一种燃料电池的余热利用系统及燃料电池系统的制作方法

1.本实用新型属于燃料电池技术领域，涉及一种燃料电池的余热利用系统及燃料电池系统。


背景技术：

2.当前新能源行业蓬勃发展，潜力巨大，其中氢燃料电池以其绿色无污染、能量转化效率高等优点受到广泛的研究和关注，而质子交换膜燃料电池除了具有一般燃料电池所具有的上述特点，还具有工作温度低、功率密度高、启动迅速、使用寿命长等优点，有广阔的发展前景，已吸引越来越多的国家和企业投入研究。质子交换膜燃料电池反应将化学能转换为电能的同时，伴随着低品位余热的产生，低品位余热能的消纳利用一方面来自于燃料电池本身，另一方面通过换热器放散到环境中。因此，燃料电池热量管理与余热回收利用系统具有十分重要的作用。
3.目前的燃料电池的余热回收利用系统主要有两方面的作用，一方面将电池反应所生成的水和热不断排出，以维持电池在恒定的工作温度下连续安全地运行；另一方面将燃料电池反应的排热分配给余热利用模块系统。
4.现有的市面上余热利用模块多以高温余热回收为主，例如，以质子交换膜燃料电池余热作为热回收利用，加热生活热水。然而，考虑质子交换膜燃料电池正常工作温度点较低(60～70℃)，若以质子交换膜燃料电池余热作为热回收利用，加热生活热水，热水的温度不会超过70℃，虽然可以考虑增加电加热等方式，但是热效率不高。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本实用新型提供一种燃料电池的余热利用系统及燃料电池系统，旨在解决现有的利用燃料电池加热生活热水的热效率低的问题。
6.为了解决上述问题，根据本技术的一个方面，本实用新型的实施例提供了一种燃料电池的余热利用系统，所述燃料电池包括电堆，所述电堆包括冷却出水口和冷却入水口，所述余热利用系统包括：冷却管路，两端分别用于连接所述冷却出水口和所述冷却入水口，所述冷却管路用于将从所述冷却出水口流出的冷却水回流至所述冷却水入口；换热器，设于所述冷却管路中；热水器系统，包括水箱、制热循环回路和流动于所述制热循环回路中的制冷剂，所述制热循环回路包括依次连接的蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀，所述膨胀阀通过所述换热器与所述蒸发器连接，所述冷凝器用于加热提升所述水箱中的水温；其中，所述冷却水和所述制冷剂流经所述换热器时在所述换热器中进行换热。
7.在一些实施例中，所述余热利用系统还包括水泵，所述水泵设于所述冷却管路中且靠近所述冷却出水口，所述水泵用于控制所述电堆流出的所述冷却水的温度。
8.在一些实施例中，所述余热利用系统还包括膨胀水箱，所述膨胀水箱的一端与所述换热器连接，所述膨胀水箱的另一端用于与所述冷却入水口连接。
9.在一些实施例中，所述余热利用系统还包括节温器，所述节温器包括第一连接端、
第二连接端和第三连接端，所述第一连接端连接于所述水泵与所述换热器之间，所述第二连接端连接所述膨胀水箱的另一端，所述第三连接端连接所述冷却入水口。
10.在一些实施例中，所述余热利用系统还包括第一温度传感器，所述第一温度传感器设于所述冷却出水口处，所述第一温度传感器用于检测所述冷却水的出堆水温；和/或所述余热利用系统还包括第二温度传感器，所述第二温度传感器设于所述冷却入水口出处，所述第二温度传感器用于检测所述冷却水的入堆水温。
11.在一些实施例中，所述换热器为管壳式换热器。
12.为了解决上述问题，根据本技术的另一个方面，本实用新型的实施例提供了一种燃料电池系统，包括：燃料电池、余热利用系统、空气系统、供氢系统以及配电系统，所述余热利用系统、所述空气系统、所述供氢系统均与电堆连接，所述余热利用系统为上述所述的余热利用系统。
13.在一些实施例中，所述空气系统包括空气过滤器、流量计、空压机和节气门，所述电堆包括空气入口和空气出口，所述空气过滤器、所述流量计、所述空压机、所述空气入口依次连接，所述空气出口连接所述节气门。
