一种质子交换膜氢燃料电池热电联产系统的制作方法

本技术涉及质子交换膜氢燃料电池，特别涉及一种质子交换膜氢燃料电池热电联产系统。

背景技术：

1、燃料电池热电联产系统是指利用燃料电池发电技术实现向用户供给电能和热能的一种能源供给技术，具有效率高、噪音低、体积小、排放低等优势，适用于靠近用户的千瓦至兆瓦级的分布式发电系统，能源综合利用效率可高达80%以上，是燃料电池技术在非交通领域的重要应用之一。目前全球范围燃料电池技术路线以及应用在热电联供领域主要以质子交换膜燃料电池（pemfc）和固态氧化燃料电池（sofc）为主。其中，质子交换膜燃料电池(pemfc)因其具有高效环保等特点备受青睐。

2、质子交换膜燃料电池的结构组成从其中心至两侧分别为质子交换膜、催化剂层(cl)、微孔层(mpl)、气体扩散层(gdl)、双极板(bpp)等，其发电原理是通过氢气在阳极失去电子被氧化，氧气在阴极与穿过质子交换膜而来的氢离子以及外电路传输而来的电子结合生成水，并放出大量的热量。如何处理好这部分热量，是质子交换膜燃料电池商业化的最重要问题之一。据统计，质子交换膜燃料电池的能量转换效率为50%左右，意味着有50%的能量以热能形式释放出来，释放的热量很大。如何将质子交换膜燃料电池产生的热量利用起来实现热电联产，以满足用户日常生活的电能以及热能的需求，具有很高的研究价值。

技术实现思路

1、本实用新型的主要目的是提出一种质子交换膜氢燃料电池热电联产系统，旨在将质子交换膜燃料电池所产生的热量与用户日常生活相结合，使得热量利用得到最大化，实现提高系统的能源利用效率。

2、为实现上述目的，本实用新型提出一种质子交换膜氢燃料电池热电联产系统，包括：

3、燃料电池系统，所述燃料电池系统包括电堆总成、氢气系统、空气系统以及热管理系统，所述氢气系统、所述空气系统以及所述热管理系统均与所述电堆总成相连接；所述氢气系统用于负责所述电堆总成所需氢气的供给及排出；所述空气系统用于负责所述电堆总成所需空气的供给及排出；所述热管理系统包括第一冷却循环回路，所述第一冷却循环回路包括板式换热器，所述板式换热器的第一侧与所述电堆总成相连接，所述第一冷却循环回路中流动有第一液体；

4、供热系统，所述供热系统包括所述板式换热器，所述板式换热器的第二侧与取暖设备相连接，所述供热系统中流动有第二液体，所述第二液体用于作为所述取暖设备的热量来源；其中，所述板式换热器用于将所述第一液体与所述第二液体相互换热，以使所述第一液体的温度下降且所述第二液体的温度上升。

5、可选地，所述电堆总成包括氢气入口以及氢气出口，所述氢气系统包括相连通的氢气源和氢气循环回路，所述氢气循环回路串设有氢循环泵，所述氢循环泵的进气端与所述氢气出口连通，所述氢循环泵的出气端与所述氢气入口连通。

6、可选地，所述电堆总成包括空气入口以及空气出口，所述空气系统包括进气支路和出气支路；所述进气支路依次串设有空气过滤器、空压机、中冷器以及增湿器的第一侧，所述增湿器的第一侧与所述空气入口连通；所述出气支路依次串设有所述增湿器的第二侧、混合室以及第一气液分离器，所述增湿器的第二侧与所述空气出口连通，所述第一气液分离器的气体输出端与消音器连接。

7、可选地，所述氢气循环回路还串联设置有第二气液分离器，所述第二气液分离器位于所述氢气出口与所述氢循环泵之间；所述氢气循环回路还包括第一排水支路以及第二排水支路，所述第一排水支路以及所述第二排水支路的输出端均连接所述混合室；所述第一排水支路的输入端连接所述第二气液分离器，所述第一排水支路串设有第一排水阀；所述第二排水支路的输入端连接在所述氢循环泵与所述氢气入口之间，所述第二排水支路串设有第二排水阀。

