CN111933967A - 燃料电池热电联供系统中的供热系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池热电联供系统中的供热系统，包括：电堆和重整器，电堆与重整器之间的第一换热器上的第一冷却出水管连接至电堆，电堆的电堆冷却水出水管连接至第二换热器的加热介质进口，第二换热器的加热介质出口与第一换热器的第一冷却进水管相连接；第二换热器的被加热介质的进口和出口分别连接有第二换热器进水管和第二换热器出水管，第二换热器进水管与第三换热器的出水口连接，第二换热器出水管连接至储热水罐，储热水罐上的加热水管连接至第三换热器的进水口，加热水管上设置有加热水泵；重整器的废气输出管与第三加热器；储热水罐上设置有补水管和热水输出管。本发明的优点在于：充分利用热能，从而很好地为用户服务。

Description

燃料电池热电联供系统中的供热系统
技术领域
本发明涉及燃料电池的热电联供系统技术领域，具体涉及燃料电池热电联供系统中的供热系统。
背景技术
燃料电池的热电联供系统，通常包括：电堆以及重整器，重整器将含氢的化合物转化成富含氢气的重整气供电堆发电使用，重整气中的氢气在电堆中与空气中的氧气发生电化学反应，从而将化学能转化成电能输出给用户。燃料在重整器中燃烧供热，燃烧产生的废气从重整器中排出。燃料电池热电联供系统中的供热系统主要利用重整器输出的重整气的热量和电堆工作时内部产生的热量，从而产生热水供用户使用。
目前，燃料电池热电联供系统中的存在以下问题：一、热能利用率有待进一步提高。二、供热功率无法超出燃料电池电堆的满负荷工作时的最大负载热功率，因此不能更好地满足用户需求。
发明内容
本发明的目的是：提供一种燃料电池热电联供系统中的供热系统，其能充分利用重整气的热量以及与电堆的热量，热能利用率高；供热功率能超出电堆的满负荷工作时的最大负载热功率，从而能更好地满足用户需求。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：燃料电池热电联供系统中的供热系统，包括：电堆和重整器，电堆与重整器之间设置有重整气输送管，重整气输送管上设置有用于对重整气进行降温的第一换热器；第一换热器上设置有第一冷却进水管和第一冷却出水管，第一冷却出水管连接至电堆的电堆冷却水进口，电堆的冷却水出口连接有电堆冷却水出水管，电堆冷却水出水管连接至第二换热器的加热介质进口，第二换热器的加热介质出口与第一冷却进水管相连接，所述的第一冷却进水管上连接有带阀的第一进水管；第二换热器的被加热介质进口和被加热介质出口分别连接有第二换热器进水管和第二换热器出水管，第二换热器进水管与第三换热器的出水口连接，第二换热器出水管连接至储热水罐，储热水罐上设置有加热水管，所述的加热水管连接至第三换热器的进水口，加热水管上设置有能不断将水向第三换热器泵送的加热水泵；重整器的废气输出管与第三加热器的加热介质进口连接，第三加热器的加热介质出口连接有废气排出管；储热水罐上设置有补水管和热水输出管。
进一步地，前述的燃料电池热电联供系统中的供热系统，其中，电堆冷却水出水管上设置有第一流量比例控制三通阀，第一流量比例控制三通阀上连接有第一连接管，第一连接管与第一冷却进水管相连接；储热水罐与第二换热器之间的第二换热器出水管上设置有第二流量比例控制三通阀，第二流量比例控制三通阀上连接有第二连接管，第二连接管与第二换热器进水管相连接。
更进一步地，前述的燃料电池热电联供系统中的供热系统，其中，第二流量比例控制三通阀与第二换热器之间的第二换热器出水管上设置有电加热器，所述的电加热器与电堆的电能输出端之间电连接，电加热器所需的电能由电堆提供；电堆以最大负载电功率输出时，且其中的一部分电能给电加热器供电，电加热器对经过的水进一步加热。
更进一步地，前述的燃料电池热电联供系统中的供热系统，其中，重整气输送管上还连接有储存输送管，储存输送管上设置有压缩机和重整气储罐，重整气输送管中的重整气能在压缩机的作用下存储在重整气储罐中；重整气储罐的输出端与电堆的阳极输入端连接，重整气储罐中的重整气能输送至电堆。
再进一步地，前述的燃料电池热电联供系统中的供热系统，其中，电堆的电能输出端设置有锂电池，电堆产生的电能可以储存在锂电池中，锂电池能向外输出电能或为燃料电池热电联供系统提供电能。
