一种燃料电池热电联供系统

1.本发明涉及燃料电池技术领域，尤其是涉及一种燃料电池热电联供系统。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池是以氢气为燃料，以空气中的氧气为氧化剂的电化学发电装置。由于其无污染，能量转换率高和响应速度快等优点，被认为是最清洁和高效的新能源发电装置。
3.燃料电池热电联供系统是燃料电池固定式应用的一种，将燃料电池发出的电力和工作产生的热量结合利用，系统的综合能源利用效率可以超过90％。
4.在现有能源背景下氢能和燃料电池的应用场景需要持续扩展，以丰富能源体系。燃料电池热电联供可以用作小型独立和集中住宅、独立商户等一般民用场景提供电能和热能。同时通过匹配合适的逆变器可离网为其他偏远地区、孤岛、户外设备提供电能和热能。
5.现有的燃料电池热电联供系统的实际应用功能设计比较单一，并不具备储能和并网/离网多种模式。


技术实现要素：

6.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燃料电池热电联供系统。
7.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
8.一种燃料电池热电联供系统，该系统包括燃料电池电堆、空气子系统、氢气子系统、冷却子系统、余热回收子系统、电力子系统和辅助冷却子系统，所述的空气子系统、氢气子系统用于向燃料电池电堆供应氧气和氢气，所述的冷却子系统用于与燃料电池电堆进行冷热循环，所述的余热回收子系统连接冷却子系统，所述的余热回收子系统将燃料电池电堆输出的热量进行存储和对外供热，所述的电力子系统连接燃料电池电堆的电能输出端，所述的辅助冷却子系统连接电力子系统用于对电力子系统中的电器件进行降温。
9.优选地，所述的空气子系统包括依次连接的空气化学过滤器、空气流量计、空压机和增湿器，所述的增湿器连接燃料电池电堆的空气进出口，所述的增湿器连接用于调节电堆内空气压力的背压阀。
10.优选地，所述的氢气子系统包括供氢模块，所述的供氢模块输入端通过进氢电磁阀连接氢气入口，所述的供氢模块输出端连接燃料电池电堆的氢气入口，燃料电池电堆的氢气出口连接分水器，水分器的氢气分离出口通过氢气循环泵连接至供氢模块的输出端，水分器的液态水分离出口通过排氢阀将液态水排出系统，所述的供氢模块通过氢气入口是氢压传感器的变化控制氢气进入电堆的压力，分水器上设置液位传感器，控制排氢阀开启和关闭时长。
11.优选地，所述的冷却子系统包括用于将输入和输出燃料电池电堆的冷却液进行循环的水泵，所述的水泵输入端连接有补水水箱，所述的水泵的高温冷却液输出端通过电子
三通阀连接余热回收子系统和主动降温子支路，所述的主动降温子支路的冷却液输出端连接燃料电池电堆的冷却液入口，所述的余热回收子系统的冷却液输出端也连接燃料电池电堆的冷却液入口。
12.优选地，所述的主动降温子支路包括散热器。
13.优选地，所述的余热回收子系统包括储热水箱，储热水箱内设有换热盘管，所述的换热管盘用于流通进行换热的冷却液，所述的储热水箱内还设有电加热器。
14.优选地，所述的电力子系统包括dcdc升压器和dcl降压器模组和直流转交流逆变器，所述的dcdc升压器和dcl降压器模组包括用于升压的dcdc升压器以及用于系统辅助供电的dcl降压器，所述的燃料电池电堆通过dcdc升压器连接直流转交流逆变器，所述的直流转交流逆变器实现并网和离网两种工作模式。
15.优选地，所述的电力子系统还包括储能电池，所述的储能电池连接dcdc升压器输出端，所述的储能电池还通过充电机和电压适配器模组进行充电，燃料电池电堆运行过程中对储能电池充电，系统热电联供不工作时，通过充电机和电压适配器模组对储能电池进行充电，燃料电池电堆缺少氢气或者故障模式时，储能电池用于对外供电和电加热提供热水。
16.优选地，所述的辅助冷却子系统包括辅助冷却水泵、辅助冷却补水箱和辅助冷却散热器，所述的辅助冷却设置在辅助冷却回路中，所述的辅助冷却补水箱连通辅助冷却回路，所述的辅助冷却散热器对辅助冷却回路中的高温冷却液进行散热。
