CN106252693B - 电池系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电池系统。该系统包括：电解单元，用于电解水产生氢气和氧气，其中氢气和氧气中混有水蒸气；燃料电池单元，与电解单元相连，利用空气和电解单元产生的氢气的反应产生热能；第一换热单元，电解单元产生的氢气和/或氧气通过第一换热单元以利用第一换热单元吸收氢气和/或氧气中的热量并将水蒸气液化成冷却水；热用户单元，与第一换热单元相连以回收利用第一换热单元产生的热量。通过本发明，解决了相关技术中质子交换膜燃料电池系统的能量利用效率低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及电池领域，具体而言，涉及一种电池系统。
背景技术
质子交换膜燃料电池系统需要以氢气作为反应原料。目前，一般采用高压储氢的方式，然而，其放电的可持续性受储氢装置的规模限制，需定期补充氢气燃料。现有技术也有一些用于提供氢气燃料其他方法：例如，方法一，用重整器将富氢燃料转化为氢气提供给燃料电池作为燃料，但存在以下问题，重整器需要消耗额外电力及造成热量能量损耗，重整器需要脱硫脱一氧化碳造成其系统极为复杂昂贵；方法二，使用市电作为能量来源通过电解电堆制氢，以提供燃料电池作为燃料，但该系统分别包含电解电堆与燃料电池堆，系统集成性较低，造成可靠性不足；不涉及系统中水的循环利用，系统可持续性不足；不涉及系统能量的综合管理，使用市电作为能量主要来源经过二次转换，造成能量效率较低。
针对相关技术中质子交换膜燃料电池系统的能量利用效率低的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种电池系统，以解决相关技术中质子交换膜燃料电池系统的能量利用效率低的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种电池系统，该系统包括：电解单元，用于电解水产生氢气和氧气，其中所述氢气和所述氧气中混有水蒸气；燃料电池单元，与所述电解单元相连，利用空气和所述电解单元产生的所述氢气的反应产生热能；第一换热单元，所述电解单元产生的氢气和/或氧气通过所述第一换热单元以利用所述第一换热单元吸收所述氢气和/或所述氧气中的热量并将所述水蒸气液化成冷却水；热用户单元，与所述第一换热单元相连以回收利用所述第一换热单元产生的热量。
进一步地，所述电池系统还包括冷却水回收管线，所述冷却水回收管线连接所述第一换热单元和所述电解单元，将所述第一换热单元产生的所述冷却水输送至所述电解单元为所述电解单元提供电解水。
进一步地，所述电池系统还包括冷却水储存单元，设置在所述冷却水回收管线上。
进一步地，所述冷却水储存单元为恒温水箱。
进一步地，所述第一换热单元包括第一换热器，所述第一换热器设置在所述电解单元与所述燃料电池单元之间，用于吸收所述电解单元产生的所述氢气中的热量以将所述氢气中的水蒸气冷却为冷却水；所述电池系统还包括第一汽水分离器，第一汽水分离器设置在所述第一换热器与所述燃料电池单元之间，并且与所述冷却水储存单元相连，用于将经过所述第一换热器之后的所述氢气中的所述冷却水分离出来，将所述冷却水输送至所述冷却水储存单元。
进一步地，所述第一换热单元包括第二换热器，所述第二换热器设置在所述电解单元与所述冷却水储存单元之间，用于吸收所述电解单元产生的氧气中的热量以将所述氧气中的水蒸气冷却为冷却水；所述电池系统还包括第二汽水分离器，所述第二汽水分离器设置在所述第二换热器与所述冷却水储存单元之间，用于将经过所述第二换热器之后的所述氧气中的冷却水分离出来，并将所述冷却水输送至所述冷却水储存单元。