再进一步地，前述的燃料电池热电联供系统中的供热系统，其中，加热水泵与第三换热器之间的加热水管上设置有第一控制阀，第一控制阀与加热水泵之间的加热水管上设置有第三连接管，第三连接管上设置有第二控制阀，第三连接管与第三换热器之间的第二换热器进水管上设置有第三控制阀；第一进水管与第一换热器之间的第一冷却进水管上设置有第四控制阀，第一冷却出水管上设置有第五控制阀，第五控制阀与电堆冷却水进口之间的第一冷却出水管设置有第四连接管，第四连接管连接至第四控制阀与第一进水管之间的第一冷却进水管，第四连接管上设置有第六控制阀。
本发明的优点是：一、充分利用了重整气、以及电堆中的热能，从而很好地为用户服务。二、电加热器的设置，增大了最大输出热功率，这大大提高了热电联供系统的适用性，从而能更好地满足用户需求。三、锂电池与重整气储罐、以及电加热器的设置，使得热电联供系统以及其中的供热系统能即便在突发故障和自然灾害发生时仍然能进行工作，且此状态下实现小循环进行供热，大大减少了能量损失，从而使得热电联供系统中的供热系统即便在突发故障和自然灾害发生时仍然能也能很好地服务用户。
附图说明
图1是本发明所述的燃料电池热电联供系统中的供热系统的工作原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和优选实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，燃料电池热电联供系统中的供热系统，包括：电堆1和重整器2，电堆1与重整器2之间设置有重整气输送管21，重整气输送管21上设置有用于对重整气进行降温的第一换热器3。为了便于计量，进入第一换热器3之前的重整气由流量计211计量。本实施例中，第一换热器3上设置有第一冷却进水管31和第一冷却出水管32，第一冷却出水管32连接至电堆1的电堆冷却水进口101，电堆1的冷却水出口102连接有电堆冷却水出水管12，电堆冷却水出水管12连接至第二换热器4的加热介质进口，第二换热器4的加热介质出口与第一冷却进水管31相连接，所述的第一冷却进水管31上连接有带阀的第一进水管301。第二换热器4的被加热介质进口和被加热介质出口分别连接有第二换热器进水管41和第二换热器出水管42，第二换热器进水管41与第三换热器5的出水口连接。第二换热器出水管42连接至储热水罐6，储热水罐6上设置有加热水管61，所述的加热水管61连接至第三换热器5的进水口，加热水管61上设置有能不断将水向第三换热器5泵送的加热水泵62。重整器2的废气输出管22与第三加热器5的加热介质进口连接，第三加热器5的加热介质出口连接有废气排出管51；储热水罐6上设置有补水管63和热水输出管64。
本实施例中，电堆冷却水出水管12上设置有第一流量比例控制三通阀121，第一流量比例控制三通阀121上连接有第一连接管122，第一连接管122与第一冷却进水管相连接31。储热水罐6与第二换热器4之间的第二换热器出水管42上设置有第二流量比例控制三通阀421，第二流量比例控制三通阀421上连接有第二连接管422，第二连接管422与第二换热器进水管41相连接。
第二流量比例控制三通阀421与第二换热器4之间的第二换热器出水管42上设置有电加热器7，所述的电加热器7与电堆1的电能输出端之间电连接。电加热器7所需的电能由电堆1提供。电堆1以最大负载电功率输出时，且其中的一部分电能给电加热器7供电，电加热器7能对经过的水进一步加热。
此外，重整气输送管21上还连接有储存输送管23，储存输送管23上设置有压缩机231和重整气储罐232，重整气输送管21中的重整气能在压缩机231的作用下存储在重整气储罐232中；重整气储罐232中的重整气能输送至电堆1。
电堆1的电能输出端设置有锂电池10，电堆产生的电能可以储存在锂电池10中，锂电池10能向外输出电能或为燃料电池热电联供系统提供电能。
