不仅可以满足季节变化所需要的负荷变化，而且可以满足一天中对于用电、制冷或供热负荷的变化。

(2)本公开的制冷剂通过节温器对流体温度的控制，选择性的进入之后的管路，如果制冷剂温度高于所需温度则进入有散热器的一路进行冷却，通过储液罐进入燃料电池；若流体温度合适，则通过另一路管路进入储液罐再进入燃料电池，实现了冷却剂温度的准确控制。

(3)本公开的燃料电池阴极产生的水可用于重整反应，系统无需额外水供应；利用了lng对有机朗肯循环工质进行了冷却，提高了发电系统的发电效率；同时与吸收式制冷共同冷却商场、写字楼、居民楼等提高了制冷效率的同时使得制冷负荷也变得更加灵活可调。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本公开的不当限定。

图1是实施例一高温质子交换膜燃料电池冷热电三联供系统的结构图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本公开使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

本实施例提供一种高温质子交换膜燃料电池冷热电三联供系统，请参阅附图1，该系统包括燃料制气系统、燃料电池系统、燃料电池冷却系统、有机朗肯循环发电系统、制冷系统和供热系统。

具体地，所述燃料制气系统包括蒸汽发生器ⅰ、重整器、燃烧器、换热器ⅰ、置换器、换热器ⅱ、除水器、压缩机和泵ⅰ。

所述压缩机的输入端与天然气供气管道连接，输出端分别与重整器和燃烧器的进气口连接，所述燃烧器的进气口还与空压机连接，所述蒸汽发生器ⅰ的出气口与重整器的进气口连接，所述重整器的出气口与换热器ⅰ连接，所述换热器ⅰ的出气口与置换器的进气口连接，所述置换器的出气口与换热器ⅱ连接，所述换热器ⅱ的出气口与除水器连接，所述除水器的出气口与燃料电池阳极连；所述除水器的出气口还通过泵ⅰ与换热器ⅱ连接，所述换热器ⅱ的出气口还与换热器ⅰ连接，所述换热器ⅰ的出气口还与蒸汽发生器ⅰ的进气口连接。

本实施例提出的燃料制气系统的工作过程为：

对于燃料电池燃料中氢气的来源一般使用烷烃类燃料重整得到，如图1所示，天然气(90％以上甲烷含量)经过压缩机压缩后分为两部分，一部分进入燃烧器，一部分进入重整器；进入燃烧器的天然气与经空压机压缩的空气在燃烧器中进行燃烧为重整器提供蒸汽重整所需的热量和温度，排气经过蒸汽发生器ⅰ为其提供所需热量后，再经过换热器ⅰ换热可进行供热，之后排气排出系统；而进入重整器的天然气和由蒸汽发生器而来的过量水蒸气发生蒸汽重整(重整反应为800℃左右高温吸热反应)产生co和h2。从重整器排出的气体(co、h2、co2和水蒸气)经过换热器ⅰ换热降温后进入置换器中，通过co和水蒸气的置换反应将co置换为co2，同时进一步产生h2之后排气再通过换热器ⅱ将置换后气体(co2、h2、水蒸气和少量co)进一步降温至燃料电池工作温度，最后在进入燃料电池之前用除水器将过量的水蒸气进行分离，分离后的燃料气体(h2、co2和少量co)通入燃料电池阳极进行反应；而分离出来的水蒸气与燃料电池阴极产生的水蒸气混合后通过泵ⅰ加压成液态水经过换热器ⅰ和换热器ⅱ两次换热后进入蒸汽发生器ⅰ中产生蒸汽，再进入重整器中参与重整反应，如此往复。

具体地，所述燃料电池系统包括ht-pemfc燃料电池、dc-ac转换器、空气预热器、空压机和水分离器。

所述ht-pemfc燃料电池的阳极进气端与燃料制气系统的除水器出气口连接；所述ht-pemfc燃料电池的阳极排气端与燃料制气系统的燃烧器连接；所述dc-ac转换器与ht-pemfc燃料电池连接，用于向外输出电能；所述空气预热器的进气口与空压机连接，所述空气预热器的出气口与ht-pemfc燃料电池的阴极进气端连接，所述ht-pemfc燃料电池的阴极排气端与空气预热器连接，所述空气预热器的出气口还与换热器ⅲ连接；所述换热器ⅲ还连接换热器ⅳ，所述换热器ⅳ连接供水管道。