进一步地，所述燃料电池单元产生的阳极尾气和/或阴极尾气中具有水蒸气，所述电池系统还包括第二换热单元，所述阳极尾气和/或所述阴极尾气通过所述第二换热单元以利用所述第二换热单元吸收所述阳极尾气和/或阴极尾气中的热量并将其中的所述水蒸气液化成冷却水，所述热用户单元与所述第二换热单元相连以回收利用所述第二换热单元产生的热量。
进一步地，所述第二换热单元包括第三换热器，与所述燃料电池单元连接，用于吸收所述燃料电池单元产生的阳极尾气中的热量；所述电池系统还包括：第三汽水分离器，与所述第三换热器连接，用于将经过所述第三换热器之后的所述阳极尾气中的水分分离，将分离出的水分输送至所述冷却水储存单元。
进一步地，所述第二换热单元包括：第四换热器，与所述燃料电池单元连接，用于吸收所述燃料电池单元产生的阴极尾气中的热量；所述电池系统还包括：第四汽水分离器，与所述第四换热器连接，用于将经过所述第四换热器之后的所述阴极尾气中的水分分离，将分离出的水分输送至所述冷却水储存单元。
进一步地，所述第一换热单元还包括：第五换热器，与所述电解单元连接，用于吸收所述电解单元释放的热量；所述第二换热单元还包括：第六换热器，与所述燃料电池单元连接，用于吸收所述燃料电池单元释放的热量。
进一步地，所述系统还包括：第一液体泵，与所述冷却水储存单元和所述电解单元连接，用于将所述冷却水储存单元中的水输送到所述电解单元中；第二液体泵，与所述冷却水储存单元和所述燃料电池单元连接，用于将所述冷却水储存单元中的水输送至所述燃料电池单元处，为所述燃料电池单元提供冷却水。
进一步地，所述第五换热器中有冷却水，所述系统的工作模式包括电解制氢模式和燃料电池发电模式，在所述电解制氢模式下，所述第五换热器中的冷却水流量Qw通过以下公式计算：
其中，ρw为水的密度，Cw为水的比热容，TEC为工作温度，THE3为第五热交换器的冷热流之间最低温差，T0为冷却水的温度，n_cell_EC为所述电解单元中电解单元的节数，VEC为每节电解单元的工作电压，IEC为所述电解单元的工作电流。
进一步地，所述第六换热器中有冷却水，所述电池系统的工作模式包括电解制氢模式和燃料电池发电模式，在所述燃料电池发电模式下，所述第六换热器中的冷却水流量Qw通过以下公式计算：
其中，ρw为水的密度，Cw为水的比热容，TFC为工作温度，THE6为第六热交换器的冷热流之间最低温差，T0为冷却水的温度，n_cell_FC为所述燃料电池单元中燃料电池的节数，VFC为每节燃料电池的工作电压，IFC为所述燃料电池的工作电流。
进一步地，所述第三汽水分离器具有气体出口和冷却水出口，所述冷却水出口与所述冷却水储存单元相连，所述电池系统还包括：燃烧器，与所述第三汽水分离器的所述气体出口相连，具有产物出口；第七换热器，与所述燃烧器的所述产物出口连接。
进一步地，所述系统的工作模式包括电解制氢模式和燃料电池发电模式，在所述电解制氢模式下，所述燃烧器的燃烧供氢量QH通过以下公式计算：
其中，Q0为用户用水需求量，ρw为水的密度，Cw为水的比热容，Txhot为所述燃烧器出口处高温热水箱的设定温度，T8为所述燃烧器入口处的中温热水箱的实时监测温度，EH为氢气热值，ηHE7为燃烧器与所述第七换热器的热能效率。