加热水泵62与第三换热器5之间的加热水管61上设置有第一控制阀611，第一控制阀611与加热水泵62之间的加热水管61上设置有第三连接管612，第三连接管612上设置有第二控制阀613，第三连接管612与第三换热器5之间的第二换热器进水管41上设置有第三控制阀411。第一进水管301与第一换热器3之间的第一冷却进水管31上设置有第四控制阀311，第一冷却出水管32上设置有第五控制阀321，第五控制阀321与电堆冷却水进口101之间的第一冷却出水管32上设置有第四连接管322，第四连接管322连接至第四控制阀311与第一进水管301之间的第一冷却进水管31上，第四连接管322上设置有第六控制阀323。
正常工作时供热系统的工作过程如下：第一控制阀611、第三控制阀411、第四控制阀311、第五控制阀321都处于开阀状态，第二控制阀613、第六控制阀323处于关闭状态。水经第一进水管301、第一冷却进水管31进入第一换热器3中，从而对重整气进行冷却。温度升高后的水经第一冷却出水管32进入至电堆1作为电堆1的冷却用水，进一步升温后的水从电堆冷却水出口102、电堆冷却水出水管12进入至第二换热器4作为加热介质，从而为第二换热器4提供热量。第二换热器4中作为加热介质的水释放了热量后从第一冷却进水管31回到第一换热器3中。此循环不断将重整气释放的热量、以及电堆1中产生的热量传递至第二换热器4。第一进水管301第一次进水后，在循环管路中缺水时水由第一进水管301补充。
重整器2中的废气经废气输出管22进入至第三换热器5中作为加热介质，释放了热量后的废气从废气排出管51排出。水不断经补水管63进入储热水罐6，储热水罐6中的水不断由加热水泵62泵送，并经由加热水管61进入至第三换热器5中。水在第三换热器5中预热，然后从第二换热器进水管41进入至第二换热器4中。第二换热器4中被加热后的水经第二换热器出水管42进入至储热水罐6中，从而使得储热水罐6中的温度保持在恒定的温度范围。储热水罐6中的热水经热水输出管64输出给用户。
本实施例中，电堆冷却水出水管12上的第一流量比例控制三通阀121通过第一连接管122与第一冷却进水管31相连接，其目的在于：调节第一连接管122与电堆冷却水出水管12水流量的比例，使得经电堆冷却水出水管12输出的热水一部分经第一冷却进水管31进入至第一换热器3中，从而调节第一换热器3的加热介质的温度。本实施例中，第二换热器出水管42上的第二流量比例控制三通阀421通过第二连接管422与第二换热器进水管41相连接，其目的在于：调节第二连接管422与第二换热器出水管42水流量的比例，使得第二换热器出水管42中的热水一部分经第二连接管422进入第二换热器进水管41中，从而调节第二换热器4中被加热介质的温度。
采用上述结构的供热系统，充分地利用了整个热电联供系统工作时所产生的热能，从而使得热能利用率大大提高，有效减少了热能的浪费。
燃料电池的热电联供系统工作时，当电堆1处于满负荷工作状态时，整个热电联供系统则能输出最大负载电功率，此状态下整个热电联供系统则输出最大负载热功率。当用户的用热需求大于最大负载热功率时，电堆1以最大负载电功率输出，并且其中一部分电能用于对电加热器7供电，从而使得电加热器7对经过的水进一步加热，这样整个系统的输出热功率就会增加，并大于最大负载热功率，从而能更好地满足于用户需求。
当外部突发断电、地震等自然灾害而导致用户无天然气供应、无电可用时，此时锂电池10则为系统启动提供初始电能。重整气储罐231则开始为电堆1发电提供重整气。电堆1发电，电堆1产生的电能一部向外输出，另外一部分电能则用于对电加热器7供电。电加热器7开始对经过的水进行加热，从而弥补缺失的重整器2输出的重整气的热量，这就使得供热不受自然灾害或突发故障影响。
同时，上述状态下采用小循环供热，小循环供热可以尽量减少能量损失。具体的循环过程如下：第一控制阀611、第三控制阀411、第四控制阀311、第五控制阀321都处于关阀状态，第二控制阀613、第六控制阀323处于打开状态。外部供水经第一进水管301进入至第一冷却出水管32进入电堆1，吸收了电堆1内部热量的水依次经电堆1的电堆冷却水出口102、电堆冷却水出水管12进入至第二换热器4中作为加热介质，第二换热器4中作为加热介质的水释放了热量后再从第一冷却进水管31、第四连接管322回流至第一冷却出水管32中，以此不断循环。第一进水管301第一次进水后，在循环管路中缺水时水由第一进水管301补充。