14.在一些实施例中，所述供氢系统包括氢气瓶组、供氢回氢组件、水汽分离器和第一排放阀，所述电堆包括氢气入口和氢气出口，所述氢气瓶组通过所述供氢回氢组件连接所述氢气入口，所述氢气出口通过所述水汽分离器连接所述第一排放阀，所述水汽分离器还与所述供氢回氢组件连接。
15.在一些实施例中，所述配电系统包括双向dc/ac变换器和dc/dc变换器，所述dc/dc变换器的一端与所述电堆连接，所述dc/dc变换器的另一端与所述双向dc/ac变换器的一端连接，所述双向dc/ac变换器的另一端用于输出电源。
16.与现有技术相比，本实用新型的燃料电池的余热利用系统至少具有下列有益效果：
17.余热利用系统包括冷却管路、换热器和热水器系统，换热器设置在冷却管路中，热水器系统设有蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀，蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀形成制热循环回路，制冷剂在制热循环回路中实现制热循环，冷凝器加热提升水温，其中，膨胀阀通过换热器与蒸发器连接，由此，冷却水和制冷剂均会流经换热器，使得冷却水和制冷剂在换热器中换热，一方面将高温的冷却水进行降温，另一方面将低温的制冷剂进行升温，两者热量交换，能够实现热水器系统高效稳定制热的同时冷却电堆，提高加热水的热效率，提高电堆的运行效率，且结构简单。
18.另一方面，本实用新型提供的燃料电池系统是基于上述燃料电池的余热利用系统而设计的，其有益效果参见上述燃料电池的余热利用系统的有益效果，在此，不一一赘述。
19.上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
20.为了更清楚地说明本实用新型实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于
本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1是本实用新型的实施例提供的燃料电池的余热利用系统的示意图；
22.图2是本实用新型的实施例提供的燃料电池系统的示意图；
23.图3本实用新型的实施例提供的燃料电池系统的具体示意图；
24.其中：
25.1、电堆；2、空气系统、21、空气过滤器；22、流量计；23、空压机；24、压力传感器；25、节气门；3、供氢系统；31、氢气瓶组；32、供氢回氢组件；33、水汽分离器；34、第一排放阀；4、配电系统；41、双向dc/ac变换器；42、dc/dc变换器；5、热泵和换热系统；51、第一温度传感器；52、第二温度传感器；53、电子水泵；54、节温器；55、膨胀水箱；56、管壳式换热器；57、蒸发器；58、压缩机；59、膨胀阀；510、第三温度传感器；511、热水水箱；512、冷凝盘管；513、第二排放阀。
具体实施方式
26.为更进一步阐述本实用新型为达成预定实用新型目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本实用新型申请的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
27.在本实用新型的描述中，需要明确的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序；术语“垂直”、“横向”、“纵向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“水平”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅仅是为了便于描述本实用新型，而不是意味着所指的装置或元件必须具有特有的方位或位置，因此不能理解为对本实用新型的限制。
