一種固定式的微型燃料電池熱電聯產裝置的熱控制系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于燃料電池熱電聯產系統、能量控制技術領域，具體涉及一種固定式的微型燃料電池熱電聯產裝置的熱控制系統。
【背景技術】
[0002]燃料電池熱電聯產裝置是使用碳氫類燃料(天然氣，沼氣等)經過燃料重整單元轉換成富氫重整混合氣后，將重整混合氣與空氣分別供給到燃料電池電堆的陽極和陰極，進而通過電化學反應產生直流電，并對重整反應過程中的熱量及電力生產過程中產生的熱量進行回收。
[0003]在燃料電池熱電聯產裝置中，從重整單元中得到的富氫混合氣流通常溫度較高150°C或更高，在進入燃料電池陽極之前必須冷卻至液化點和80°C之間，或者由電堆制造商設定的最大正常運行溫度。富氫混合氣流中的水蒸氣低于其露點溫度將開始凝結成液態水，這不利于燃料電池電堆的運行，甚至會對燃料電池電堆運行造成危害。當富氫混合氣流溫度超過80°C或燃料電池電堆制造商設定的最大正常運行溫度時，燃料電池的材料可能退化、失效甚至報廢。
[0004]燃料電池電堆正常運行發電時會產生余熱。為了保證電堆的正常運行，需要一個專用的冷卻回路將電堆中的廢熱迅速排出。該回路中液體栗將冷卻液輸送到電堆冷卻板中，冷卻液將廢熱帶出電堆。在這個過程中電堆廢熱導致冷卻液溫度升高。在冷卻液返回到液體栗之前，它需要被冷卻到一個合適的溫度，該溫度是由冷卻液的流速和所需移除的廢熱的量所決定的。
[0005]最后一個熱源來自陽極尾氣。該氣流從電堆陽極堆離開，它包含未使用的氫，液體水和水蒸汽，還有其它成分，如二氧化碳，甲烷和微量的一氧化碳。蒸汽冷凝時會釋放出大量的能量。幾乎在所有的設計中，該混合氣都被輸送到燃料重整單元中，并為吸熱的蒸汽重整反應提供熱量，提高系統的效率。冷卻陽極尾氣有兩個主要好處。一個好處是將額外的能量從陽極尾氣轉移給熱水副產品，另外一個則是干燥氣流更有利于燃料重整單元的燃燒性能。另外一個不太明顯的好處是，混合氣中的冷凝水返回到燃料重整單元，被系統回收并利用，減輕燃料重整單元系統對水需求的負擔。
[0006]燃料電池電堆通常在一個最佳的工作溫度范圍內實現輸出功率最大化。當燃料電池電堆處于冷啟動時，需要通過自身工作產生的熱量來加熱電堆，這個過程耗時較多，因此燃料電池電堆的輸出功率在啟動時間內受到限制。所以需要利用整個系統中的熱能來設計一個循環回路實現快速加熱電堆，盡快達到理想功率輸出。
[0007]顯然，需要一種熱控制方法以完成這兩個主要目標。一個目標是有效控制陽極入口氣流溫度和冷卻液入口溫度，目的是控制燃料電池電堆的溫度。另一個目標是盡可能地回收各方面的熱量，以最大限度地提高系統的整體效率。
【發明內容】
[0008]本發明的目的是提供一種固定式微型燃料電池熱電聯產裝置的熱控制系統，用于調節燃料電池堆的溫度，以保證燃料電池系統可靠運行，另一方面盡可能地回收利用各方面的熱量，以最大限度地提高系統的整體效率。
[0009]本發明為實現上述目的而采取的技術方案為:
[0010]—種用于住宅的微型燃料電池熱電聯產裝置的熱控制系統，包括將碳氫燃料催化轉換成氫的燃料重整單元和與燃料重整單元相連接的水熱循環單元，所述的水熱循環單元包括氣流管路、冷卻水循環回路和冷卻液循環回路，氣流管路包括氣流進入管路、一號換熱器、一號電磁閥、單向閥、二號換熱器、冷凝器和二號電磁閥，氣流管路分為兩條，一條為進入燃料電池電堆的氣路，另外一條是旁路，所述進入燃料電池電堆的氣路為正常工作氣路，燃料重整單元產生的高溫富氫混合氣流通過管路進入一號換熱器使高溫富氫混合氣體溫度降低到設定溫度后經一號換熱器的出口通過一號電磁閥進入陽極板進行發電，從陽極板排出的高溫尾氣通過單向閥進入二號換熱器使高溫尾氣溫度降低，降溫后的高溫尾氣進入冷凝器進行水汽分離，分離后所產生的干氣流與水氣再分別回流到重整單元進行循環利用;所述旁路是在燃料電池電堆啟動前，栗入燃料重整單元大量的液態水產生的水蒸氣通過管路進入一號換熱器與水循環回路的冷卻水換熱，經一號換熱器的出口通過二號電磁閥進入二號換熱器使得水蒸汽溫度進一步降低，降溫后進入冷凝器形成液態水回流到燃料重整單元進行循環利用；
