CN106654320A - 一种高效燃料电池联供系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效燃料电池联供系统，包括燃料电池系统、散热系统和直流变频制冷系统，所述燃料电池系统生成直流电，所述直流电被转换成稳定直流电，所述稳定直流电直接输出或稳定直流电经过驱动后逆变成三相电，所述三相电驱动直流变频制冷系统工作实现冷量输出，所述散热系统连通燃料电池系统和直流变频制冷系统，所述散热系统分别与燃料电池系统和直流变频制冷系统构成回路，所述散热系统带走燃料电池系统的反应热和直流变频制冷系统的放热。本发明能同时满足电冷联供的需要，提高利用率，经济效益大大提高。
Description
技术领域
本发明涉及热能动力技术领域，尤其涉及一种高效燃料电池联供系统。
背景技术
燃料电池(Fuel Cell)是一种将化学能直接转化为电能的发电装置，常用的燃料电池有质子交换膜燃料电池(PEMFC)，质子交换膜燃料电池具有工作温度低、启动快、比功率高、结构简单和操作方便等优点，被公认为电动汽车、固定发电站等的首选能源，因此，质子交换膜燃料电池是目前最有发展前途的一种燃料电池。
但是，采用质子交换膜燃料电池驱动电动汽车或发电站时，质子交换膜燃料电池的效率约50％，即只有50％的能量转化成电能输出，剩下的一半能量几乎都是以热量的形式排掉，能源利用效率非常低，浪费非常大。
发明内容
有鉴于此，本发明的实施例提供了一种利用率高的高效燃料电池联供系统。
本发明的实施例提供一种高效燃料电池联供系统，包括燃料电池系统、散热系统和直流变频制冷系统，所述燃料电池系统生成直流电，所述直流电被转换成稳定直流电，所述稳定直流电直接输出或稳定直流电经过驱动后逆变成三相电，所述三相电驱动直流变频制冷系统工作实现冷量输出，所述散热系统连通燃料电池系统和直流变频制冷系统，所述散热系统分别与燃料电池系统和直流变频制冷系统构成回路，所述散热系统带走燃料电池系统的反应热和直流变频制冷系统的放热。
进一步，所述燃料电池系统包括氢气供应回路、空气供应回路、燃料电池电堆和直流-直流变换器，所述氢气供应回路和空气供应回路均连接燃料电池电堆，所述氢气供应回路供应氢气，所述空气供应回路供应空气，氢气和空气中的氧气在燃料电池电堆中发生反应生成直流电，所述散热系统向燃料电池电堆中供水而让水吸收氢气和氧气反应产生的反应热，反应后剩余的微量氢气经第一电磁阀排出到空气中，反应后的空气乏气排放到空气中，所述直流-直流变换器将直流电转换成稳定直流电。
进一步，所述氢气供应回路包括高压储氢容器、减压阀、单向阀、手动截止阀和防爆电磁阀，所述高压储氢容器、减压阀、单向阀、手动截止阀和防爆电磁阀依次连接，氢气从高压储氢容器出来，依次经过减压阀、单向阀、手动截止阀和防爆电磁阀进入燃料电池电堆。
进一步，所述空气供应回路包括空气滤清器、消音器和空气压缩机，所述空气滤清器、消音器和空气压缩机依次连接，空气经过空气滤清器、消音器处理后进入空气压缩机，所述空气压缩机将空气升压，并送入燃料电池电堆。
进一步,所述直流变频制冷系统包括直流变频驱动器、直流变频制冷压缩机、冷凝器、节流元件、蒸发器和蒸发器风机，所述直流变频制冷压缩机、冷凝器、节流元件和蒸发器依次连接构成回路，所述直流变频驱动器将所述稳定直流电逆变成三相频率可调的梯形波或正弦波以驱动直流变频制冷压缩机运转，所述直流变频制冷压缩机将制冷剂气体压缩为高温高压气体，所述高温高压气进入冷凝器，所述冷凝器连通散热系统，高温高压气体在冷凝器中通过散热系统降温冷凝为高温高压液体，所述高温高压液体流经节流元件变为低温低压的气液混合物，所述气液混合物流入蒸发器，所述蒸发器风机驱动空气流过蒸发器，所述蒸发器中的气液混合物吸收蒸发器外侧空气的热量进行冷量输出，同时吸收热量的气液混合物再次蒸发为制冷剂气体，所述直流变频制冷压缩机的吸气口将制冷剂气体吸入直流变频制冷压缩机内，制冷剂气体在直流变频制冷压缩机内再次被压缩。