本发明通过电解单元，用于电解水产生氢气和氧气，其中所述氢气和所述氧气中混有水蒸气；燃料电池单元，与所述电解单元相连，利用空气和所述电解单元产生的所述氢气的反应产生热能；第一换热单元，所述电解单元产生的氢气和/或氧气通过所述第一换热单元以利用所述第一换热单元吸收所述氢气和/或所述氧气中的热量并将所述水蒸气液化成冷却水；热用户单元，与所述第一换热单元相连以回收利用所述第一换热单元产生的热量，由于采用了第一换热单元吸收电解电堆和燃料电池管道中的汽水混合物的热量，对能量进行回收，解决了相关技术中质子交换膜燃料电池系统的能量利用效率低的问题，进而达到了对热量进行回收以提高能量利用效率的效果。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明第一实施例的电池系统的示意图；
图2是根据本发明第二实施例的电池系统的示意图；
图3是根据本发明第三实施例的电池系统的示意图；
图4是根据本发明实施例的热水供给示意图；以及
图5是根据本发明实施例的换热子系统示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请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。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明实施例提供了一种电池系统。
图1是根据本发明第一实施例的电池系统的示意图，如图1所示，该系统包括：
电解单元10，用于电解水产生氢气和氧气，其中氢气和氧气中混有水蒸气。
燃料电池单元20，与电解单元10相连，利用空气和电解单元10产生的氢气的反应产生热能。
第一换热单元30，电解单元10产生的氢气和/或氧气通过第一换热单元以利用第一换热单元30吸收氢气和/或氧气中的热量并将水蒸气液化成冷却水。
热用户单元40，与第一换热单元30相连以回收利用第一换热单元30产生的热量。
热用户单元40可以是需要使用热量的装置，第一换热单元30可以将热量输送至热用户单元以实现热量的回收利用。
该实施例通过模块化设计燃料电池与电解制氢的一体化系统，并将系统中各个发热模块的热量通过多个换热器进行热量回收，同时将系统中各个模块产生的液态水进行回收并用于系统自身用水(如电解用水等)，解决了相关技术中质子交换膜燃料电池系统的能量利用效率低的问题，从而提高系统运行的可持续性与系统能量效率；设计一体化恒温水箱，减少系统部件数量，降低成本，提高系统集成度与可靠性，提高充电与放电模式的切换速率，同时提高一体化系统的热效率与总能量效率；为了进一步提高系统供热品质，通过多模块的换热子系统设计与控制，实现可控温的热水供给，进而达到了对热量进行回收以提高能量利用效率的效果。
可选地，电池系统还包括冷却水回收管线，冷却水回收管线连接第一换热单元30和电解单元10，将第一换热单元30产生的冷却水输送至电解单元10为电解单元10提供电解水。
可选地，电池系统还包括冷却水储存单元，设置在冷却水回收管线上。
可选地，冷却水储存单元为恒温水箱。
可选地，第一换热单元30包括第一换热器，第一换热器设置在电解单元10与燃料电池单元20之间，用于吸收电解单元10产生的氢气中的热量以将氢气中的水蒸气冷却为冷却水；电池系统还包括第一汽水分离器，第一汽水分离器设置在第一换热器与燃料电池单元20之间，并且与冷却水储存单元相连，用于将经过第一换热器之后的氢气中的冷却水分离出来，将冷却水输送至冷却水储存单元。
可选地，第一换热单元30包括第二换热器，第二换热器设置在电解单元10与冷却水储存单元之间，用于吸收电解单元10产生的氧气中的热量以将氧气中的水蒸气冷却为冷却水；电池系统还包括第二汽水分离器，第二汽水分离器设置在第二换热器与冷却水储存单元之间，用于将经过第二换热器之后的氧气中的冷却水分离出来，并将冷却水输送至冷却水储存单元。
