CN106340659A - 能源供给系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能源供给系统。其中，该系统包括：电解电堆，用于利用接收的电能电解水至少产生氢气和氧气；燃料电池电堆，用于使用氢气和氧气反应发电；气体处理装置，连接在电解电堆和燃料电池电堆之间，用于对电解电堆产生的氢气和氧气进行处理并将处理后的氢气和氧气提供给燃料电池电堆；储水装置，储水装置与气体处理装置连接，用于接收存储来自气体处理装置的水分；热交换装置，与电解电堆相连接，用于回收电解电堆在电解水反应过程中释放的热量；供暖回路，用于利用热交换装置回收的热量进行供热。本发明解决了现有技术中无法对能源供给系统进行综合管理的技术问题。

Description

能源供给系统

技术领域

本发明涉及能源领域，具体而言，涉及一种能源供给系统。

背景技术

能源供给系统用于风能太阳能等新能源并网调峰以及热能-电能联供的大型供能系统中，现在的能源供给系统中，主要采用以下两种结构。结构一：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，但是这种方法重整器需要脱硫脱一氧化碳从而造成系统极为复杂昂贵。结构二：采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，但该系统集成性较低，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。

针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明实施例提供了一种能源供给系统，以至少解决现有技术中无法对能源供给系统进行综合管理的技术问题。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种能源供给系统，包括：电解电堆，用于利用接收的电能电解水至少产生氢气和氧气；燃料电池电堆，用于使用氢气和氧气反应发电；气体处理装置，连接在所述电解电堆和所述燃料电池电堆之间，用于对所述电解电堆产生的氢气和氧气进行处理并将处理后的氢气和氧气提供给所述燃料电池电堆；和/或，连接在所述燃料电池电堆之后，用于对所述燃料电池电堆的尾气进行处理；储水装置，所述储水装置与所述气体处理装置连接，用于接收存储来自所述气体处理装置的水分，和/或，所述储水装置与以下至少之一相连接以向其提供水分：所述电解电堆、所述燃料电池电堆；热交换装置，与所述电解电堆相连接，用于回收所述电解电堆在电解水反应过程中释放的热量，和/或，与所述燃料电池电堆相连接，用于回收所述燃料电池电堆反应释放的热量，和/或，与所述气体处理装置相连接，用于回收所述气体处理装置中的水蒸气冷凝释放的热量；供暖回路，用于利用所述热交换装置回收的热量进行供热。

进一步地，所述供暖回路包括：换热流道，位于所述储水装置内部；供水管，所述供水管的第一端与所述换热流道的第二端相连接，所述供水管的第二端与曲折流道的第一端相连接；所述曲折流道，所述曲折流道的第一端与所述供水管的第二端相连接，所述曲折流道的第二端与液体泵的第一端相连接，其中，所述曲折流道位于家用供暖器内部；所述液体泵，所述液体泵的第一端与所述曲折流道的第二端相连接，所述液体泵的第二端与回水管的第一端相连接；所述回水管，所述回水管的第一端与所述液体泵的第二端相连接，所述回水管的第二端与所述换热流道的第一端相连接。

进一步地，所述热交换装置包括第一热交换器，所述第一热交换器连接在所述电解电堆和所述气体处理装置之间，用于回收氢气中的水蒸气冷凝释放的热量。

进一步地，所述热交换装置包括第二热交换器，所述第二热交换器连接在所述电解电堆和所述气体处理装置之间，用于回收氧气中的水蒸气冷凝释放的热量。

进一步地，所述热交换装置包括第三热交换器，所述第三热交换器连接在所述电解电堆和所述储水装置之间，用于回收所述电解电堆反应释放的热量。

进一步地，在所述系统处于电解制氢的情况下，流入所述电解电堆的冷水量根据以下因素确定出：所述电解电堆的节电池的节数、所述电解电堆的节电池的工作电压、所述电解电堆的节电池的工作电流、所述电解电堆的节电池的工作温度、流入所述电解电堆的冷水的温度、所述第三热交换器的冷热流之间的最低温差。