进一步,所述直流变频制冷系统还包括干燥过滤器和气液分离器，所述干燥过滤器设在冷凝器和节流元件之间，所述气液分离器设在蒸发器和直流变频制冷压缩机之间，所述干燥过滤器过滤高温高压液体中的杂质和水分，所述气液分离器将未蒸发的气液混合物进行分离，所述制冷剂气体为环保制冷剂气体。
进一步，所述散热系统包括散热器、水泵和旁通阀，所述水泵从散热器的底部抽水，并分别泵入燃料电池系统和直流变频制冷系统，泵入燃料电池系统和直流变频制冷系统中的水分别带走燃料电池系统的反应热和直流变频制冷系统的放热后水温升高，升温的水回流至散热器，并在散热器中冷却后循环利用，所述旁通阀和散热器并联，所述旁通阀将回流的温度较低的水直接旁通到散热器出口循环利用。
进一步，所述散热系统还包括膨胀水箱、水过滤器和分集水器，所述膨胀水箱连通散热器，所述膨胀水箱为散热器供水并提供水温变化时所需的体积膨胀空间，所述水过滤器设在水泵和散热器之间，所述分集水器分别与散热器和水泵连通，所述水泵通过分集水器将水泵入燃料电池系统和直流变频制冷系统，回流的水通过分集水器流回散热器，所述分集水器向直流变频制冷系统的供水管路上设有第二电磁阀。
进一步，所述散热系统还包括散热风机，所述散热风机加速散热器外部空气的对流而将加热后的空气输送到需要供热的位置。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：能同时满足电冷联供的需要，大大提高燃料电池产生的能量利用率，经济效益大大提高；采用直流变频制冷压缩机，直流变频制冷压缩机的转速可以随燃料电池输出电功率的大小进行实时调节，避免直流变频制冷系统对燃料电池主动力的影响，在单独供冷时，基于直流变频制冷压缩机的直流变频制冷系统可以将燃料电池的效率发挥到最佳，同时，大大节约了能量，适应可持续发展的需求，能广泛推广使用。
附图说明
图1是本发明一实施例的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1，本发明的实施例提供了一种高效燃料电池联供系统，包括燃料电池系统1、散热系统2和直流变频制冷系统3。
燃料电池系统1包括氢气供应回路11、空气供应回路12、燃料电池电堆13和直流-直流变换器14，氢气供应回路11和空气供应回路12均连接燃料电池电堆13。
氢气供应回路11供应氢气，氢气供应回路11包括高压储氢容器111、减压阀112、单向阀113、手动截止阀114和防爆电磁阀115，高压储氢容器111、减压阀112、单向阀113、手动截止阀114和防爆电磁阀115依次连接，氢气从高压储氢容器111出来，依次经过减压阀112、单向阀113、手动截止阀114和防爆电磁阀115进入燃料电池电堆13。
空气供应回路12供应空气，空气供应回路12包括空气滤清器121、消音器122和空气压缩机123，空气滤清器121、消音器122和空气压缩机123依次连接，空气经过空气滤清器121、消音器122处理后进入空气压缩机123，空气压缩机123将空气升压，并送入燃料电池电堆13。
氢气和空气中的氧气在燃料电池电堆1中发生反应生成直流电，反应后剩余的微量氢气经第一电磁阀116排出到空气中，反应后的空气乏气排放到空气中。
直流-直流变换器14将直流电转换成稳定直流电，稳定直流电直接输出或稳定直流电经过驱动后逆变成三相电，三相电驱动直流变频制冷系统3工作实现冷量输出。
直流变频制冷系统3包括直流变频驱动器30、直流变频制冷压缩机31、冷凝器32、节流元件33、蒸发器34和蒸发器风机35，直流变频制冷压缩机31、冷凝器32、节流元件33和蒸发器34依次连接构成回路，直流变频驱动器30将稳定直流电逆变成三相频率可调的梯形波或正弦波以驱动直流变频制冷压缩机31运转，直流变频制冷压缩机31将制冷剂气体压缩为高温高压气体，高温高压气进入冷凝器32，冷凝器32连通散热系统2，高温高压气体在冷凝器32中通过散热系统2降温冷凝为高温高压液体，高温高压液体流经节流元件33变为低温低压的气液混合物，气液混合物流入蒸发器34，蒸发器风机35驱动空气流过蒸发器34，蒸发器34中的气液混合物吸收蒸发器34外侧空气的热量进行冷量输出，同时吸收热量的气液混合物再次蒸发为制冷剂气体，直流变频制冷压缩机31的吸气口将制冷剂气体吸入直流变频制冷压缩机31内，制冷剂气体在直流变频制冷压缩机31内再次被压缩。