水不断经补水管63进入储热水罐6，出热水罐6中的水不断由加热水泵62泵送经加热水管61、第三连接管612进入至第二换热器进水管41，然后至第二换热器4中。第二换热器4中被加热后的水经第二换热器出水管42经电加热器7加热后进入至储热水罐6中。储热水罐6中的热水经热水输出管63向外输出给用户。
外部突发断电、地震等自然灾害而导致用户无天然气供应、无电可用时，能源尤为可贵，采用上述的小循环进行供热，其能有效减少热能损耗，将产生的热能尽可能的都供应给用户，从而使得即便是在突发故障、自然灾害而导致外部断气、断电的状态下，整个燃料电池热电联供系统中的供热系统仍然能为用户提供更好的服务。
本发明的优点在于：一、充分利用了重整气、以及电堆1中的热能，从而很好地为用户服务。二、电加热器7的设置，增大了最大输出热功率，这大大提高了热电联供系统的适用性，从而能更好地满足用户需求。三、锂电池10与重整气储罐231、以及电加热器7的设置，使得热电联供系统以及其中的供热系统能即便在突发故障和自然灾害发生时仍然能进行工作，且此状态下实现小循环进行供热，大大减少了能量损失，从而使得热电联供系统中的供热系统即便在突发故障和自然灾害发生时仍然能也能很好地服务用户。

Claims (6)

1.燃料电池热电联供系统中的供热系统，包括：电堆和重整器，电堆与重整器之间设置有重整气输送管，重整气输送管上设置有用于对重整气进行降温的第一换热器；其特征在于：第一换热器上设置有第一冷却进水管和第一冷却出水管，第一冷却出水管连接至电堆的电堆冷却水进口，电堆的冷却水出口连接有电堆冷却水出水管，电堆冷却水出水管连接至第二换热器的加热介质进口，第二换热器的加热介质出口与第一冷却进水管相连接，所述的第一冷却进水管上连接有带阀的第一进水管；第二换热器的被加热介质进口和被加热介质出口分别连接有第二换热器进水管和第二换热器出水管，第二换热器进水管与第三换热器的出水口连接，第二换热器出水管连接至储热水罐，储热水罐上设置有加热水管，所述的加热水管连接至第三换热器的进水口，加热水管上设置有能不断将水向第三换热器泵送的加热水泵；重整器的废气输出管与第三加热器的加热介质进口连接，第三加热器的加热介质出口连接有废气排出管；储热水罐上设置有补水管和热水输出管。
2.根据权利要求1所述的燃料电池热电联供系统中的供热系统，其特征在于：电堆冷却水出水管上设置有第一流量比例控制三通阀，第一流量比例控制三通阀上连接有第一连接管，第一连接管与第一冷却进水管相连接；储热水罐与第二换热器之间的第二换热器出水管上设置有第二流量比例控制三通阀，第二流量比例控制三通阀上连接有第二连接管，第二连接管与第二换热器进水管相连接。
3.根据权利要求2所述的燃料电池热电联供系统中的供热系统，其特征在于：第二流量比例控制三通阀与第二换热器之间的第二换热器出水管上设置有电加热器，所述的电加热器与电堆的电能输出端之间电连接，电加热器所需的电能由电堆提供；电堆以最大负载电功率输出时，且其中的一部分电能给电加热器供电，电加热器对经过的水进一步加热。
4.根据权利要求2或3所述的燃料电池热电联供系统中的供热系统，其特征在于：重整气输送管上还连接有储存输送管，储存输送管上设置有压缩机和重整气储罐，重整气输送管中的重整气能在压缩机的作用下存储在重整气储罐中；重整气储罐的输出端与电堆的阳极输入端连接，重整气储罐中的重整气能输送至电堆。
5.根据权利要求4所述的燃料电池热电联供系统中的供热系统，其特征在于：电堆的电能输出端设置有锂电池，电堆产生的电能可以储存在锂电池中，锂电池能向外输出电能或为燃料电池热电联供系统提供电能。
6.根据权利要求4所述的燃料电池热电联供系统中的供热系统，其特征在于：加热水泵与第三换热器之间的加热水管上设置有第一控制阀，第一控制阀与加热水泵之间的加热水管上设置有第三连接管，第三连接管上设置有第二控制阀，第三连接管与第三换热器之间的第二换热器进水管上设置有第三控制阀；第一进水管与第一换热器之间的第一冷却进水管上设置有第四控制阀，第一冷却出水管上设置有第五控制阀，第五控制阀与电堆冷却水进口之间的第一冷却出水管设置有第四连接管，第四连接管连接至第四控制阀与第一进水管之间的第一冷却进水管，第四连接管上设置有第六控制阀。
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