进一步地，在所述系统处于离线供热模式的情况下，流入所述电解电堆的冷水量根据以下公式确定出：其中，ρ_w为水的密度，C_w为水的比热容，T_EC为所述电解电堆的节电池的工作温度，T_HE3为所述第三热交换器的冷热流之间最低温差，T₀为流入所述电解电堆的冷水的温度，n_{_cell_EC}为所述电解电堆的节电池的节数，V_EC为所述电解电堆的节电池的工作电压，I_EC为所述电解电堆的节电池的工作电流。

进一步地，在所述系统处于在线供暖模式的情况下，流入所述电解电堆的冷水量根据以下公式确定出：其中，ρ_w为水的密度，C_w为水的比热容，T_EC为所述电解电堆的节电池的工作温度，T_HE3为所述第三热交换器的冷热流之间最低温差，T₀为流入所述电解电堆的冷水的温度，n_{_cell_EC}为所述电解电堆的节电池的节数，V_EC为所述电解电堆的节电池的工作电压，I_EC为所述电解电堆的节电池的工作电流，η_steamEC为相变热(HE1+HE2)在总热量(HE1+HE2+HE3)中的比例系数，HE1为所述第一热交换器回收的热量，HE2为所述第二热交换器回收的热量，HE3为所述第三热交换器回收的热量。

进一步地，所述热交换装置包括第四热交换器，所述第四热交换器连接在所述燃料电池电堆和所述气体处理装置之间，用于回收氧气中的水蒸气冷凝释放的热量。

进一步地，所述热交换装置包括第五热交换器，所述第五热交换器连接在所述燃料电池电堆和所述气体处理装置之间，用于回收氢气中的水蒸气冷凝释放的热量。

进一步地，所述热交换装置包括第六热交换器，所述第六热交换器连接在所述燃料电池电堆和所述储水装置之间，用于回收所述燃料电池电堆反应释放的热量。

进一步地，在所述系统处于燃料电池发电的情况下，流入所述电解电堆的冷水量根据以下因素确定出：所述燃料电池电堆的节电池的节数、所述燃料电池电堆的节电池的工作电压、所述燃料电池电堆的节电池的工作电流、所述燃料电池电堆的节电池的工作温度、流入所述燃料电池电堆的冷水的温度、所述第六热交换器的冷热流之间的最低温差。

进一步地，在所述系统处于在离线供热模式的情况下，流入所述燃料电池电堆的冷水量根据以下公式确定出：其中，ρ_w为水的密度，C_w为水的比热容，T_FC为所述燃料电池电堆的节电池的工作温度，T_HE6为所述第六热交换器的冷热流之间最低温差，T₀为流入所述燃料电池电堆的冷水的温度，n_{_cell_FC}为所述燃料电池电堆的节电池的节数，V_FC为所述燃料电池电堆的节电池的工作电压，I_FC为所述燃料电池电堆的节电池的工作电流。

进一步地，在所述系统处于在线供暖模式的情况下，流入所述燃料电池电堆的冷水量根据以下公式确定：其中，ρ_w为水的密度，C_w为水的比热容，T_FC为所述燃料电池电堆的节电池的工作温度，T_HE6为所述第六热交换器的冷热流之间最低温差，T₀为流入所述燃料电池电堆的冷水的温度，n_{_cell_FC}为所述燃料电池电堆的节电池的节数，V_FC为所述燃料电池电堆的节电池的工作电压，I_FC为所述燃料电池电堆的节电池的工作电流，η_steamFC为相变热(HE4+HE5)在总热量(HE4+HE5+HE6)中的比例系数，HE4为所述第四热交换器回收的热量，HE5为所述第五热交换器回收的热量，HE6为所述第六热交换器回收的热量。

在本发明实施例中，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)，将换热器回收的热量用于供热，实现了对能源供给系统进行综合管理的技术效果，进而解决了现有技术中无法对能源供给系统进行综合管理的技术问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，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1-1是根据本发明实施例的一种能源供给系统的示意图；

图1-2是根据本发明实施例的又一种能源供给系统的示意图；

图2是根据本发明实施例的又一种能源供给系统的示意图；

图3是根据本发明实施例的热水供给与换热子系统设计方案的示意图；

图4是根据本发明实施例的一体化系统综合供能设计方案的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明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，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。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。