本实施例提出的燃料电池系统的工作过程为：

阳极：燃料制气系统产生的混合气体(h2、co2和少量co)进入燃料电池的阳极发生电化学反应之后，燃料电池的阳极排气(co2、过量的h2等)再进入燃烧器燃烧，这样可以减少天然气的使用量，节约了燃料。

阴极：经过空压机压缩后的空气经过空气预热器换热降温后进入燃料电池的阴极发生电化学反应，燃料电池的阴极排气经过空气预热器换热升温后，经换热器ⅲ与供热水进行换热，再将排气排出系统。

燃料电池产生的直流电通过dc-ac转换器向外输出电能。

具体地，所述燃料电池冷却系统包括分流器、合流器ⅰ、节温器、散热器、储液器和泵ⅱ。

所述泵ⅱ的一端与燃料电池的制冷剂输出端连接，另一端与分流器的输入端连接，所述分流器的输出端分别与有机朗肯循环发电系统、吸收式制冷系统、换热器ⅳ连接；所述合流器ⅰ的输入端分别与有机朗肯循环发电系统、换热器ⅳ连接，所述合流器ⅰ的输出端与节温器连接，所述节温器的输出端分别与散热器和储液罐连接，所述储液罐与燃料电池连接。

本实施例提出的燃料电池冷却系统的工作方法为：

制冷剂通过燃料电池将热量带走经过泵ⅱ送至分流器，之后冷却剂分为两部分或三部分，两部分还是三部分是根据后面发电系统和制冷系统或供热系统的总负荷是否与燃料电池冷却负荷匹配，若通过调节这两部分比例两部分负荷可完全匹配则为两股，若冷却负荷多余则分为三部分；一部分进入有机朗肯循环发电系统作为热源，另一部分根据季节或用户需要进入吸收式制冷系统作为热源或者进入换热器ⅳ与水进行换热用于供热，还有一部分是当冷却负荷多余时直接将多余的冷却负荷送入之后散热器散热；两部分制冷剂换热后经合流器合流为一部分或再与第三部分合为一部分；随后制冷剂通过节温器对流体温度的控制，选择性的进入之后的管路，如果制冷剂温度高于所需温度则进入有散热器的一路进行冷却，通过储液罐进入燃料电池；若流体温度合适，则通过另一路管路进入储液罐再进入燃料电池。流出燃料电池的制冷剂通过循环泵送至分流器，如此往复形成一个制冷剂冷却循环回路。

具体地，所述有机朗肯循环发电系统包括用于余热回收的蒸气发生器ⅱ、透平机、回热器、冷凝器ⅰ和泵ⅲ。

所述蒸气发生器ⅱ的一输入端通过泵与燃料电池冷却系统的分流器连接，所述蒸气发生器ⅱ的一输出端与燃料电池冷却系统的合流器连接；所述蒸气发生器ⅱ的另一输入端与回热器的一输出端连接，所述蒸气发生器ⅱ的另一输出端连接透平机，所述透平机的输出端连接回热器ⅰ，所述回热器ⅰ的另一输出端连接冷凝器ⅰ，所述冷凝器ⅰ的输出端经过泵ⅲ连接回热器；所述冷凝器的输出端还连接制冷系统。

本实施例提出的有机朗肯循环发电系统的工作过程为：

有机工质经过蒸气发生器ⅱ回收制冷剂的余热后产生蒸气，蒸气进入透平做功产生机械能进而产生电能，排气经回热器ⅰ换热后进入冷凝器ⅰ冷凝，再经泵ⅲ压缩后进入回热器ⅰ，经回热器ⅰ换热后再进入蒸气发生器ⅱ回收冷却剂余热，如此往复，不断回收余热产生电能。