可选地，燃料电池单元20产生的阳极尾气和/或阴极尾气中具有水蒸气，电池系统还包括第二换热单元，阳极尾气和/或阴极尾气通过第二换热单元以利用第二换热单元吸收阳极尾气和/或阴极尾气中的热量并将其中的水蒸气液化成冷却水，热用户单元40与第二换热单元相连以回收利用第二换热单元产生的热量。
可选地，第二换热单元包括第三换热器，与燃料电池单元20连接，用于吸收燃料电池单元20产生的阳极尾气中的热量；电池系统还包括：第三汽水分离器，与第三换热器连接，用于将经过第三换热器之后的阳极尾气中的水分分离，将分离出的水分输送至冷却水储存单元。
可选地，第二换热单元包括：第四换热器，与燃料电池单元20连接，用于吸收燃料电池单元20产生的阴极尾气中的热量；电池系统还包括：第四汽水分离器，与第四换热器连接，用于将经过第四换热器之后的阴极尾气中的水分分离，将分离出的水分输送至冷却水储存单元。
可选地，第一换热单元30还包括：第五换热器，与电解单元10连接，用于吸收电解单元10释放的热量；第二换热单元还包括：第六换热器，与燃料电池单元20连接，用于吸收燃料电池单元20释放的热量。
可选地，系统还包括：第一液体泵，与冷却水储存单元和电解单元10连接，用于将冷却水储存单元中的水输送到电解单元10中；第二液体泵，与冷却水储存单元和燃料电池单元20连接，用于将冷却水储存单元中的水输送至燃料电池单元20处，为燃料电池单元20提供冷却水。
可选地，第五换热器中有冷却水，系统的工作模式包括电解制氢模式和燃料电池发电模式，在电解制氢模式下，第五换热器中的冷却水流量Qw通过以下公式计算：
其中，ρw为水的密度，Cw为水的比热容，TEC为工作温度，THE3为第五热交换器的冷热流之间最低温差，T0为冷却水的温度，n_cell_EC为电解单元10中电解单元10的节数，VEC为每节电解单元10的工作电压，IEC为电解单元10的工作电流。
可选地，第六换热器中有冷却水，电池系统的工作模式包括电解制氢模式和燃料电池发电模式，在燃料电池发电模式下，第六换热器中的冷却水流量Qw通过以下公式计算：
其中，ρw为水的密度，Cw为水的比热容，TFC为工作温度，THE6为第六热交换器的冷热流之间最低温差，T0为冷却水的温度，n_cell_FC为燃料电池单元20中燃料电池的节数，VFC为每节燃料电池的工作电压，IFC为燃料电池的工作电流。
可选地，第三汽水分离器具有气体出口和冷却水出口，冷却水出口与冷却水储存单元相连，电池系统还包括：燃烧器，与第三汽水分离器的气体出口相连，具有产物出口；第七换热器，与燃烧器的产物出口连接。
可选地，系统的工作模式包括电解制氢模式和燃料电池发电模式，在电解制氢模式下，燃烧器的燃烧供氢量QH通过以下公式计算：
其中，Q0为用户用水需求量，ρw为水的密度，Cw为水的比热容，Txhot为燃烧器出口处高温热水箱的设定温度，T8为燃烧器入口处的中温热水箱的实时监测温度，EH为氢气热值，ηHE7为燃烧器与第七换热器的热能效率。
下面结合具体的实施方式对本发明实施例的电池系统进一步说明：
图2是根据本发明第二实施例的电池系统的示意图，该电池系统为电解制氢-燃料电池一体化热电联供系统，如图2所示，001为输入电能，为电网谷期的电能或者太阳能风能等新能源余裕电能，在系统充电期间作为输入能量；002为燃料电池输出电能，在系统放电时的输出电能；在系统充电或放电期间均能产生热能，则通过热交换子系统进行热能回收，并通过热水的形式向用户提供热能，HE1～HE7表示热交换器。其中，HE1为第一换热器，HE2是第二换热器，HE5是第三换热器，HE4是第四换热器，HE3是第五换热器，HE6是第六换热器，HE7为第七换热器，燃料电池单元可以是燃料电池电堆，电解单元可以是电解电堆。