根据本发明实施例，提供了一种能源供给系统。该系统包括电解电堆T1、气体处理装置T2、燃料电池电堆T3、储水装置T4、热交换装置T5、供暖回路T6。

电解电堆T1，用于利用接收的电能电解水至少产生氢气和氧气。

燃料电池电堆T3，用于使用氢气和氧气反应发电。

气体处理装置T2，连接在电解电堆T1和燃料电池电堆T3之间，用于对电解电堆T1产生的氢气和氧气进行处理并将处理后的氢气和氧气提供给燃料电池电堆T3；和/或，连接在燃料电池电堆T3之后，用于对燃料电池电堆T3的尾气进行处理。

储水装置T4，储水装置T4与气体处理装置T2连接，用于接收存储来自气体处理装置T2的水分，和/或，储水装置T4与以下至少之一相连接以向其提供水分：电解电堆T1、燃料电池电堆T3。

热交换装置T5，与电解电堆T1相连接，用于回收电解电堆T1在电解水反应过程中释放的热量，和/或，与燃料电池电堆T3相连接，用于回收燃料电池电堆T3反应释放的热量，和/或，与气体处理装置T2相连接，用于回收气体处理装置T2中的水蒸气冷凝释放的热量。

供暖回路T6，用于利用热交换装置T5回收的热量进行供热。

该系统的各个部件之间的连接关系可以有多种，图1-1和图1-2列出了其中的两种。

如图1-1所示，气体处理装置T2连接在电解电堆T1和燃料电池电堆T3之间，用于对电解电堆T1产生的氢气和氧气进行处理并将处理后的氢气和氧气提供给燃料电池电堆T3，其中，处理后的氢气和氧气能够被燃料电池电堆T3所使用。燃料电池电堆T3用于使用来源自气体处理装置T2的氢气和氧气反应发电。储水装置T4与气体处理装置T2连接，用于接收存储来自气体处理装置T2的水分。热交换装置T5与电解电堆T1和储水装置T4相连接，用于回收电解电堆T1在电解水反应过程中释放的热量。储水装置T4与热交换装置T5、供暖回路T6相连接，供暖回路T6利用热交换装置T5回收的热量进行供热。

如图1-2所示，气体处理装置T2连接在电解电堆T1和燃料电池电堆T3之间，用于对电解电堆T1产生的氢气和氧气进行处理并将处理后的氢气和氧气提供给燃料电池电堆T3，其中，处理后的氢气和氧气能够被燃料电池电堆T3所使用。燃料电池电堆T3，用于使用来源自气体处理装置T2的氢气和氧气反应发电。储水装置T4与气体处理装置T2连接，用于接收存储来自气体处理装置T2的水分。储水装置T4还与电解电堆T1和燃料电池电堆T3连接，用于向以下至少之一提供水分：电解电堆T1、燃料电池电堆T3。热交换装置T5与电解电堆T1、储水装置T4相连接，用于回收电解电堆T1在电解水反应过程中释放的热量。储水装置T4与热交换装置T5、供暖回路T6相连接，供暖回路T6利用热交换装置T5回收的热量进行供热。

需要注意的是，本发明实施例提供的能源供给系统的各个部件之间的连接关系不局限于图1-1至图1-2所示出的两种。

在本发明实施例中，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)，将换热器回收的热量用于供热，实现了对能源供给系统进行综合管理的技术效果，解决了现有技术中无法对能源供给系统进行综合管理的技术问题。

可选地，如图2所示，供暖回路包括换热流道601、供水管602、曲折流道604、液体泵3、回水管603。换热流道，位于储水装置内部。供水管的第一端与换热流道的第二端相连接，供水管的第二端与曲折流道的第一端相连接。曲折流道的第一端与供水管的第二端相连接，曲折流道的第二端与液体泵的第一端相连接，其中，曲折流道位于家用供暖器605内部。液体泵的第一端与曲折流道的第二端相连接，液体泵的第二端与回水管的第一端相连接。回水管的第一端与液体泵的第二端相连接，回水管的第二端与换热流道的第一端相连接。

可选地，热交换装置包括第一热交换器，第一热交换器连接在电解电堆和气体处理装置之间，用于回收氢气中的水蒸气冷凝释放的热量。作为一种可选的实施例，第一热交换器可以是图2中的HE1。