具体地，所述制冷系统包括吸收式制冷系统和空调制冷机系统；其中：

所述吸收式制冷循环包括蒸汽发生器ⅲ、精馏器、冷凝器ⅱ、节流阀、回热器ⅱ、蒸发器、吸收器、阀门以及泵ⅳ。

所述吸收器的输入端连接冷凝器和蒸发器的输出端，所述吸收器的输出端经泵ⅳ连接回热器ⅱ的一输入端，所述回热器ⅱ的一输出端连接蒸汽发生器ⅲ，所述蒸汽发生器ⅲ的顶部输入口连接分流器，顶部输出口连接合流器；所述蒸汽发生器ⅲ的底部输出口连接回热器ⅱ，所述回热器ⅱ还通过节流阀与吸收器连接；所述精馏器的进口连接蒸汽发生器ⅲ，所述精馏器的出口连接冷凝器，所述冷凝器的一输出端经节流阀与连接蒸发器，所述冷凝器的另一输出端连接空调制冷机系统。

所述空调制冷机系统包括空调制冷机。

本实施例提出的制冷系统的工作过程为：

对于吸收式制冷系统，当吸收式制冷系统的阀门打开(供热阀门关闭时)，从吸收器出来的基础工作液，经泵ⅳ加压后先进入回热器ⅱ换热，然后在蒸汽发生器ⅲ中被燃料电池制冷剂加热；经蒸汽发生器ⅲ加热所产生的饱和蒸气进入精馏塔内进行精馏，塔顶得到高浓度的饱和蒸气，塔底得到稀饱和溶液；从蒸汽发生器ⅲ底部排出的稀溶液先经回热器ⅱ换热，然后经节流阀节流后进入吸收器内，吸收来自蒸发器内的蒸气；精馏器出口的高纯度蒸气进入冷凝器ⅱ被冷凝成饱和溶液，然后经节流阀节流后进入蒸发器内蒸发制冷；蒸发器出口的蒸气进入吸收器内被稀溶液吸收，从而完成一个循环过程。

对于空调制冷机系统，用冷却完朗肯循环的lng对空调制冷机系统的工质进行冷却。同时lng冷却的加入也可以使吸收式制冷系统的负荷变得更加灵活可调。

具体地，所述供热系统包括三段换热器ⅴ，所述换热器ⅴ分别连接用于燃料电池冷却液换热的换热器ⅳ、用于燃料电池阴极排气换热的换热器ⅲ以及用于重整器排气换热的蒸汽发生器ⅰ。

对于供热阀门打开时(制冷阀门关闭)，一定量供热水先经过换热器ⅳ与冷却液换热升温后，再经过换热器ⅲ与燃料电池阴极排气再次升温，最后与重整器排气换热升温后供给用户所需热量。

本实施例提出的燃料制气系统还包括合流器ⅱ和合流器ⅲ，所说合流器ⅱ的入口连接天然气管道和空调制冷机，所说合流器ⅱ的出口连接压缩机；所述合流器ⅲ的入口连接除水器和水分分离器。

实施例二

本实施例提供一种高温质子交换膜燃料电池冷热电三联供系统的工作方法，该方法是基于实施例一所述的高温质子交换膜燃料电池冷热电三联供系统实现的。该方法包括以下步骤：

天然气(90％以上甲烷含量)经过压缩机压缩后分为两部分，一部分进入燃烧器，一部分进入重整器；进入燃烧器的天然气与经空压机压缩的空气在燃烧器中进行燃烧为重整器提供蒸汽重整所需的热量和温度；进入重整器的天然气和由蒸汽发生器而来的过量水蒸气发生蒸汽重整产生co和h2；重整器排出的气体(co、h2、co2和水蒸气)经过换热器ⅰ换热降温后进入置换器中，通过co和水蒸气的置换反应将co置换为co2，同时进一步产生h2之后，经过换热器ⅱ将置换器置换后气体(co2、h2、水蒸气和少量co)进一步降温至燃料电池工作温度，经过除水器分离出过量的水蒸气后的燃料气体(h2、co2和少量co)通入燃料电池阳极进行反应。