在一实施例中，直流变频制冷系统3还包括干燥过滤器36和气液分离器37，干燥过滤器26设在冷凝器32和节流元件33之间，气液分离器设在蒸发器34和直流变频制冷压缩机31之间，干燥过滤器36过滤高温高压液体中的杂质和水分，气液分离器37将未蒸发的气液混合物进行分离，制冷剂气体为环保制冷剂气体。
散热系统2连通燃料电池系统1和直流变频制冷系统3，散热系统2分别与燃料电池系统1和直流变频制冷系统3构成回路，散热系统向燃料电池电堆1和直流变频制冷系统3中供水而让水吸收氢气和氧气反应产生的反应热和直流变频制冷系统3的放热。
散热系统2包括散热器21、水泵23和旁通阀24，水泵23从散热器21的底部抽水，并分别泵入燃料电池系统1和直流变频制冷系统3，泵入燃料电池系统1和直流变频制冷系统3中的水分别带走燃料电池系统1的反应热和直流变频制冷系统3的放热后水温升高，升温的水回流至散热器21，并在散热器21中冷却后循环利用，旁通阀24和散热器21并联，旁通阀24将回流的温度较低的水直接旁通到散热器21出口循环利用。
散热系统2还包括膨胀水箱25、水过滤器26和分集水器27，膨胀水箱25连通散热器21，膨胀水箱25为散热器供水并提供水温变化时所需的体积膨胀空间，水过滤器26设在水泵23和散热器21之间，分集水器27分别与散热器21和水泵23连通，水泵23通过分集水器27将水泵23入燃料电池系统1和直流变频制冷系统3，回流的水通过分集水器27流回散热器21，分集水器27向直流变频制冷系统3的供水管路上设有第二电磁阀8。
散热系统2还包括散热风机22，散热风机22加速散热器21外部空气的对流而将加热后的空气输送到需要供热的位置。
工作过程：氢气和空气中的氧气在燃料电池电堆13中反应生成直流电，反应生成的直流电经直流-直流变换器14转换为稳定直流电，直流变频驱动器30将稳定直流电逆变成三相频率可调的梯形波或正弦波以驱动直流变频制冷压缩机31运转，直流变频制冷压缩机31将制冷剂气体压缩为高温高压气体，高温高压气进入冷凝器32，由于，冷凝器32连通散热系统2，高温高压气体在冷凝器32中通过散热系统2降温冷凝为高温高压液体，高温高压液体流经节流元件33变为低温低压的气液混合物，气液混合物流入蒸发器34，蒸发器风机35驱动空气流过蒸发器34，蒸发器34中的气液混合物吸收蒸发器34外侧空气的热量进行冷量输出，同时吸收热量的气液混合物再次蒸发为制冷剂气体，直流变频制冷压缩机31的吸气口将制冷剂气体吸入直流变频制冷压缩机31内，制冷剂气体在直流变频制冷压缩机31内再次被压缩。
同时，在反应过程中，水泵23从散热器21的底部抽水，并分别泵入燃料电池系统1和直流变频制冷系统3，泵入燃料电池系统1和直流变频制冷系统3中的水分别带走燃料电池系统1的反应热和冷凝器32的放热后水温升高，升温的水回流至散热器21，并在散热器21中冷却后循环利用，旁通阀24和散热器21并联，旁通阀24将回流的温度较低的水直接旁通到散热器21出口循环利用。
本发明能同时满足电冷联供的需要，大大提高燃料电池产生的能量利用率，经济效益大大提高；采用直流变频制冷压缩机，直流变频制冷压缩机的转速可以随燃料电池输出电功率的大小进行实时调节，避免直流变频制冷系统对燃料电池主动力的影响，在单独供冷时，基于直流变频制冷压缩机的直流变频制冷系统可以将燃料电池的效率发挥到最佳，同时，大大节约了能量，适应可持续发展的需求，能广泛推广使用。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (9)
1.一种高效燃料电池联供系统，其特征在于，包括燃料电池系统、散热系统和直流变频制冷系统，所述燃料电池系统生成直流电，所述直流电被转换成稳定直流电，所述稳定直流电直接输出或稳定直流电经过驱动后逆变成三相电，所述三相电驱动直流变频制冷系统工作实现冷量输出，所述散热系统连通燃料电池系统和直流变频制冷系统，所述散热系统分别与燃料电池系统和直流变频制冷系统构成回路，所述散热系统带走燃料电池系统的反应热和直流变频制冷系统的放热。