可选地，热交换装置包括第二热交换器，第二热交换器连接在电解电堆和气体处理装置之间，用于回收氧气中的水蒸气冷凝释放的热量。作为一种可选的实施例，第二热交换器可以是图2中的HE2。

可选地，热交换装置包括第三热交换器，第三热交换器连接在电解电堆和储水装置之间，用于回收电解电堆反应释放的热量。作为一种可选的实施例，第三热交换器可以是图2中的HE3。

可选地，热交换装置包括第四热交换器，第四热交换器连接在燃料电池电堆和气体处理装置之间，用于回收氧气中的水蒸气冷凝释放的热量。作为一种可选的实施例，第四热交换器可以是图2中的HE4。

可选地，热交换装置包括第五热交换器，第五热交换器连接在燃料电池电堆和气体处理装置之间，用于回收氢气中的水蒸气冷凝释放的热量。作为一种可选的实施例，第五热交换器可以是图2中的HE5。

可选地，热交换装置包括第六热交换器，第六热交换器连接在燃料电池电堆和储水装置之间，用于回收燃料电池电堆反应释放的热量。作为一种可选的实施例，第六热交换器可以是图2中的HE6。

本发明实施例的系统的优点有如下几点：

(1)电解制氢-燃料电池一体化热电联供系统，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，实现智能化的离线式热水供给与在线式供暖；

(2)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；

(3)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；

(4)系统可持续性高，无需定期更换氢气瓶；

(5)系统可持续性高，充放电过程中各模块产生的水，实现最大限度的回收利用。

本发明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)，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与供暖功能。

一体化热电联供系统提供两种供热操作模式：(1)离线储热模式：将一体化系统产生的热能通过热水的形式储存于热水罐中，再通过热水罐向用户提供温度可控的热水源；(2)在线供暖模式：一体化系统运行时产生的热量，通过热水-暖气回路，在线提供给用户进行供暖。当用户无供暖需求时，一体化系统工作于离线储热模式，产生的热能通过热水存储；当用户有供暖需求时，一体化系统工作于在线供热模式，产生的热能通过供暖回路，向用户供暖。

图2是根据本发明实施例的又一种能源供给系统的示意图。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。

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在不同的工作模式下回收方式不同：在离线储热模式下，电解电堆产热由HE3内部流过的冷水流回收(图3中的5022与5023)，冷水流被加热至用户可用的热水再存入图3中的中温热水箱；在在线供暖模式下，HE3不工作(即冷水流不经过HE3回收热量)，电解电堆产热被电解水循环回路带入一体化水箱，一体化水箱内的热量通过在水箱内部设计的曲折流通的换热回路601带走，并直接向用户在线供暖，如图2所示，供暖回路由一体化水箱内部的换热流道601、供水管602(外部设有保温材料)、回水管603(外部设有保温材料)、液体泵3、以及家用供暖器605内部的曲折流道604构成，606为用户住宅区。另外，在在线供暖模式下冷水流不经过HE3，但是为了同时利用HE1与HE2的热量，图3中的冷水流依旧通过HE1与HE2进行加热，并通过图3中的5025旁路(5024为水阀)，直接进入中温热水罐。而此时冷水流的流量不同于离线模式下的流量，需重新计算与控制。

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在不同的工作模式下回收方式不同：在离线储热模式下，电堆产热由HE6内部流过的冷水流回收(图3中的5032与5033)，冷水流被加热至用户可用的热水再存入图3中的中温热水箱；在在线供暖模式下，HE6不工作(即冷水流不经过HE6回收热量)，电解电堆产热被电堆冷却水循环回路带入一体化水箱，一体化水箱内的热量通过在水箱内部设计的曲折流通的换热回路601带走，并直接向用户在线供暖。另外，在在线供暖模式下冷水流不经过HE6，但是为了同时利用HE4与HE5的热量，图3中的冷水流依旧通过HE4与HE5进行加热，并通过图3中的5035旁路(5034为水阀)，直接进入中温热水罐。而此时冷水流的流量不同于离线模式下的流量，需重新计算与控制。

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。

(注：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是根据本发明实施例的热水供给与换热子系统设计方案的示意图，在图2中，并没有显示冷水流的实际换热方式，在图3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。

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Q_w，用户设置热水箱需求温度为T_x，水的比热容为C_w，水的密度为ρ_w。