17.优选地，该系统中还包括若干传感器，包括氢气流量计、余热回收流量计、电流电压传感器和温度传感器等，通过氢气流量计采集进设备的氢气流量计算氢气能耗和氢气能量，通过电压电流传感器计算设备输出电能，通过余热回收流量计和温度传感器采集信号计算回收的热能，最后由控制器实时反馈热电联供的电效率、热效率和综合效率。
18.与现有技术相比，本发明具有如下优点：
19.本发明提供了一种燃料电池热电联供系统。通过将电堆、氢气子系统、空气子系统、冷却子系统、余热回收子系统和电力子系统及其辅助冷却子系统组合成一套完整的热电联供系统。可离网和并网对外输出电力，同时通过储能电池的组合，更好的适应燃料电池热电联供的应用。
附图说明
20.图1为本发明一种燃料电池热电联供系统的架构示意图；
21.图2为本发明的燃料电池热电联供系统运行逻辑示意图。
22.图中，11为空气化学过滤器，12为空气流量计，13为空压机，14为增湿器，15为组合传感器，16为背压阀，21为氢气流量计，22为供氢模块入口压力传感器，23为进氢电磁阀，24为供氢模块，25为电堆入口氢压传感器，26为分水器，27为分水器上液位传感器，28为排氢阀，29为氢气循环泵，311为电堆水出温度传感器，312为水泵，313为排水阀，314为补水水箱，315为水箱液位传感器，316为电子三通阀，317为散热器，318为去离子器，319为电堆水入温压一体传感器，320为储热水箱入口温度传感器，321为储热水箱出口温度传感器，322为储热水箱，323为电加热器，324为水箱内温压一体传感器，325为水箱内部换热盘管，326为余热回收流量计，327为补水箱，328为补水箱液位传感器，329为水泵，330为排水阀，331
为散热器，332为水压传感器，41为燃料电池电堆，42为dcdc升压器和dcl降压器模组，43为直流转交流逆变器，44为储能电池，45为充电机和电压适配器模组，46为氢浓度传感器，47为环境温度传感器。
具体实施方式
23.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。
24.实施例
25.本发明提供一种燃料电池热电联供系统，对燃料电池热电联供系统进行详细设计和功能阐述。可实现的功能有：作为供电系统可并网输出和离网输出。作为供热系统通过水箱可储存热量和供热。作为储能系统，在燃料电池正常运行时对电池进行充电，在燃料电池不工作时，亦可通过外部电网对内部的储能电池进行充电，在燃料电池缺少氢气或者故障模式时短时供电供热。最后通过大量传感器监控系统的正常运行和实时反馈系统效率。
26.参照图1，本实施例提供一种燃料电池热电联供系统，包括：
27.空气子系统部件：空气化学过滤器11、空气流量计12、空压机13、增湿器14、组合传感器15、背压阀16。
28.氢气子系统部件：氢气流量计21、供氢模块入口压力传感器22，进氢电磁阀23、供氢模块24、电堆入口氢压传感器25、分水器26、分水器上液位传感器27、排氢阀28、氢气循环泵29。
29.冷却子系统部件：电堆水出温度传感器311、水泵312、排水阀313、补水水箱314、水箱液位传感器315、电子三通阀316、散热器317、去离子器318、电堆水入温压一体传感器319。
30.余热回收子系统：储热水箱入口温度传感器320、储热水箱出口温度传感器321、储热水箱322、电加热器323、水箱内温压一体传感器324、水箱内部换热盘管325、余热回收路流量计326。
31.电力子系统：电堆41、dcdc升压器和dcl降压器模组42、直流转交流逆变器43、储能电池44、充电机和电压适配器模组45、氢浓度传感器46、环境温度传感器47。
32.辅助冷却子系统：包括补水箱327、补水箱液位传感器328、水泵329、排水阀330、散热器331、水压传感器332。
