一种太阳能辅助的燃料电池余热回收一体化系统及方法

1.一种太阳能辅助的燃料电池余热回收一体化系统，其特征在于，包括燃料储存罐(1)、呼吸阀(2)、连接阀(3)、运输管道(4)、入口管道(5)、预热腔(6)、出口管道(7)、毛细芯(8)、冷却部分固定器(9)、燃料管道阀门(10)、冷却水管道阀门(11)、混合腔(12)、燃料电池电堆(13)、燃料单电池(14)、双极板(15)、销钉(16)、质子交换膜(17)、阴极材料(18)、阳极材料(19)、阴极扩散层(20)、阳极扩散层(21)、阳极氢气通道(22)、阴极空气通道(23)、氢气入口(24)、空气入口(25)、太阳能单元(26)、太阳能聚光器(27)、光伏电池(28)、控制器(29)、逆变器(30)、蓄电池(31)、太阳能固定器(32)、蒸发腔(33)、反应腔(34)、流量控制阀(35)、温度监视器(36)、CO处理腔(37)、氢气纯化器(38)、气液分离收集器(39)、连通管(40)、气阀(41)、氢气储存罐(42)、冷却水储存器(43)、真空泵(44)、泵(45)，其中：所述太阳能单元(26)包括太阳能聚光器(27)、光伏电池(28)、控制器(29)、逆变器(30)和蓄电池(31)，由太阳能固定器(32)固定在燃料电池电堆(13)上方；所述燃料储存罐(1)包括有呼吸阀(2)和连接阀(3)，通过连接阀(3)与入口管道(5)相连接，通过入口管道(5)将燃料输送出去；所述运输管道(4)包括入口管道(5)、预热腔(6)、出口管道(7)、毛细芯(8)和泵(45)，由管道中毛细芯(8)利用毛细现象和虹吸原理牵引运输燃料和冷却水两种冷却介质，两端分别与燃料储存罐(1)的连接阀(3)、冷却水储存器(43)和蒸发腔(33)相连；所述入口管道(5)和出口管道(7)是指位于燃料电池电堆(13)底部和顶部位置的运输管道(4)，在燃料电池电堆(13)外侧均有冷却部分固定器(9)进行支撑和固定，入口管道(5)包括两条管道，一条管道用来运输燃料，另一条管道用来运输冷却水，在燃料电池电堆(13)进口端两条管道分散成数支，运送燃料和冷却水到各双极板(15)内部，出口管道(7)包括三条管道，一条管道收集双极板(15)流出的燃料，将其运输至蒸发腔(33)内，剩余两条管道分别收集双极板(15)流出的吸收废热后的水和燃料电池反应产生的产物水，将其运回到冷却水储存器(43)中；所述预热腔(6)位于燃料电池电堆(13)内部，是指分散进入每一个双极板(15)中的运输管道(4)，作为冷却系统为燃料单电池(14)散热，以及为燃料提供预热，进口端与入口管道(5)相连，出口端与出口管道(7)相连，每个双极板(15)内的分支流道继续分支，每一支流道由至少两层分流道组成，其流道形状是蛇形、Z字形和直管中的一种，流道中冷却介质分别为水和燃料；所述燃料电池电堆(13)中至少由一个燃料单电池(14)构成，以及配备的氢气入口(24)和空气入口(25)，氢气入口(24)和空气入口(25)位于燃料电池电堆(13)外侧，接收来自外界的原料供给，并与众多单电池的阳极氢气通道(22)和阴极空气通道(23)相连，燃料单电池(14)由双极板(15)、销钉(16)、质子交换膜(17)、阴极材料(18)、阳极材料(19)、阴极扩散层(20)、阳极扩散层(21)、燃料电池催化剂、阳极氢气通道(22)和阴极空气通道(23)组成，不同燃料单电池双极板(15)之间由销钉(16)进行连接构成整个燃料电池电堆(13)；所述蒸发腔(33)吸收来自光伏电池(28)发电的余热，进一步加热燃料变成蒸汽，与反应腔(34)相连，燃料蒸汽进而进入反应腔(34)；所述反应腔(34)中包括用于重整或分裂的反应催化剂，发生甲醇及其他可重整燃料的重整反应或甲烷及其他可裂解燃料的裂解反应生成氢气，反应腔末端通过连通管(40)与CO处理腔(37)相连；所述CO处理腔(37)、氢气纯化器(38)和气液分离收集器(39)，CO处理腔(37)中使混合蒸汽中的CO与H 2 O发生反应，生成H 2 ，氢气纯化器(38)去除混合气体中的杂质留下纯氢气体，气液分离收集器(39)对混合物进行气液分离，排出纯氢气，末端与燃料电池电堆(13)的氢气入口(24)和氢气储存罐(42)通过连通管(40)相连；所述连通管(40)是作为蒸发腔(33)、反应腔(34)、CO处理腔(37)、氢气纯化器(38)、气液分离收集器(39)和氢气储存罐(42)之间物质传输的管道，在氢气储存罐(42)之前连通管处配备有气阀(41)，用以在需要时开启，使用氢气储存罐(42)中氢气作为燃料电池燃料来源；所述氢气储存罐(42)储存燃料电池电堆(13)所需之外的过量生产的氢气，其与气液分离收集器(39)和燃料电池电堆(13)的氢气入口(24)通过连通管(40)相连接；所述冷却水储存器(43)储存吸收废热的水和反应生成的水，冷却至室温后再次通入燃料电池电堆(13)中作为冷却介质，两端分别连接入口管道(5)和出口管道(7)；所述真空泵(44)位于通往蒸发腔(33)的出口管道(7)旁，打开真空泵(44)将出口管道(7)内部抽成微负压，促进管道内燃料的蒸发吸热，真空泵(44)不工作时依靠反应腔(34)内反应生成微负压促进运输即可；所述燃料储存罐(1)中燃料由入口管道(5)中毛细芯(8)汲取运输，经由燃料电池电堆(13)中的预热腔(6)吸收电堆废热后温度升高，之后被出口管道(7)运入蒸发腔(33)内蒸发、反应腔(34)内反应、后处理得到氢气；其中，燃料对于燃料电池热量的运输是依靠蒸发吸热原理实现的，但有别于传统热管散热的闭式循环，而是在燃料储存罐(1)、入口管道(5)、预热腔(6)、出口管道(7)、蒸发腔(33)、反应腔(34)及其他装置间形成开放式热管。 2.根据权利要求1所述的一种太阳能辅助的燃料电池余热回收一体化系统，其特征在于，燃料储存罐(1)中燃料选择甲烷、甲醇、液氨、液化石油气以及其他可重整或裂解的制氢燃料。 3.根据权利要求1所述的一种太阳能辅助的燃料电池余热回收一体化系统，其特征在于，所述太阳能单元(26)中包括太阳能聚光器(27)、光伏电池(28)、控制器(29)、逆变器(30)和蓄电池(31)，利用太阳能聚光器(27)收集外界的太阳能聚集在光伏电池(28)上，发生光电效应并产生电能经控制器(29)输送到蓄电池(31)中储存起来，电能之后可经由逆变器(30)输送出去加以利用；其中，在光伏电池(28)上发生光电效应所产生的余热传递到了其下紧贴的蒸发腔(33)和反应腔(34)，加热蒸发腔(33)中燃料使其蒸发后，并促进反应腔(34)中燃料进行重整或裂解反应；整体的太阳能单元(26)、蒸发腔(33)、反应腔(34)及其随后的CO处理腔(37)、氢气纯化器(38)和气液分离收集器(39)这三个后处理装置经太阳能固定器(32)固定在燃料电池电堆(13)上形成一体化装置，减少了连通管(40)上保温材料的用量，降低系统成本，并减少了管内物质与环境间的传热损失，提升能量转换效率，一体化装置的设计能减小整套系统的占用空间，实现整套燃料电堆系统的小型化，整体简洁；在无需整体小型化的情况下，太阳能单元(26)、蒸发腔(33)、反应腔(34)及其随后的CO处理腔(37)、氢气纯化器(38)和气液分离收集器(39)这三个后处理装置在燃料电池电堆(13)附近分散安装布置，装置安装的位置灵活可便，不受拘束。 4.根据权利要求1所述的一种太阳能辅助的燃料电池余热回收一体化系统，其特征在于，所述运输管道(4)包括入口管道(5)、预热腔(6)、出口管道(7)、毛细芯(8)和泵(45)，在燃料电池电堆(13)外侧与内部均有分布；其中，预热腔(6)在每个双极板(15)内的分支流道由至少两层分流道组成，每层流道的形状是蛇形、Z字形和直管中的一种，或者是两种、三种流道的结合，其内运输的冷却介质分别为水和燃料；在冷却流道的设计上，不局限于每支分支流道由双层流道构成，既可以是由至少双层的流道组成分支流道，也可以对燃料和水这两种冷却介质是否混合后再流入同一层流道进行选择；在运输燃料和水的两支入口管道(5)末端分别设有的燃料管道阀门(10)和冷却水管道阀门(11)对燃料和水的通入实现实际控制，当仅燃料管道阀门(10)开启时，燃料作为仅有的冷却介质进入不同层的流道中实现散热冷却，当仅冷却水管道阀门(11)开启时，水作为仅有的冷却介质对燃料电池电堆进行冷却，当燃料管道阀门(10)和冷却水管道阀门(11)同时开启时，水和燃料的运输有两种情况，其中一种是燃料和水在混合腔(12)中发生混合后流入各层流道，另一种是燃料和水不经由混合腔(12)，分别流入不同层的流道进行冷却。 5.