设电解制氢电堆的节数为n_cell__EC，节电池工作电压为V_EC，工作电流为I_EC，工作温度为T_EC；设热交换器HE3的冷热流之间最低温差为T_HE3(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V_FC，工作电流为I_FC，工作温度为T_FC；设热交换器HE6的冷热流之间最低温差为T_HE6(该值为热交换器的工作参数之一，为已知参数)。

当一体化系统处于充电状态(即电解制氢状态)，分为两种供热工作模式：(1)离线供热模式：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通入中温热水箱，其实时温度为T7，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(该供氢过程由图2中的107氢气供给路线实现)与HE7换热升温至T8，形成505，并通入高温热水箱。根据工作条件与固有参数，一体化系统在电解制氢工作模式与离线供热模式下，实时所需的冷水流量Q_w：

$Q_w=\frac{n_{\_cell\_EC}\·(V_{EC}-1.44)\·I_{EC}}{{\mathrm{\ρ}}_w\·C_w\·(T_{EC}-T_{HE3}-T_0)}(m^3/s)---\left(1\right)$

(2)在线供暖模式：冷水流不经过HE3回收热量，而直接通过5025旁路进入中温水箱，此时一体化系统在电解制氢工作模式与在线供暖模式下，实时所需的冷水流量Q_w：

$Q_w=\frac{{\mathrm{\η}}_{steamEC}\·n_{\_cell\_EC}\·(V_{EC}-1.44)\·I_{EC}}{{\mathrm{\ρ}}_w\·C_w\·(T_{EC}-T_{HE3}-T_0)}(m^3/s)---\left(2\right)$

其中，η_steamEC为相变热(HE1+HE2)在总热量(HE1+HE2+HE3)中的比例系数，一般取10％-25％之间的系数，如20％。

当一体化系统处于放电状态(即燃料电池发电状态)，也分为两种供热工作模式：(1)离线供热模式：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通入中温热水箱，其实时温度为T7，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(该供氢过程由燃料电池阳极尾气中的氢气105实现)与HE7换热升温至T8，形成505，并通入高温热水箱。根据工作条件与固有参数，一体化系统在燃料电池发电工作模式与离线供热模式下，实时所需的冷水流量Q_w：

$Q_w=\frac{n_{\_cell\_FC}\·(1.44-V_{FC})\·I_{FC}}{{\mathrm{\ρ}}_w\·C_w\·(T_{FC}-T_{HE6}-T_0)}(m^3/s)---\left(3\right)$

(2)在线供暖模式：冷水流不经过HE6回收热量，而直接通过5035旁路进入中温水箱，此时一体化系统在燃料电池发电工作模式与在线供暖模式下，实时所需的冷水流量Q_w：

$Q_w=\frac{{\mathrm{\η}}_{steamFC}\·n_{\_cell\_FC}\·(1.44-V_{FC})\·I_{FC}}{{\mathrm{\ρ}}_w\·C_w\·(T_{FC}-T_{HE6}-T_0)}(m^3/s)---\left(4\right)$

其中，η_steamFC为相变热(HE4+HE5)在总热量(HE4+HE5+HE6)中的比例系数，一般取20％-35％之间的系数，如30％。

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。设T7为中温热水箱的实时监测温度，T_xhot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V_hot，V_hot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V_hot<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Q_H；

$Q_H=\frac{Q_0\&CenterDot;{\mathrm{\&rho;}}_w\&CenterDot;C_w\&CenterDot;(T_{xhot}-T_7)}{E_H\&CenterDot;{\mathrm{\&eta;}}_{HE7}}(kg/s)---\left(5\right)$

其中，E_H为氢气热值，η_HE7为燃烧器与热交换器HE7的热能效率。

若V_hot>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T7提升至T8，若T8<T_xhot，则降低中温热水箱至高温热水箱的水流速度，直至T8＝T_xhot。若V_hot>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。

