一种一体式可逆燃料电池系统技术方案

本发明专利技术涉及一体式可逆燃料电池系统，该系统包括由燃料电池电堆构成的制氢发电模块，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进行燃料电池发电，反向过程进行电解水制氢。与现有技术相比，本发明专利技术具有结构简单紧凑，降低成本，以及水、氢气和氧气原料循环利用，气水分离等一体化管理等优点。

An integrated reversible fuel cell system

The invention relates to an integral reversible fuel cell system, comprising a hydrogen production power generation module composed of a fuel cell stack, a hydrogen gas circulation module, an oxygen circulation module and a water circulation module. The fuel cell stack includes a plurality of overlapping single battery and hydrogen oxygen import and export, import and export and import and export of cooling fluid, the single cell comprises a conductive plate and membrane electrode, hydrogen circulation module is connected with the hydrogen fuel cell stack import and export module is connected with the oxygen cycle oxygen fuel cell stack of import and export, the water circulation module is connected with the cooling fluid of the fuel cell stack import and export system, forward process the fuel cell power generation, the reverse process of water electrolysis. Compared with the prior art, the present invention has the advantages of simple and compact structure, low cost, integrated utilization of water, hydrogen and oxygen, recycling of raw materials, integrated management of gas and water, etc..

【技术实现步骤摘要】
一种一体式可逆燃料电池系统
本专利技术涉及燃料电池系统，尤其是涉及一种一体式可逆燃料电池系统。
技术介绍
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CN102185327A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。但是该专利技术并没有涉及系统布局设置细节，具体实施还有待考虑。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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，本专利技术具有以下优点：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3-10M本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，所述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，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一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，所述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，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的一体式可逆燃料电池系统，其特征在于，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。3.根据权利要求2所述的一体式可逆燃料电池系统，其特征在于，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；所述的氢气循环模块具备供氢和收集氢两项功能。4.根据权利要求1或2所述的一体式可逆燃料电池系统，其特征在于，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。5.根据权利要求4所述的一体式可...

【专利技术属性】
技术研发人员：高勇，亚努士·布拉什奇克，陈焕光，
申请(专利权)人：上海恒劲动力科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31