2.根据权利要求1所述的高效燃料电池联供系统，其特征在于，所述燃料电池系统包括氢气供应回路、空气供应回路、燃料电池电堆和直流-直流变换器，所述氢气供应回路和空气供应回路均连接燃料电池电堆，所述氢气供应回路供应氢气，所述空气供应回路供应空气，氢气和空气中的氧气在燃料电池电堆中发生反应生成直流电，所述散热系统向燃料电池电堆中供水而让水吸收氢气和氧气反应产生的反应热，反应后剩余的微量氢气经第一电磁阀排出到空气中，反应后的空气乏气排放到空气中，所述直流-直流变换器将直流电转换成稳定直流电。
3.根据权利要求2所述的高效燃料电池联供系统，其特征在于，所述氢气供应回路包括高压储氢容器、减压阀、单向阀、手动截止阀和防爆电磁阀，所述高压储氢容器、减压阀、单向阀、手动截止阀和防爆电磁阀依次连接，氢气从高压储氢容器出来，依次经过减压阀、单向阀、手动截止阀和防爆电磁阀进入燃料电池电堆。
4.根据权利要求2所述的高效燃料电池联供系统，其特征在于，所述空气供应回路包括空气滤清器、消音器和空气压缩机，所述空气滤清器、消音器和空气压缩机依次连接，空气经过空气滤清器、消音器处理后进入空气压缩机，所述空气压缩机将空气升压，并送入燃料电池电堆。
5.根据权利要求1所述的高效燃料电池联供系统，其特征在于,所述直流变频制冷系统包括直流变频驱动器、直流变频制冷压缩机、冷凝器、节流元件、蒸发器和蒸发器风机，所述直流变频制冷压缩机、冷凝器、节流元件和蒸发器依次连接构成回路，所述直流变频驱动器将所述稳定直流电逆变成三相频率可调的梯形波或正弦波以驱动直流变频制冷压缩机运转，所述直流变频制冷压缩机将制冷剂气体压缩为高温高压气体，所述高温高压气进入冷凝器，所述冷凝器连通散热系统，高温高压气体在冷凝器中通过散热系统降温冷凝为高温高压液体，所述高温高压液体流经节流元件变为低温低压的气液混合物，所述气液混合物流入蒸发器，所述蒸发器风机驱动空气流过蒸发器，所述蒸发器中的气液混合物吸收蒸发器外侧空气的热量进行冷量输出，同时吸收热量的气液混合物再次蒸发为制冷剂气体，所述直流变频制冷压缩机的吸气口将制冷剂气体吸入直流变频制冷压缩机内，制冷剂气体在直流变频制冷压缩机内再次被压缩。
6.根据权利要求5所述的高效燃料电池联供系统，其特征在于,所述直流变频制冷系统还包括干燥过滤器和气液分离器，所述干燥过滤器设在冷凝器和节流元件之间，所述气液分离器设在蒸发器和直流变频制冷压缩机之间，所述干燥过滤器过滤高温高压液体中的杂质和水分，所述气液分离器将未蒸发的气液混合物进行分离，所述制冷剂气体为环保制冷剂气体。
7.根据权利要求1所述的高效燃料电池联供系统，其特征在于，所述散热系统包括散热器、水泵和旁通阀，所述水泵从散热器的底部抽水，并分别泵入燃料电池系统和直流变频制冷系统，泵入燃料电池系统和直流变频制冷系统中的水分别带走燃料电池系统的反应热和直流变频制冷系统的放热后水温升高，升温的水回流至散热器，并在散热器中冷却后循环利用，所述旁通阀和散热器并联，所述旁通阀将回流的温度较低的水直接旁通到散热器出口循环利用。
8.根据权利要求7所述的高效燃料电池联供系统，其特征在于，所述散热系统还包括膨胀水箱、水过滤器和分集水器，所述膨胀水箱连通散热器，所述膨胀水箱为散热器供水并提供水温变化时所需的体积膨胀空间，所述水过滤器设在水泵和散热器之间，所述分集水器分别与散热器和水泵连通，所述水泵通过分集水器将水泵入燃料电池系统和直流变频制冷系统，回流的水通过分集水器流回散热器，所述分集水器向直流变频制冷系统的供水管路上设有第二电磁阀。
9.根据权利要求7所述的高效燃料电池联供系统，其特征在于，所述散热系统还包括散热风机，所述散热风机加速散热器外部空气的对流而将加热后的空气输送到需要供热的位置。
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