28.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
29.实施例1
30.本实施例提供一种燃料电池的余热利用系统，所述燃料电池包括电堆1，所述电堆1包括冷却出水口和冷却入水口，所述余热利用系统包括：冷却管路，两端分别用于连接所述冷却出水口和所述冷却入水口，所述冷却管路用于将从所述冷却出水口流出的冷却水回流至所述冷却水入口；换热器，设于所述冷却管路中；热水器系统，包括水箱、制热循环回路和流动于所述制热循环回路中的制冷剂，所述制热循环回路包括依次连接的蒸发器57、压缩机58、冷凝器和膨胀阀59，所述膨胀阀59通过所述换热器与所述蒸发器57连接，所述冷凝器用于加热提升所述水箱中的水温；其中，所述冷却水和所述制冷剂流经所述换热器时在所述换热器中进行换热。
31.通过实施本实施例，将换热器设置在冷却管路上，使得从电堆1冷却出水口流出的
冷却水经过换热器，并将热水器系统的制热循环回路也设置成部分流过换热器，由此，使得高温冷却水和制热循环回路中的低温制冷剂在换热器中进行换热，能够实现热水器系统高效稳定制热的同时冷却电堆1，提高加热水的热效率，提高电堆1的运行效率。
32.具体地，冷却管路是一个闭合的循环回路，冷却管路包括进水端和出水端，进水端连接电堆1的冷却水出口，出水端连接电堆1的冷却水入口。电堆1的冷却水出口排出高温的冷却水，流入到冷却管路中，经过冷却管路的冷却后，回流到电堆1的冷却水入口中，从而冷却电堆1，保证电堆1的正常运行。冷却管路上设置有水冷装置，水冷装置的形式有很多种，在此不作限定。
33.换热器设置在冷却管路中，具体设置在靠近冷却水出口的位置，这样高温冷却水流出后直接到换热器中进行换热，降温效率较高。本实施例的换热器采用管壳式换热器56，管壳式换热器56(shell and tube heat exchanger)又称列管式换热器，是以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器，这种换热器结构简单、造价低、流通截面较宽、易于清洗水垢，可用各种结构材料(主要是金属材料)制造，能在高温、高压下使用。管壳式换热器56由壳体、传热管束、管板、折流板(挡板)和管箱等部件组成。壳体多为圆筒形，内部装有管束，管束两端固定在管板上。进行换热的冷热两种流体，一种在管内流动，称为管程流体；另一种在管外流动，称为壳程流体。本实施例的冷却水和制冷剂分别在管内和管外流动进行换热，其中，可以是冷却水在管内流动，制冷剂在管外流动；也可以是冷却水在管外流动，制冷剂在管内流动，在此不作限定。
34.热水器系统是一种热泵型的热水器系统，采用蒸发器57、压缩机58、冷凝器和膨胀阀59来构成制热循环回路，制冷剂在制热循环回路中实现制热循环。其中，冷凝器的冷凝盘管512设置在水箱中，水箱中的水浸没冷凝盘管512，利用冷凝盘管512的液化放热加热水箱中的水，水箱中设置有第三温度传感器510，第三温度传感器510用来获取水箱中的水温，水箱设置有进水管和排水管，自来水从进水管进入，储存在水箱中，待冷凝盘管512加热升温，加热后的热水通过排水管排出，排水管上设置有第二排放阀513，第二排放阀513用于控制水箱中的热水排出。具体地，压缩机58将低压的气体制冷剂进行压缩，压缩后得到高温高压气体，经过冷凝器的冷凝盘体，气体液化放热，从而加热水箱中的水，使得水温上升，液体制冷剂经过膨胀阀59雾化后得到低温的液体制冷剂，低温的液体制冷剂进入到换热器中，与同样流经换热器的高温冷却水进行换热，使得低温的液体制冷剂升温，高温的冷却水降温，既可以提高热效率又可以冷却电堆1，液体制冷剂升温后进入到蒸发器57中蒸发吸热得到气态的制冷剂，气态制冷剂进入压缩机58后实现一次制热循环，压缩机58将气体制冷剂进行压缩重新进入下一次制热循环。总的来说，在本实施例的热水器系统中，压缩机58的通过做功使得制冷剂在热泵热水器系统中流动，通过冷凝盘管512、膨胀阀59、管壳式换热器56和蒸发器57，从而完成热量交换。冷凝盘管512通过与热水水箱511中的水进行热交换，使得水箱内水温升高，通过压缩机58实现的热交换可使得水箱水温升高至90℃以上。