33.在该实施例中，可选地，所述燃料电池热电联供系统通过空压机13将大气中的空气吸入空气经过化学过滤器11，颗粒物和有害气体先行进行过滤。同时空气流量计12可测量具体进入的空气流量。进入增湿器14后干空气先进行增湿，再进入电堆41，进行电化学反应产生电能和热能。组合传感器15可以测量进入电堆41的空气温度、压力和湿度，背压阀16和空压机13进行配合，对进入的空气流量和压力的进行调整。
34.在该实施例中，可选地，所述燃料电池热电联供系统通过氢气流量计21测量进入系统的氢气流量，供氢模块入口压力传感器22可测量进入系统的氢气压力，如果偏大或者偏小，可进行故障报错，以提醒控制模块进行相关处理。当供氢模块入口压力传感器22检测正常后，打开进氢电磁阀23，使氢气进入供氢模块24。供氢模块24实时监测电堆入口氢压传
感器25所反馈的压力，如压力偏低则补充氢气，若压力偏高则停止补充氢气，使电堆41内部氢气压力实时处于设定值附近。供氢模块24自带泄压管路，可设定泄压值，通到尾排处，以防电堆入口氢压传感器25失效带来的突然压力偏高情况。
35.电堆41氢气侧出口进入分水器26，通过监测分水器26上液位传感器27的信号，可得到分水器26内液态水的含量，通过对排氢阀28的开启和关闭进行控制，可有效排出燃料电池热电联供氢气侧的液态水。氢气循环泵29可将电堆41氢气侧的氢气循环至入口端，提升氢气利用率和氢气湿度。
36.在该实施例中，可选地，所述燃料电池热电联供系统通过水泵312将冷却子系统的冷区液进行循环，电堆水出温度传感器311可近似的作为电堆41内水温情况进行反馈。通过水泵312转速和散热器317转速进行水温控制。该循环路不经过余热回收子系统，对产生的热负荷进行主动降温处理。
37.余热回收子系统循环路和主动散热器317两者流量的分配通过电子三通阀316进行控制。补水水箱314用于对冷却子系统进行补水，水箱液位传感器315监控冷却子系统是否有缺少并发送信号提醒。排水阀313用于在冷却子系统维护过程中进行主动排出冷却液，去离子器318可对冷却子系统的离子进行吸附，提升系统绝缘。电堆水入温压一体传感器319可监测电堆41入口的冷却液温度和压力，可以判断冷却子系统是否异常
38.在该实施例中，可选地，余热回收子系统流量通过电子三通阀316进行控制，电子三通阀316开启的角度由外部需要供热温度、系统运行过程和水箱内温压一体传感器324等信号进行算法控制。
39.储热水箱入口温度传感器320和储热水箱出口温度传感器321可反馈经过余热回收系统后的冷却液的温度情况，两者的温差和通过余热回收路流量计326的流量，可计算得到余热回收的热能。
40.储热水箱322中含有水箱内部换热盘管325，通过热传导将燃料电池冷却子系统热量换至储热水箱322中。电加热器323可在燃料电池无法工作时，通过储能电池45提供电能，主动对储热水箱322进行加热，保证热水供应。
41.在该实施例中，可选地，电力子系统中包含电堆41进行电力发电和发热，电堆41受制于本身片数限制，电压等级偏低，通过增加dcdc升压器和dcl降压器模组42可以将电堆41输出电压提升至逆变器和储能电池45可接收的电压等级。
42.dcdc升压器和dcl降压器模组42中自带降压功能，用于为燃料电池系统中的辅助部件供电，如水泵312、循环泵29，排氢阀28，传感器等。这些助部件电压等级不做约束，可以是多种，只需要进行相应的电压匹配即可。
43.该燃料电池热电联供系统通过直流转交流逆变器43对外输出电力，分离网和并网两种模式，当然如果有其他外部需求电力的设备为直流电压等级，可在直流转交流逆变器43之前增加相关电器件即可，相关改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。
44.燃料电池运行过程中可对储能电池44进行充电，亦可转化为交流电对外供电，取决于系统运行时储能电池容量的判断和外部需求功率的具体设置。
45.通过对储能电池44配置相应的充电机和电压适配器模组45，可实现外电网对储能电池的充电，从而提前进行储能，在燃料电池不能工作时，使用储能电池44的电能进行对外供电供热。