101～107为氢气侧气体流程，其中，101为电解电堆通过电解水产生的氢气(含有一定水蒸气)；102为冷凝脱水后的氢气，冷凝放热通过HE1进行热量回收，冷凝水402回收至一体化恒温水箱；103为氢气瓶输出的氢气供燃料电池反应；104为经过燃料电池反应后的剩余氢气(含有一定水蒸气)，冷凝放热通过HE5进行热量回收，冷凝水405回收至一体化恒温水箱；105为冷凝脱水后的剩余氢气并经过燃烧器燃烧放热，燃烧尾气106的热量通过HE7进行回收；107为由储氢罐直接供氢给燃烧器燃烧的氢气路线。
201～202为电解制氢的氧气侧气体流程，其中，201为电解电堆通过电解水产生的氧气(含有一定水蒸气)；202为冷凝脱水后的氧气，冷凝放热通过HE2进行热量回收，冷凝水403回收至一体化恒温水箱。电解过程产生的氧气可排放至大气中，也可经压缩机增压存储于氧气储存瓶作为副产品。
301～304为燃料电池空气侧气体流程，其中，301为环境空气，经过滤(图中未显示)、增压传输(302)至燃料电池进行反应；303为经燃料电池反应发电后剩余的空气(含有一定水蒸气)，冷凝放热通过HE4进行热量回收，冷凝水406回收至一体化恒温水箱；304为冷凝脱水后的剩余空气，排放尾气。
401～408为液态水流程，包括电解反应用水、冷却水、以及水蒸气冷凝水等。(注：401～408表示的液态水流程均为蒸馏水或去离子水等，可直接用于电解用水或者燃料电池的冷却用水；区别于用户使用的热水源，比如一般的自来水)其中，401为电解电堆电解水循环回路，电解所需的水由一体化恒温水箱内部的去离子水提供，电解电堆反应产生的热量回收至HE3；402为氢气的冷凝水，回收至一体化恒温水箱；403为氧气的冷凝水，回收至一体化恒温水箱；404为燃料电池冷却水回路，一体化恒温水箱也作为冷却水循环水箱，燃料电池电堆反应产生的热量回收至HE6；405为燃料电池阳极尾气冷凝水，回收至一体化恒温水箱；406为燃料电池阴极尾气冷凝水，回收至一体化恒温水箱；407为外部去离子水源供水；408为水箱溢满时向外部排水。
该系统中的燃料电池采用具备一定自加湿能力的电池堆，因此在系统没有采用加湿器部件，自加湿电堆的输出性能略低于带有外加湿器的普通电堆性能，但采用自加湿电堆的系统省去了加湿器部件及其换热换水过程，并提高了系统整体热交换模块的换热效率、集成度、可控性。
图3是根据本发明第三实施例的电池系统的示意图，如图3所示，E1～E7分别为系统中相应部件释放的热量，E1、E2分别为电解产生的氢气与氧气中水蒸气冷凝时释放的热量，分别回收至热交换器HE1与HE2；E3为电解电堆在电解水反应过程释放的热量，回收至热交换器HE3；E5、E4分别为阳极与阴极尾气中水蒸气冷凝时释放的热量，分别回收至热交换器HE5与HE4；E6为燃料电池反应放热，回收至热交换器HE6；E7为燃料电池阳极尾气剩余氢气经燃烧释放的热量，回收至热交换器HE7。热交换器HE1～HE7回收的热量通过冷水流进行热交换，分别将热能XE1～XE7释放给冷水流使其升温，最终向用户提供所需温度的热水水源。
图4是根据本发明实施例的热水供给示意图，图5是根据本发明实施例的换热子系统示意图，在图2与图3中主要给出电池系统的示意图，并没有显示冷水流的实际换热方式，在图4与图5中主要描述冷水流的换热方式与控制策略。其中，HE1～HE7为热交换器，T0～T9分别为各个阶段冷水流的温度，实线为冷流，虚线为热流。