35.在本实施例中，所述余热利用系统还包括第一温度传感器51，所述第一温度传感器51设于所述冷却出水口处，所述第一温度传感器51用于检测所述冷却水的出堆水温。具体地，第一温度传感器51设置在冷却管路上，且位于冷却出水口处，当冷却水从电堆1的冷却出水口流出时，第一温度传感器51即可检测到冷却水的出堆水温，利用第一温度传感器51检测到的出堆水温，可以作为其他冷却部件的控制参数来实现冷却降温。
36.进一步地，所述余热利用系统还包括第二温度传感器52，所述第二温度传感器52设于所述冷却入水口出处，所述第二温度传感器52用于检测所述冷却水的入堆水温。具体地，第二温度传感器52设置在冷却管路上，且位于冷却入水口处，当冷却水从电堆1的冷却入水口流入时，第二温度传感器52即可检测到冷却水的入堆水温，利用第二温度传感器52检测到的入堆水温，可以作为其他控制部件的控制参数来保证电堆1入堆水温恒定。
37.在本实施例中，所述余热利用系统还包括水泵，所述水泵设于所述冷却管路中且靠近所述冷却出水口，所述水泵用于控制所述电堆1流出的所述冷却水的温度。具体地，本实施例的水泵采用电子水泵53，由于电子水泵53是设置在闭合的冷却管路中，因此可以通过调节电子水泵53的转速，从而来调节电堆1的流出的冷却水的出堆水温。示例性地，当第一温度传感器51检测到的出堆水温超过设定阈值t1，则控制电子水泵53提升转速，加快冷却水的流出速度，避免高温的冷却水在电堆1内部堆积，导致电堆1内部温度过高，从而降低电堆1的温度，实现对电堆1的出堆水温进行控制。当第一温度传感器51检测到的出堆水温低于设定阈值t2，则控制电子水泵53降低转速，保证冷却水的水温在正常范围内。
38.在具体实施例中，所述余热利用系统还包括膨胀水箱55，所述膨胀水箱55的一端与所述换热器连接，所述膨胀水箱55的另一端用于与所述冷却入水口连接。具体地，膨胀水箱55中设置有液位传感器用于检测液位高度。膨胀水箱55可将余热利用系统里面的气体排出，还可以给系统补给冷却液，通过提高系统的压力来提高电子水泵53的压力，可防止电子水泵53气蚀的危害产生。
39.进一步地，所述余热利用系统还包括节温器54，所述节温器54包括第一连接端、第二连接端和第三连接端，所述第一连接端连接于所述水泵与所述换热器之间，所述第二连接端连接所述膨胀水箱55的另一端，所述第三连接端连接所述冷却入水口。具体地，节温器54是控制冷却水流动路径的阀门，是一种自动调温装置，通常含有感温组件，借着热胀或冷缩来开启、关掉空气、气体或液体的流动。示例性地，节温器54通过第二温度传感器52检测冷却水的入堆水温，当入堆水温过高时，可以调小节温器54的开度；当入堆水温过低时，可以调大节温器54的开度，由此，通过调节节温器54的开度来调控进入电堆1水温，使电堆1入堆水温恒定。
40.实施例2
41.本实施例提供一种燃料电池系统，包括：燃料电池、余热利用系统、空气系统2、供氢系统3以及配电系统4，所述余热利用系统、所述空气系统2、所述供氢系统3均与电堆1连接，所述余热利用系统为上述实施例所述的余热利用系统。所述余热利用系统已在上述实施例中详细描述，在此不再赘述。本实施例的燃料电池系统主要由燃料电池的电堆1、空气系统2、供氢系统3、配电系统4、余热利用系统组成。空气系统2主要为燃料电池反应提供充足的氧气供应；供氢系统3主要为燃料电池反应提供氢气；配电系统4可实现燃料电池发电的电能转换；余热利用系统可实现热水器系统制热和燃料电池冷却。