8、可选地，所述电堆总成包括冷却液入口以及冷却液出口，所述第一冷却循环回路串设有第一水泵、第一过滤器、散热器以及所述板式换热器的第一侧，所述第一水泵与所述冷却液入口连通，所述板式换热器的第一侧与所述冷却液出口连通。

9、可选地，所述热管理系统还包括第一加热支路，所述第一加热支路的入口端通过第一三通阀设置在所述冷却液出口与所述板式换热器之间，所述第一加热支路的出口端设置在所述散热器与所述第一过滤器之间；所述第一加热支路上设置有第一水加热器。

10、可选地，所述热管理系统还包括第二冷却循环回路，所述第二冷却循环回路的入口端设置在所述第一水泵与所述冷却液入口之间，所述第二冷却循环回路的出口端设置在所述第一三通阀与所述冷却液出口之间；所述第二冷却循环回路流经所述中冷器。

11、可选地，所述热管理系统还包括第一稳压支路，所述第一稳压支路的入口端设置在所述冷却液出口以及所述板式换热器之间，所述第一稳压支路的出口端设置在所述散热器以及所述第一过滤器之间，所述第一稳压支路依次串设有去离子器以及第一膨胀水箱，所述第一膨胀水箱的排气端连接所述散热器。

12、可选地，所述供热系统串设有所述板式换热器的第二侧、热水储水箱、所述取暖设备、第二水泵以及第二过滤器；其中所述取暖设备包括并联连接的地暖设备以及暖气设备。

13、可选地，所述热水储水箱包括第一进水口、第二进水口、第三进水口、第一出水口、第二出水口以及第三出水口；所述第一进水口与所述板式换热器连通，所述第一出水口与所述取暖设备连通；所述第二进水口与所述第一气液分离器的液体输出端连接，所述第三进水口与外部的自来水管道连接；所述第二出水口连接生活用水支；所述第三出水口连接排污管道。

14、可选地，所述供热系统包括第二稳压支路，所述第二稳压支路的入口端以及出口端分别设置在所述取暖设备的两端，所述第二稳压支路上设有第二膨胀水箱。

15、可选地，包括两个所述第二水泵，两个所述第二水泵并联连接，所述第二水泵的出水端以及进水端均设有第二截止阀。

16、与现有技术相比，本实用新型的有益效果：

17、本实用新型将燃料电池系统中的热管理系统与供热系统通过板式换热器相互交联，使得对电堆总成进行冷却后具有高热量的第一液体通过板式换热器与第二液体进行热量交换，一方面使得第一液体的温度下降以便于重新作为电堆总成的冷却液循环使用，另一方面使得第二液体的温度上升以作为取暖设备9的热量来源，从而将质子交换膜燃料电池所产生的热量与用户日常生活相结合，使得热量利用得到最大化，实现提高系统的能源利用效率。

技术特征：

1.一种质子交换膜氢燃料电池热电联产系统，其特征在于：包括：

2.根据权利要求1所述的质子交换膜氢燃料电池热电联产系统，其特征在于：所述电堆总成包括氢气入口以及氢气出口，所述氢气系统包括相连通的氢气源和氢气循环回路，所述氢气循环回路串设有氢循环泵，所述氢循环泵的进气端与所述氢气出口连通，所述氢循环泵的出气端与所述氢气入口连通。

3.根据权利要求2所述的质子交换膜氢燃料电池热电联产系统，其特征在于：所述电堆总成包括空气入口以及空气出口，所述空气系统包括进气支路和出气支路；所述进气支路依次串设有空气过滤器、空压机、中冷器以及增湿器的第一侧，所述增湿器的第一侧与所述空气入口连通；所述出气支路依次串设有所述增湿器的第二侧、混合室以及第一气液分离器，所述增湿器的第二侧与所述空气出口连通，所述第一气液分离器的气体输出端与消音器连接。