如图4所示，当一体化系统处于充电状态(即电解制氢状态)，冷水源501(温度T0)通过502进入HE1进行热交换(其热源为电解水产生的氢气101(含有一定水蒸气)冷凝脱水的释放热量)，温度提高至T1；随后，5021进入HE2进行热交换(其热源为电解水产生的氧气201(含有一定水蒸气)冷凝脱水的释放热量)，温度提高至T2；随后，5022进入HE3进行热交换(其热源为电解电堆在电解水反应过程释放的热量)，温度提高至T3；随后，5023进入HE7进行热交换(其热源为氢气燃烧产生的热量)，温度提高至T7，该过程由图1中的107氢气供给路线实现；随后，504进入热水箱，505为热水箱对用户提供的热水。
如图5所示，当一体化系统处于放电状态(即燃料电池发电状态)，冷水源501(温度T0)通过503进入HE4进行热交换(其热源为经燃料电池反应发电后剩余的空气(含有一定水蒸气)303，经冷凝脱水释放的热量)，温度提高至T4；随后，5031进入HE5进行热交换(其热源为经燃料电池反应发电后剩余的氢气(含有一定水蒸气)104，经冷凝脱水释放的热量)，温度提高至T5；随后，5032进入HE6进行热交换(其热源为燃料电池发电过程释放的热量)，温度提高至T6；随后，5033进入HE7进行热交换(其热源为氢气燃烧产生的热量)，温度提高至T7，该过程由图1中的105燃料电池出口剩余氢气的供给路线实现；随后，504进入热水箱，505为热水箱对用户提供的热水。
为了获得可控温度的热水源，通过一体化系统的操作参数，推导出冷水流量从而实时控制，同时控制氢气燃烧器的供热量，以供应用户需求温度的热水源，同时最大化系统的能量效率。
设冷水源的流量为Qw，用户设置热水箱需求温度为Tx，水的比热容为Cw，水的密度为ρw。
设电解制氢电堆的节数为n_cell_EC，节电池工作电压为VEC，工作电流为IEC，工作温度为TEC；设热交换器HE3的冷热流之间最低温差为THE3(该值为热交换器的工作参数之一，为已知参数)；
设燃料电池电堆的节数为n_cell_FC，节电池工作电压为VFC，工作电流为IFC，工作温度为TFC；设热交换器HE6的冷热流之间最低温差为THE6(该值为热交换器的工作参数之一，为已知参数)；
根据上述工作条件与固有参数，可推导出一体化系统在电解制氢工作模式下，实时所需的冷水流量Qw：
此时，若用户需求热水温度Tx<T3，则无需通过107额外供氢进行燃烧，燃烧器不工作；若用户需求热水温度Tx>T3，则需通过107额外供氢进行燃烧，从而提升504水流的温度T7，直至T7＝Tx。
根据上述工作条件与固有参数，可推导出一体化系统在燃料电池发电工作模式下，实时所需的冷水流量Qw：
此时，燃料电池氢气尾气均通过105进入燃烧器燃烧，进一步将水流温度T6提升至T7，若用户需求热水温度Tx<T7，则用户取水通过热水箱内的热水与冷源自来水混合至需求的温度；若用户需求热水温度Tx>T7，则提高燃料电池进口处氢气103的流量，从而提高出口处氢气燃烧量，从而提升504水流的温度T7，直至T7＝Tx。
图4与图5的设计方案在HE1～HE6热交换模块区域类似，在后端通过中温热水箱与高温热水箱的配合，实现更为灵活的热水供应。其中，电解制氢模式下产生的热水5023与燃料电池发电模式下产生的热水5033，均通入中温热水箱，其实时温度为T8，该温度一般略低于燃料电池与电解制氢电堆的工作温度；中温水箱的部分水504，通过氢气燃烧与HE7换热升温至T9，形成505，并通入高温热水箱。