42.在本实施例中，所述空气系统2包括空气过滤器21、流量计22、空压机23和节气门25，所述电堆1包括空气入口和空气出口，所述空气过滤器21、所述流量计22、所述空压机23、所述空气入口依次连接，所述空气出口连接所述节气门25。具体地，空气系统2还包括压力传感器24，压力传感器24设置在电堆1的空气入口处，压力传感器24用于检测进入燃料电池电堆1的空气压力。外部空气从空气过滤器21进入，由于外部空气中带有大量的灰尘杂
质，因此本实施例的空气过滤器21用于过滤空气系统2进入电堆1内空气杂质，避免空气灰尘等进入燃料电池电堆1影响电堆1膜电极寿命。空气经过过滤后，流经流量计22，流量计22用于测量进入燃料电池电堆1的空气流量。空压机23在空气系统2中为吸入空气提供动力，通过空压气工作将吸入的空气传输给空气入口，从而实现空气的入堆，而且通过控制空压机23的转速可以调控进入燃料电池电堆1的空气流量。例如，当空气压力过小时，可以提高空压机23的转速，当空气压力过大时，可以降低空压气的转速。电堆1的空气出口通过节气门25排出尾气，其中，通过控制节气门25的开度可以调控燃料电池电堆1的背压。
43.在本实施例中，所述供氢系统3包括氢气瓶组31、供氢回氢组件32、水汽分离器33和第一排放阀34，所述电堆1包括氢气入口和氢气出口，所述氢气瓶组31通过所述供氢回氢组件32连接所述氢气入口，所述氢气出口通过所述水汽分离器33连接所述第一排放阀34，所述水汽分离器33还与所述供氢回氢组件32连接。具体地，氢气瓶组31用来提供氢气，当然可以理解的是，还可以其他类型的氢气源。氢气瓶组31释放氢气，供氢回氢组件32将氢气瓶组31提供的氢气传递给电堆1的氢气入口，从而使氢气进入电堆1。电堆1的氢气出口排出的氢气首先进入到水汽分离器33，供氢回氢组件32将水汽分离器33内的氢气吸出回流，并重新与供给的氢气汇合后重新供给燃料电池电堆1，来保证流量充足，达到较高的阳极计量比和防水淹效果。通过水汽分离器33确保通过供氢回氢组件32进入电堆1的氢气具有一定湿度，维持燃料电池系统功率的稳定。最后，第一排放阀34将燃料电池电堆1反应后剩余的微量氢气排出到空气中。
44.在本实施例中，所述配电系统4包括双向dc/ac变换器41和dc/dc变换器42，所述dc/dc变换器42的一端与所述电堆1连接，所述dc/dc变换器42的另一端与所述双向dc/ac变换器41的一端连接，所述双向dc/ac变换器41的另一端用于输出电源。具体地，电堆1包括正极dc+和负极dc-，dc/dc变换器42的正极hdc+与电堆1的正极dc+连接，dc/dc变换器42的负极hdc-与电堆1的负极dc-连接。双向dc/ac变换器41的正极mdc+和负极mdc-与dc/dc变换器42连接。dc/dc变换器4242用于将燃料电池电堆1反应生成的电能转换成稳定的直流电，该稳定的直流电可为热水器系统的压缩机58供电，或通过双向dc/ac变换器41转换为220v的交流电并网馈电。其次，当燃料电池出现故障或不开启时，可通过双向dc/ac变换器41交流市电侧整流成直流电供热水器系统的压缩机58供电。
45.通过实施本实施例，采用一个管壳式换热器56分别连接冷却管路和热水器系统，通过管壳式换热器56实现电堆1与热水器系统之间的能量交换，能够实现热水器系统制热的同时冷却电堆1，提高电堆1整体运行效率和热水器的制热效率。通过dc/dc变换器42可实现电堆1发电供能热水器系统的压缩机58，并通过双向dc/ac变换器41实现电堆1发电并网。系统采用燃料电池作为能源，反应过程清洁无污染，系统结构简单，实现稳定可靠的供热、供电，系统结构简单，可实现燃料电池低品位余热的高效利用和热水器系统的高效制热。
46.综上，本领域技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利技术特征可以自由地组合、叠加。
47.以上，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。