根据权利要求1所述的一种太阳能辅助的燃料电池余热回收一体化系统，其特征在于，燃料和冷却水由管道中毛细芯(8)利用毛细现象和虹吸原理牵引运输，或在利用毛细芯(8)运输的基础上结合普通管道经泵(45)提供动力运输，毛细芯(8)材料可以使用毛巾、棉布条和海绵中的一种或两种或三种结合；除此之外，在物质运输的过程中根据运输管道(4)摆放的方式，利用物质本身的重力辅助冷却介质的运输；其中，利用毛细芯(8)的牵引运输是主要的运输动力，与之结合的使用泵(45)运输的情况用于增大冷却介质的运输速率时使用。 6.根据权利要求1所述的一种太阳能辅助的燃料电池余热回收一体化系统，其特征在于，所述入口管道(5)、预热腔(6)和出口管道(7)本身为毛细状管道，采用毛细效应输送燃料和/或水；预热腔(6)的外侧壁面与燃料单电池(14)中的阴极扩散层(20)和阳极扩散层(21)直接接触，利用燃料和/或水蒸发相变快速吸热原理实现燃料电池电堆(13)热量利用和温度控制，燃料快速吸收燃料电池电堆(13)产生的热量进行预热，之后到反应腔(34)中发生吸热反应，此处的吸热介质为重整或裂解反应中的反应物；燃料储存罐(1)内的燃料通过毛细效应源源不断的进入预热腔(6)中进行补充，进行燃料电池电堆(13)热回收后的燃料和/或水不再依次通过水泵、外部散热翅片散热后形成闭环实现循环利用，而是形成一种开放式循环，无需外部动力，燃料和/或水直接进入到预热腔(6)、蒸发腔(33)、反应腔(34)、CO处理腔(37)、氢气纯化器(38)和气液分离收集器(39)后最终产出氢气；管内燃料流经双极板(15)内冷却流道，燃料与燃料单电池(14)中的阴极扩散层(20)和阳极扩散层(21)两侧壁面的直接接触形式，减少了内嵌在双极板(15)中的传统闭式循环热管散热因间接接触产生的多余热阻，结构更加紧凑，加快蒸发吸热的响应速度，是一种开放式热管，并且通过调节燃料和/或水的流量和压力，实现反应腔(34)中反应的温度可控，提高散热的效率。 7.根据权利要求1所述的一种太阳能辅助的燃料电池余热回收一体化系统，其特征在于，所述反应腔(34)中含有的流量控制阀(35)和温度监视器(36)起到对反应腔(34)内部反应速率控制的作用，流量控制阀(35)通过改变管道中流通面积来调节燃料流量，温度监视器(36)通过对温度的实时显示来达到对反应进行程度的判断，反应温度的改变由流量控制阀(35)和太阳能聚光器(27)通过调节流量和控制聚光程度来实现；由于反应腔(34)内燃料消耗，使得反应腔(34)中压力相对于蒸发腔(33)形成微负压效果，调节流量控制阀(35)和温度监视器(36)，促使燃料在蒸发腔(33)内快速吸热蒸发，加快运输管道(4)所包括的入口管道(5)、预热腔(6)和出口管道(7)中的冷却介质流速，吸热升温现象加剧，迅速带走大量热量，进行热量回收的同时，实现燃料电池电堆(13)内部的温度调控。 8.使用权利要求1所述的一种太阳能辅助的燃料电池余热回收一体化系统进行太阳能辅助的燃料电池余热回收一体化的方法，其特征在于,该方法包括：运输管道(4)使用含有毛细芯(8)的管道，无需泵(45)运输冷却介质，或使用含有毛细芯(8)的管道与泵(45)相结合的方式共同完成运输，将燃料和水分别从燃料储存罐(1)和冷却水储存器(43)中抽取出来，流入燃料电池预热腔(6)进行散热；其中燃料吸收热量后由出口管道(7)吸入蒸发腔(33)中，太阳能聚光器(27)在光伏电池(28)上产生的余热进入蒸发腔(33)和反应腔(34)作为热量来源，对已经预热的燃料进行进一步加温蒸发处理和提供燃料反应所需温度；反应腔(34)中依靠太阳能聚光器(27)在光伏电池(28)上产生的余热根据燃料种类的不同发生重整或分裂反应，生成H 2 、CO、CO 2 、H 2 O以及其他杂质；混合气体通过连通管(40)进入后处理器，在CO处理腔(37)中通过燃料中的CO与水蒸气发生放热反应，去除CO，生成H 2 ，混合气体进而进入之后的氢气纯化器(38)中去除杂质得到较纯的氢气，在气液分离收集器(39)中进行气液分离，将气体部分即纯氢气通入燃料电池电堆(13)氢气入口(24)后输送至各燃料单电池(14)的阳极氢气通道(22)作为阳极原料；在太阳能获能较多时刻，即燃料电池电堆(13)所需原料小于系统氢气产量的时候，来自气液分离收集器(39)的多余氢气经由连通管(40)进入氢气储存罐(42)中储存备用；与此同时，冷却水吸收热量后储入冷却水储存器(43)，冷却至室温后再次通入燃料电池电堆(13)中作为冷却介质，具有对环境友好的特性，实现热、电、化学的综合利用提高能量的利用率。