设T8为中温热水箱的实时监测温度，Txhot为高温热水箱的用户设置温度。高温热水箱内部水的体积为Vhot，Vhot处于V1与V2之间。一般V1取水箱容积的20％～25％，V2取水箱容积的90％～95％。
当一体化系统处于充电状态(即电解制氢状态)：
若Vhot<V1，则接入107额外供氢燃烧，根据用户用水需求量Q0推导出所需的燃烧供氢量QH；
其中，EH为氢气热值，ηHE7为燃烧器与热交换器HE7的热能效率。
若Vhot>V1，则无需进行额外供氢燃烧。
当一体化系统处于放电状态(即燃料电池发电状态)，通过燃料电池出口处氢气105进入燃烧器燃烧，进一步将水流温度T8提升至T9，若T9<Txhot，则降低中温热水箱至高温热水箱的水流速度，直至T9＝Txhot。若Vhot>V2，则停止燃料电池出口氢气的燃烧，同时停止热水由中温热水箱至高温热水箱的供水，燃料电池出口氢气直接排放。
通过上述的本发明实施例的电池系统，能够实现电解制氢和燃料电池的一体化联供，通过多个换热模块换热，采用热水供给系统设计方案及控制策略控制，能够为用户同时提供稳定的电能(平稳的功率输出)，同时在保证高效的能量利用效率(热电联供效率)的前提下，提供可控温的优质热水源；系统集成度更高，省去了多个热交换模块、水箱、水泵及其控制部件，同时降低了成本；一体化恒温水箱的存在能够大幅提高系统充电与放电运行模式的切换速度；系统可持续性高，无需定期更换氢气瓶；系统可持续性高，充放电过程中各模块产生的水，实现最大限度的能量回收利用。
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种电池系统，其特征在于，包括：
电解单元，用于电解水产生氢气和氧气，其中所述氢气和所述氧气中混有水蒸气；
燃料电池单元，与所述电解单元相连，利用空气和所述电解单元产生的所述氢气的反应产生热能；
第一换热单元，所述电解单元产生的氢气和/或氧气通过所述第一换热单元以利用所述第一换热单元吸收所述氢气和/或所述氧气中的热量并将所述水蒸气液化成冷却水；
热用户单元，与所述第一换热单元相连以回收利用所述第一换热单元产生的热量；
其中，所述电池系统还包括冷却水回收管线，所述冷却水回收管线连接所述第一换热单元和所述电解单元，将所述第一换热单元产生的所述冷却水输送至所述电解单元为所述电解单元提供电解水；
其中，所述电池系统还包括冷却水储存单元，设置在所述冷却水回收管线上；
其中，所述燃料电池单元产生的阳极尾气和/或阴极尾气中具有水蒸气，所述电池系统还包括第二换热单元，所述阳极尾气和/或所述阴极尾气通过所述第二换热单元以利用所述第二换热单元吸收所述阳极尾气和/或阴极尾气中的热量并将其中的所述水蒸气液化成冷却水，所述热用户单元与所述第二换热单元相连以回收利用所述第二换热单元产生的热量。
2.根据权利要求1所述的电池系统，其特征在于，所述冷却水储存单元为恒温水箱。
3.根据权利要求1所述的电池系统，其特征在于，
所述第一换热单元包括第一换热器，所述第一换热器设置在所述电解单元与所述燃料电池单元之间，用于吸收所述电解单元产生的所述氢气中的热量以将所述氢气中的水蒸气冷却为冷却水；
所述电池系统还包括第一汽水分离器，第一汽水分离器设置在所述第一换热器与所述燃料电池单元之间，并且与所述冷却水储存单元相连，用于将经过所述第一换热器之后的所述氢气中的所述冷却水分离出来，将所述冷却水输送至所述冷却水储存单元。
4.根据权利要求1所述的电池系统，其特征在于，
所述第一换热单元包括第二换热器，所述第二换热器设置在所述电解单元与所述冷却水储存单元之间，用于吸收所述电解单元产生的氧气中的热量以将所述氧气中的水蒸气冷却为冷却水；