46.氢浓度传感器46可实时监控系统内的氢气外漏情况，利于安全操作。环境温度传感器47采集环境温度，对燃料电池热电联供系统是否进行低温模式运行进行判断。
47.在该实施例中，可选地，所述辅助冷却子系统中包含补水箱液位传感器328、水泵329、排水阀330、散热器331、水压传感器332。这些部件保证了dcdc升压器和dcl降压器模组42和直流转交流逆变器43工作时的降温作用。
48.在该实施例中，参照图2给出了本发明中燃料电池热电联供系统的运行逻辑示意图，燃料电池热电联供系统的运行过程包括：
49.s10、系统接收上电启动和自检指令。
50.s11、设定需求功率和水温。
51.s12、判断燃料电池是否可以正常工作。
52.s13、若燃料电池无法正常工作，则完全由储能电池44提供电能，并且由储能电池44电加热水箱温度，保证供电和供热。当长时间使用，储能电池44容量偏低后，系统会进行相应提醒。
53.s14、储能电池44通过直流转转交流逆变器43对外并网或离网，根据水箱内温压一体传感器324反馈的温度信号控制电加热功率。
54.s15、燃料电池系统正常，可输出电能和热能。
55.s16、对需求功率和燃料电池可输出功率进行判断。
56.s17、若燃料电池可输出功率＜需求功率，则需要储能电池44提供部分电能。当储能电池44容量偏低后，系统会进行相应提醒。
57.s18、若燃料电池可输出功率≥需求功率，需求功率完全由燃料电池提供。
58.s19、同时实时监测储能电池44的soc是否偏低。
59.s20、如果储能电池44的soc正常则完全由燃料电池提供需求功率且储能电池44不工作。
60.s21、如果储能电池44的soc偏低则由燃料电池提供需求功率且对储能电池44进行充电。
61.s22、在燃料电池运行过程中实时监测水箱温度情况，并与设定值进行比较。
62.s23、若水箱内温度大于设定值，则电子三通阀316部分开启，燃料电池热量部分进入散热器317，由散热器317通过转速控制进行降温。另一部分热量在水箱内部换热盘管325处进行换热，与进入储热水箱322中的冷水带走的热量达到平衡。
63.s24、若储热水箱322内温度小于等于设定值，则电子三通阀全开，燃料电池热量全部在水箱内部换热盘管325处进行换热。
64.s25、当燃料电池运行在最大功率时，产生的热量也最多，若此时储热水箱322内温度仍然小于等于设定值，需要储能电池44提供电力使电加热器323工作。
65.s26、根据储热水箱322内温度具体变化情况控制电加热器323的功率，以尽量设定水温之间的需要。
66.在该实施例中，可选地，所述燃料电池热电联供系统根据以下公式进行效率测算并可实时反馈至控制界面：包括电效率、热效率和热电联供综合效率。
67.(1)电效率
[0068][0069]
其中ηe表示电效率，p0表示功率，可通过电流和电压传感器测量，如果测量点在电堆41后端，表示单独电堆41输出功率；如果测量点在dcdc升压器和dcl降压器模组42后端，表示燃料电池系统输出功率；如果测量点在直流转交流逆变器43后，表示转换为交流电后的燃料电池热电联供整体输出功率。若果储能电池44内部soc有变化，公示中分母为pb表示储能电池功率变化情况。表示氢气流量，表示氢气热值。
[0070]
(2)热效率
[0071][0072]
其中ηq表示热效率，c表示冷却液比热容，m表示余热回收路流量计326采集的流量，t1和t2表示储热水箱入口温度传感器320和储热水箱出口温度传感器321采集温度值，可计算通过水箱内部换热盘管325后的温度差值。
[0073]
(3)热电联供综合效率
[0074]
η＝ηe+ηq[0075]
η表示系统热电联供综合效率。
[0076]
本发明针对一种燃料电池热电联供系统，公布了其具体组成部分、具体使用方法和使用的逻辑策略。对于内部的燃料电池电堆、氢气子系统、空气子系统、冷却子系统、余热回收子系统和电力子系统及其辅助冷却子系统具体如何工作不再进行逻辑阐述。
[0077]
上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。