4.根据权利要求3所述的质子交换膜氢燃料电池热电联产系统，其特征在于：所述氢气循环回路还串联设置有第二气液分离器，所述第二气液分离器位于所述氢气出口与所述氢循环泵之间；所述氢气循环回路还包括第一排水支路以及第二排水支路，所述第一排水支路以及所述第二排水支路的输出端均连接所述混合室；所述第一排水支路的输入端连接所述第二气液分离器，所述第一排水支路串设有第一排水阀；所述第二排水支路的输入端连接在所述氢循环泵与所述氢气入口之间，所述第二排水支路串设有第二排水阀。

5.根据权利要求3所述的质子交换膜氢燃料电池热电联产系统，其特征在于：所述电堆总成包括冷却液入口以及冷却液出口，所述第一冷却循环回路串设有第一水泵、第一过滤器、散热器以及所述板式换热器的第一侧，所述第一水泵与所述冷却液入口连通，所述板式换热器的第一侧与所述冷却液出口连通。

6.根据权利要求5所述的质子交换膜氢燃料电池热电联产系统，其特征在于：所述热管理系统还包括第一加热支路，所述第一加热支路的入口端通过第一三通阀设置在所述冷却液出口与所述板式换热器之间，所述第一加热支路的出口端设置在所述散热器与所述第一过滤器之间；所述第一加热支路上设置有第一水加热器。

7.根据权利要求6所述的质子交换膜氢燃料电池热电联产系统，其特征在于：所述热管理系统还包括第二冷却循环回路，所述第二冷却循环回路的入口端设置在所述第一水泵与所述冷却液入口之间，所述第二冷却循环回路的出口端设置在所述第一三通阀与所述冷却液出口之间；所述第二冷却循环回路流经所述中冷器。

8.根据权利要求3所述的质子交换膜氢燃料电池热电联产系统，其特征在于：所述供热系统串设有所述板式换热器的第二侧、热水储水箱、所述取暖设备、第二水泵以及第二过滤器；其中所述取暖设备包括并联连接的地暖设备以及暖气设备。

9.根据权利要求8所述的质子交换膜氢燃料电池热电联产系统，其特征在于：所述热水储水箱包括第一进水口、第二进水口、第三进水口、第一出水口、第二出水口以及第三出水口；所述第一进水口与所述板式换热器连通，所述第一出水口与所述取暖设备连通；所述第二进水口与所述第一气液分离器的液体输出端连接，所述第三进水口与外部的自来水管道连接；所述第二出水口连接生活用水支路；所述第三出水口连接排污管道。

10.根据权利要求8所述的质子交换膜氢燃料电池热电联产系统，其特征在于：包括两个所述第二水泵，两个所述第二水泵并联连接，所述第二水泵的出水端以及进水端均设有第二截止阀。

技术总结
本技术公开了一种质子交换膜氢燃料电池热电联产系统，包括电堆总成、氢气系统、空气系统以及热管理系统，所述氢气系统、所述空气系统以及所述热管理系统均与所述电堆总成相连接；所述热管理系统包括第一冷却循环回路，所述第一冷却循环回路包括板式换热器，所述板式换热器的第一侧与所述电堆总成相连接；供热系统，所述供热系统包括所述板式换热器，所述板式换热器的第二侧与取暖设备相连接。通过本技术将质子交换膜燃料电池所产生的热量与用户日常生活相结合，使得热量利用得到最大化，实现提高系统的能源利用效率。

技术研发人员：郭跃新,曹桂军,吴苗丰,罗少伟,付苏明,王亮
受保护的技术使用者：扬州氢蓝时代新能源科技有限公司
技术研发日：20230328
技术公布日：2024/1/15