所述电池系统还包括第二汽水分离器，所述第二汽水分离器设置在所述第二换热器与所述冷却水储存单元之间，用于将经过所述第二换热器之后的所述氧气中的冷却水分离出来，并将所述冷却水输送至所述冷却水储存单元。
5.根据权利要求1所述的电池系统，其特征在于，
所述第二换热单元包括第三换热器，与所述燃料电池单元连接，用于吸收所述燃料电池单元产生的阳极尾气中的热量；
所述电池系统还包括：第三汽水分离器，与所述第三换热器连接，用于将经过所述第三换热器之后的所述阳极尾气中的水分分离，将分离出的水分输送至所述冷却水储存单元。
6.根据权利要求1所述的电池系统，其特征在于，
所述第二换热单元包括：第四换热器，与所述燃料电池单元连接，用于吸收所述燃料电池单元产生的阴极尾气中的热量；
所述电池系统还包括：第四汽水分离器，与所述第四换热器连接，用于将经过所述第四换热器之后的所述阴极尾气中的水分分离，将分离出的水分输送至所述冷却水储存单元。
7.根据权利要求1所述的电池系统，其特征在于，
所述第一换热单元还包括：第五换热器，与所述电解单元连接，用于吸收所述电解单元释放的热量；
所述第二换热单元还包括：第六换热器，与所述燃料电池单元连接，用于吸收所述燃料电池单元释放的热量。
8.根据权利要求1所述的电池系统，其特征在于，所述系统还包括：
第一液体泵，与所述冷却水储存单元和所述电解单元连接，用于将所述冷却水储存单元中的水输送到所述电解单元中；
第二液体泵，与所述冷却水储存单元和所述燃料电池单元连接，用于将所述冷却水储存单元中的水输送至所述燃料电池单元处，为所述燃料电池单元提供冷却水。
9.根据权利要求7所述的电池系统，其特征在于，所述第五换热器中有冷却水，所述系统的工作模式包括电解制氢模式和燃料电池发电模式，在所述电解制氢模式下，所述第五换热器中的冷却水流量Qw通过以下公式计算：
其中，ρw为水的密度，Cw为水的比热容，TEC为工作温度，THE3为第五热交换器的冷热流之间最低温差，T0为冷却水的温度，n_cell_EC为所述电解单元中电解单元的节数，VEC为每节电解单元的工作电压，IEC为所述电解单元的工作电流。
10.根据权利要求7所述的电池系统，其特征在于，所述第六换热器中有冷却水，所述电池系统的工作模式包括电解制氢模式和燃料电池发电模式，在所述燃料电池发电模式下，所述第六换热器中的冷却水流量Qw通过以下公式计算：
其中，ρw为水的密度，Cw为水的比热容，TFC为工作温度，THE6为第六热交换器的冷热流之间最低温差，T0为冷却水的温度，n_cell_FC为所述燃料电池单元中燃料电池的节数，VFC为每节燃料电池的工作电压，IFC为所述燃料电池的工作电流。
11.根据权利要求5所述的电池系统，其特征在于，所述第三汽水分离器具有气体出口和冷却水出口，所述冷却水出口与所述冷却水储存单元相连，所述电池系统还包括：
燃烧器，与所述第三汽水分离器的所述气体出口相连，具有产物出口；
第七换热器，与所述燃烧器的所述产物出口连接。
12.根据权利要求11所述的电池系统，其特征在于，所述系统的工作模式包括电解制氢模式和燃料电池发电模式，在所述电解制氢模式下，所述燃烧器的燃烧供氢量QH通过以下公式计算：
其中，Q0为用户用水需求量，ρw为水的密度，Cw为水的比热容，Txhot为所述燃烧器出口处高温热水箱的设定温度，T8为所述燃烧器入口处的中温热水箱的实时监测温度，EH为氢气热值，ηHE7为燃烧器与所述第七换热器的热能效率。
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