混合气体(h2、co2和少量co)进入燃料电池的阳极发生电化学反应之后，燃料电池的阳极排气(co2、过量的h2等)再进入燃烧器燃烧，经过空压机压缩后的空气经过空气预热器换热降温后进入燃料电池的阴极发生电化学反应，燃料电池的阴极排气经过空气预热器换热升温后，经换热器ⅲ与供热水进行换热，再将排气排出系统；燃料电池产生的直流电通过dc-ac转换器向外输出电能。

除水器分离出来的水蒸气与燃料电池阴极产生的水蒸气混合后通过泵ⅰ加压成液态水经过换热器ⅰ和换热器ⅱ两次换热后进入蒸汽发生器ⅰ中产生水蒸汽，再进入重整器中参与重整反应。

流经燃料电池的制冷剂经过泵ⅱ送至分流器，之后冷却剂分为两部分或三部分，一部分进入有机朗肯循环发电系统作为热源，另一部分根据季节或用户需要进入吸收式制冷系统作为热源或者进入换热器ⅳ与水进行换热用于供热，还有一部分是当冷却负荷多余时直接将多余的冷却负荷送入之后散热器散热；两部分制冷剂换热后经合流器合流为一部分；随后制冷剂通过节温器对流体温度的控制，选择性的进入之后的管路，如果制冷剂温度高于所需温度则进入有散热器的一路进行冷却，通过储液罐进入燃料电池；若流体温度合适，则通过另一路管路进入储液罐再进入燃料电池。

有机工质经过蒸气发生器ⅱ回收制冷剂的余热后产生蒸气，蒸气进入透平做功产生机械能进而产生电能，蒸气发生器ⅱ的排气经回热器ⅰ换热后进入冷凝器ⅰ冷凝，再经泵ⅲ压缩进入回热器ⅰ，换热后再进入蒸气发生器ⅱ回收冷却剂余热。

当吸收式制冷系统的阀门打开，供热阀门关闭时，从吸收器出来的基础工作液，经泵ⅳ加压后先进入回热器ⅱ换热，然后在蒸汽发生器ⅲ中被燃料电池制冷剂加热；经蒸汽发生器ⅲ加热所产生的饱和蒸气进入精馏塔内进行精馏，塔顶得到高浓度的饱和蒸气，塔底得到稀饱和溶液；从蒸汽发生器ⅲ底部排出的稀溶液先经回热器ⅱ换热，然后经节流阀节流后进入吸收器内，吸收来自蒸发器内的蒸气；精馏器出口的高纯度蒸气进入冷凝器ⅱ被冷凝成饱和溶液，饱和溶液一部分经节流阀节流后进入蒸发器内蒸发制冷，蒸发器出口的蒸气进入吸收器内被稀溶液吸收；饱和溶液另一部分流入空调制冷机对其工质进行制冷。

当供热阀门打开，制冷阀门关闭时，一定量供热水先经过换热器ⅳ与冷却液换热升温后，再经过换热器ⅲ与燃料电池阴极排气再次升温，最后与重整器排气换热升温后供给用户所需热量。

从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：

(1)余热利用分为发电和制冷、或发电和供热，并且这两部分的负荷大小可通过分流器调节流量大小；比如夏季商场、写字楼等小规模局域发电时，该系统就可以通过分流器和阀门的控制选择为写字楼供电，同时为其制冷；冬季时，为其发电和供热；并且可以通过分流器调节进入发电和制冷或供热的大小，不仅可以满足季节变化所需要的负荷变化，而且可以满足一天中对于用电、制冷或供热负荷的变化。

(2)制冷剂通过节温器对流体温度的控制，选择性的进入之后的管路，如果制冷剂温度高于所需温度则进入有散热器的一路进行冷却，通过储液罐进入燃料电池；若流体温度合适，则通过另一路管路进入储液罐再进入燃料电池，实现了冷却剂温度的准确控制。

(3)燃料电池阴极产生的水可用于重整反应，系统无需额外水供应；利用了lng对有机朗肯循环工质进行了冷却，提高了发电系统的发电效率；同时与吸收式制冷共同冷却商场、写字楼、居民楼等提高了制冷效率的同时使得制冷负荷也变得更加灵活可调。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。