图4是根据本发明实施例的一体化系统综合供能设计方案的示意图。其中，701为电网谷期的电能或者风能太阳能等新能源发电模块，702为电解制氢-储氢-燃料电池一体化热电联供系统，703为储热水罐，704为小型应急蓄电池，705为电源管理模块，706为用户。801为风能太阳能模块为一体化系统输送电能(即充电过程)；802,803,804分别为风能太阳能模块、小型应急蓄电池、一体化系统向用户输送电能，经过电源管理模块进行功率变换与整合后经806输送给用户优质平稳的电能；805为一体化系统在启动过程中，无外界供电的条件下，通过小型应急蓄电池对系统辅助部件进行供电；807为一体化系统向热水罐供热；808为热水罐向用户提供热水；809为一体化系统运行过程中向用户提供供暖。

本发明实施例的系统的优点有如下几点：

(1)电解制氢-燃料电池一体化热电联供系统，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，实现智能化的离线式热水供给与在线式供暖；

(2)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；

(3)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；

(4)系统可持续性高，无需定期更换氢气瓶；

(5)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。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种能源供给系统，其特征在于，包括：

电解电堆，用于利用接收的电能电解水至少产生氢气和氧气；

燃料电池电堆，用于使用氢气和氧气反应发电；

气体处理装置，连接在所述电解电堆和所述燃料电池电堆之间，用于对所述电解电堆产生的氢气和氧气进行处理并将处理后的氢气和氧气提供给所述燃料电池电堆；和/或，连接在所述燃料电池电堆之后，用于对所述燃料电池电堆的尾气进行处理；

储水装置，所述储水装置与所述气体处理装置连接，用于接收存储来自所述气体处理装置的水分，和/或，所述储水装置与以下至少之一相连接以向其提供水分：所述电解电堆、所述燃料电池电堆；

热交换装置，与所述电解电堆相连接，用于回收所述电解电堆在电解水反应过程中释放的热量，和/或，与所述燃料电池电堆相连接，用于回收所述燃料电池电堆反应释放的热量，和/或，与所述气体处理装置相连接，用于回收所述气体处理装置中的水蒸气冷凝释放的热量；

供暖回路，用于利用所述热交换装置回收的热量进行供热。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述供暖回路包括：

换热流道，位于所述储水装置内部；

供水管，所述供水管的第一端与所述换热流道的第二端相连接，所述供水管的第二端与曲折流道的第一端相连接；

所述曲折流道，所述曲折流道的第一端与所述供水管的第二端相连接，所述曲折流道的第二端与液体泵的第一端相连接，其中，所述曲折流道位于家用供暖器内部；

所述液体泵，所述液体泵的第一端与所述曲折流道的第二端相连接，所述液体泵的第二端与回水管的第一端相连接；

所述回水管，所述回水管的第一端与所述液体泵的第二端相连接，所述回水管的第二端与所述换热流道的第一端相连接。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述热交换装置包括第一热交换器，所述第一热交换器连接在所述电解电堆和所述气体处理装置之间，用于回收氢气中的水蒸气冷凝释放的热量。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述热交换装置包括第二热交换器，所述第二热交换器连接在所述电解电堆和所述气体处理装置之间，用于回收氧气中的水蒸气冷凝释放的热量。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述热交换装置包括第三热交换器，所述第三热交换器连接在所述电解电堆和所述储水装置之间，用于回收所述电解电堆反应释放的热量。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，在所述系统处于电解制氢的情况下，流入所述电解电堆的冷水量根据以下因素确定出：

所述电解电堆的节电池的节数、所述电解电堆的节电池的工作电压、所述电解电堆的节电池的工作电流、所述电解电堆的节电池的工作温度、流入所述电解电堆的冷水的温度、所述第三热交换器的冷热流之间的最低温差。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，在所述系统处于离线供热模式的情况下，流入所述电解电堆的冷水量根据以下公式确定出：

$Q_w=\frac{n_{\_cell\_EC}\&CenterDot;(V_{EC}-1.44)\&CenterDot;I_{EC}}{{\mathrm{\&rho;}}_w\&CenterDot;C_w\&CenterDot;(T_{EC}-T_{HE3}-T_0)}(m^3/s),$

其中，ρ_w为水的密度，C_w为水的比热容，T_EC为所述电解电堆的节电池的工作温度，T_HE3为所述第三热交换器的冷热流之间最低温差，T₀为流入所述电解电堆的冷水的温度，n_{_cell_EC}为所述电解电堆的节电池的节数，V_EC为所述电解电堆的节电池的工作电压，I_EC为所述电解电堆的节电池的工作电流。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，在所述系统处于在线供暖模式的情况下，流入所述电解电堆的冷水量根据以下公式确定出：