[0011]所述冷卻水循環回路包括冷卻水栗、三通閥、三號換熱器和四號換熱器，冷卻水栗與四號換熱器相通取冷水，冷水經二號換熱器與陽極板排出的高溫尾氣進行換熱，冷水水溫升高，升溫后的冷水經過三通閥后根據熱電偶測溫裝置測得的冷卻液的溫度高低分成兩路:一路是當冷卻液的溫度高于冷卻液溫度的設定值時冷水進入三號換熱器與冷卻液進行換熱，使冷卻液的溫度降低到設定溫度，升溫后的冷水繼續循環進入一號換熱器與燃料重整單元的產生高溫富氫混合氣體換熱，水溫進一步升高，再經過四號換熱器降溫后與冷卻水栗相通;另一路是當冷卻液的溫度低于冷卻液溫度設定值時，冷水直接進入一號換熱器與燃料重整單元的高溫富氫氣流換熱，水溫升高，再經過四號換熱器降溫后與冷卻水栗相通，四號換熱器出水管與熱水副產品水箱相連接；
[0012]所述冷卻液循環回路包括冷卻液栗和熱電偶測溫裝置和冷卻劑板，冷卻液通過冷卻液栗在冷卻劑板和冷卻液管路之間形成回路，熱電偶測溫裝置安裝在冷卻液管路上，該冷卻液循環回路通過三號換熱器與冷卻水循環回路相連通，初始時，通過旁路氣流管路加熱初始冷卻水循環回路中的水，升溫的冷卻水與冷卻液在三號換熱器處進行熱量交換，使得冷卻液初始溫度升溫，給燃料電池提供初始啟動溫度，在運行時，通過熱電偶測溫裝置進行溫度判斷，當溫度高于設定溫度，則通過三通閥使冷卻循環水與冷卻液在三號換熱器進行換熱，使得冷卻液溫度降低；當溫度低于設定值時，則冷卻循環水不經過冷卻液，冷卻液依靠燃料電池工作產生的熱量對冷卻液進行升溫。
[0013]所述的冷卻水栗為雙向栗。
[0014]本發明采用上述技術方案，設計旁路氣路，主要是為了有效利用栗入燃料重整單元大量的液態水產生蒸汽時所產生的熱能，并和冷卻水循環回路和冷卻液循環回路結合，提高燃料電池的啟動性能。具體而言，當燃料重整單元逐漸升溫并到設計溫度時，通過栗入燃料重整單元大量的液態水產生大量的蒸汽。該蒸汽攜帶大量熱量從燃料重整單元進入一號熱交換器，將熱量傳遞給流經的冷卻水，然后通過旁路通道進入冷凝器。該過程中經蒸汽加熱的冷卻水隨循環路徑流經三號換熱器，熱量被交換到冷卻液回路。加熱后的冷卻液進一步將熱量傳導到燃料電池電堆最終實現了加熱電堆的目標。
[0015]本設計中，循環水回路設計冷卻水栗，二號換熱器，三通閥、一號換熱器、四號換熱器，冷卻水栗這樣的管路排布，充分滿足了整個系統中各組件對溫度的需求。
[0016]1、陽極排出的氣流是唯一的一條對溫度調節沒有任何要求的氣流，因此在循環回路中從冷卻水栗處開始流出的水溫度最低，使用最冷的水在二號換熱器與陽極尾氣換熱，使得陽極排出的尾氣溫度盡可能的低，同時最大可能回收陽極尾氣的熱量。
[0017]2、進入電堆的冷卻液的溫度是需要調節的。過冷的冷卻液進入電堆將會使電堆溫度過低，導致性能降低或降低產電量。如果電堆的運行溫度為70°C，理想的冷卻液入口溫度將在50°C以上，最好是60 °C左右，甚至可以達到65°C左右。因此設計三通閥來控制循環水的流量，使得從二號換熱器出來的溫水在三號換熱器處與冷卻液進行換熱，使冷卻液降溫，確保入口冷卻液溫度不會低于冷卻水入口的溫度。
[0018]3、從燃料重整單元出來的富氫混合氣流過度冷卻會產生液態冷凝水，如果該冷凝水進入電堆，則對電堆造成危害。因此富氫混合氣流對溫度的要求比冷卻液對溫度要求更高，所以冷卻水經三號換熱器換熱，使得水溫進一步升溫，在一號換熱器處與富氫混合氣流換熱，以便控制進入陽極板的氣流溫度，達到了充分利用熱量進行循環冷卻的目的。
[0019]4、此外，冷卻水栗采用雙向水栗，使得冷卻循環水在系統中可反向流動。在啟動階段，冷卻水以流經一號換熱器，三號換熱器和二號換熱器的順序流動，使得被加熱的水以最短的路徑送達燃料電池電堆，縮短電堆加熱的時間，提高電堆啟動性能。在正常運行狀態下，冷卻水以流經二號換熱器，三號換熱器和