$Q_w=\frac{{\mathrm{\&eta;}}_{steamEC}\&CenterDot;n_{\_cell\_EC}\&CenterDot;(V_{EC}-1.44)\&CenterDot;I_{EC}}{{\mathrm{\&rho;}}_w\&CenterDot;C_w\&CenterDot;(T_{EC}-T_{HE3}-T_0)}(m^3/s),$

其中，ρ_w为水的密度，C_w为水的比热容，T_EC为所述电解电堆的节电池的工作温度，T_HE3为所述第三热交换器的冷热流之间最低温差，T₀为流入所述电解电堆的冷水的温度，n_{_cell_EC}为所述电解电堆的节电池的节数，V_EC为所述电解电堆的节电池的工作电压，I_EC为所述电解电堆的节电池的工作电流，η_steamEC为相变热(HE1+HE2)在总热量(HE1+HE2+HE3)中的比例系数，HE1为所述第一热交换器回收的热量，HE2为所述第二热交换器回收的热量，HE3为所述第三热交换器回收的热量。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述热交换装置包括第四热交换器，所述第四热交换器连接在所述燃料电池电堆和所述气体处理装置之间，用于回收氧气中的水蒸气冷凝释放的热量。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述热交换装置包括第五热交换器，所述第五热交换器连接在所述燃料电池电堆和所述气体处理装置之间，用于回收氢气中的水蒸气冷凝释放的热量。

11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述热交换装置包括第六热交换器，所述第六热交换器连接在所述燃料电池电堆和所述储水装置之间，用于回收所述燃料电池电堆反应释放的热量。

12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，在所述系统处于燃料电池发电的情况下，流入所述电解电堆的冷水量根据以下因素确定出：

所述燃料电池电堆的节电池的节数、所述燃料电池电堆的节电池的工作电压、所述燃料电池电堆的节电池的工作电流、所述燃料电池电堆的节电池的工作温度、流入所述燃料电池电堆的冷水的温度、所述第六热交换器的冷热流之间的最低温差。

13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，在所述系统处于在离线供热模式的情况下，流入所述燃料电池电堆的冷水量根据以下公式确定出：

$Q_w=\frac{n_{\_cell\_FC}\&CenterDot;(1.44-V_{FC})\&CenterDot;I_{FC}}{{\mathrm{\&rho;}}_w\&CenterDot;C_w\&CenterDot;(T_{FC}-T_{HE6}-T_0)}(m^3/s),$

其中，ρ_w为水的密度，C_w为水的比热容，T_FC为所述燃料电池电堆的节电池的工作温度，T_HE6为所述第六热交换器的冷热流之间最低温差，T₀为流入所述燃料电池电堆的冷水的温度，n_{_cell_FC}为所述燃料电池电堆的节电池的节数，V_FC为所述燃料电池电堆的节电池的工作电压，I_FC为所述燃料电池电堆的节电池的工作电流。

14.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，在所述系统处于在线供暖模式的情况下，流入所述燃料电池电堆的冷水量根据以下公式确定：

$Q_w=\frac{{\mathrm{\&eta;}}_{steamFC}\&CenterDot;n_{\_cell\_FC}\&CenterDot;(1.44-V_{FC})\&CenterDot;I_{FC}}{{\mathrm{\&rho;}}_w\&CenterDot;C_w\&CenterDot;(T_{FC}-T_{HE6}-T_0)}(m^3/s),$

其中，ρ_w为水的密度，C_w为水的比热容，T_FC为所述燃料电池电堆的节电池的工作温度，T_HE6为所述第六热交换器的冷热流之间最低温差，T₀为流入所述燃料电池电堆的冷水的温度，n_{_cell_FC}为所述燃料电池电堆的节电池的节数，V_FC为所述燃料电池电堆的节电池的工作电压，I_FC为所述燃料电池电堆的节电池的工作电流，η_steamFC为相变热(HE4+HE5)在总热量(HE4+HE5+HE6)中的比例系数，HE4为所述第四热交换器回收的热量，HE5为所述第五热交换器回收的热量，HE6为所述第六热交换器回收的热量。