CN113390284B - 一种家用燃料电池余热利用系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种家用燃料电池余热利用系统及方法，系统包括三相换热器、第一储水箱、冷却器、燃料电池、火炕以及第二储水箱；三相换热器包括第一换热段和第二换热段，第一换热段的吸热介质进出口分别连通冷却水源和第二换热段的吸热介质入口，第一换热段的放热介质出口和入口分别连通燃料电池冷却水的进出口；第二换热段的放热介质出入口分别连通家庭灶的高温烟气管道出口和大气，第二换热段的吸热介质出口连通第一储水箱入口；第一储水箱出口依次连通火炕和第二储水箱，第一换热段的放热介质出口连通冷却器和燃料电池冷却水的进口；利用燃料电池余热加热火炕，可使燃料电池的使用更符合农村的生活习惯，同时提供生活热水，实现节能减排。

Description

一种家用燃料电池余热利用系统及方法

技术领域

本发明涉及燃料电池的热电联供系统技术领域，具体涉及一种家用燃料电池余热利用系统及方法。

背景技术

如今，家用燃料电池热电联供系统正处于刚刚兴起的阶段，但是包括商业化程度最高的日本在内，研究和产品面向的对象都是城市用户，现缺少针对农村用户，贴合农村生活习惯的家用燃料电池供热系统。

火炕作为一种重要取暖装置应用广泛，火炕储热性能优异，建造、加热方便快捷，但现在常用燃烧树枝来加热火炕，能量转化效率低且环境污染问题严重，一种稳定高效的火炕供热方式符合农村发展方向。

本系统结合燃料电池和家用火炕，利用燃料电池余热加热火炕具有较高的能量利用效率和节能减排效益，符合碳中和发展目标，对农村综合改造具有现实性意义。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提供了一种新的家用燃料电池余热利用系统及方法，利用燃料电池余热加热火炕，可使燃料电池的使用更符合农村的生活习惯，避免传统火炕热量来自燃烧树枝、秸秆或稻草污染严重的问题。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：一种家用燃料电池余热利用系统，包括三相换热器、第一储水箱、冷却器、燃料电池、火炕以及第二储水箱；三相换热器包括第一换热段和第二换热段，第一换热段的吸热介质入口和出口分别连通冷却水源和第二换热段的吸热介质入口，第一换热段的放热介质出口和入口分别连通燃料电池冷却水的入口和出口；第二换热段的放热介质入口和出口分别连通家庭灶的高温烟气出口和大气，第二换热段的吸热介质出口连通第一储水箱入口；第一储水箱的出口依次连通火炕和第二储水箱，第一换热段的放热介质出口还通过应急冷却管道依次连通冷却器和燃料电池冷却水的进口。

还包括控制器，第一换热段的放热介质入口和出口、第二换热段的放热介质入口和出口处均设置有温度传感器，第一换热段的放热介质入口和第一换热段的吸热介质入口均设置流量监测传感器，所述温度传感器和流量监测传感器均连接控制器的输入端，应急冷却管道以及冷却器至燃料电池冷却水的进口的管道上均设置电动阀，所述电动阀连接控制器输出端。

第一储水箱中设置有电辅热装置和温度传感器，电辅热装置连接控制器的输出端，所述温度传感器连接控制器的输入端。

三相换热器至燃料电池冷却水进口之间的管道上敷设电热丝。

三相换热器采用管壳式结构，第一换热段上开设第一入口、第一出口和第二入口，第二换热段上开设第三入口、第三出口和第二出口，第一换热段和第二换热段之间设置第三换热段，第二换热段的两端均设置分流板，分流板上均匀开设若干通孔，所述通孔连通直管，直管在出口处汇流至第二出口，第二出口连通第一储水箱的入口；第一入口连通燃料电池的冷却水出口，第一出口连通燃料电池的冷却水入口；第二入口连通自来水管道，第三入口连通家庭灶的高温烟气出口，第三出口连通大气。

第一换热段的入口处设置前端盖和分流板，分流板上开设若干通孔，第一换热段中设置有管束，所述管束的端部与分流板连接，所述管束的入口端和出口端均连接分流板的通孔，前端盖中设置一挡板，所述挡板将前端盖与分流板之间的通道分隔为两个通道，其中一个通道将管束的入口端与第一入口连通，另一个通道将管束的出口端与第一出口连通。

第二换热段中设置直管束，第二换热段吸热介质入口和出口处均设置分流板，分流板上开设若干通孔，直管束的两端分别对应连接第二换热段两端的分流板，第二换热段的出口处设置分流板和后端盖，第二出口开设在后端盖上。

火炕炕面内侧设置管束，所述管束的入口连通第一储水箱的出口，所述管束的出口连通第二储水箱；第一储水箱还通过旁路管道连通第二储水箱，所述管束还通过旁路冷水管道连通自来水管道。

基于本发明所述系统的家用燃料电池余热综合利用方法，燃料电池工作时排放高温烟气，同时燃料电池冷却水对燃料电池进行降温，在燃料电池内换热的高温燃料电池的冷却水从第一换热段的放热介质入口进入三相换热器中与自来水换热，放热后的燃料电池的冷却水再回到燃料电池中；自来水从第一换热段的吸热介质入口进入三相换热器吸热后进入第二换热段中与燃料电池的高温烟气换热，家庭灶的高温烟气从第二换热段的放热介质入口的进入与三相换热器放热后从第二换热段的放热介质出口排出；需要加热火炕时，在三相换热器中经过两次吸热的自来水经第一储水箱进入火炕对火炕加热；

火炕不需要加热时，第一储水箱直接提供生活用热水；

燃料电池冷却水经放热后，如果温度还高于设定值，则将第二换热段的放热介质入口通入冷却器中，进行冷却后再进入燃料电池。

放热后的燃料电池冷却水温度低于设定温度时，开启电热丝对其进行加热；

经过两段吸热后的自来水达不到设定温度时，开启第一储水箱中的电加热装置对其中的自来水加热后再进入火炕。

本发明将农村广泛使用的火炕纳入系统中，将传统利用高温烟气加热炕面的火炕结构加以改造，改用热水为工质加热炕面；利用三相换热器进行燃料电池冷却水和高温烟气的换热，其中换热器前段进行燃料电池冷却水的换热，在第二换热段进行高温烟气的换热；利用储水箱储存换热器的出口循环水；利用冷却器，根据进口工质的温度具备实时调控功能，对于经过一次换热后的燃料电池冷却水进行更加精确的降温调控，放置意外和确保循环冷却水的温度，按照设定温度范围进入燃料电池，提高燃料电池的可靠性以及工作效率。

进一步的，利用储水箱储存换热器的出口循环水，储水箱设置电辅热装置和补充水入口管道两个功能部件，对用户不定时使用热水对储水箱内部的影响加以消除。

通过本发明所述家用燃料电池余热综合利用方法，利用自来水吸热能充分回收燃料电池余热的同时保证燃料电池处于最佳的工作温度，充分发挥工作效率，而且利用家庭灶的烟气余热再次加热已经加热的自来水，然后将其通向火炕，对火炕进行加热，利用家庭灶余热；在不需要对火炕加热时，将加热后的自来水用于生活用热水，提高能源利用率，降低污染。

附图说明

图1为本发明一种可实施燃料电池余热利用系统框图；

图2为本发明一种可实施的三相换热器的前侧示意图；

图3为本发明一种可实施的三相换热器的后侧示意图。

图4为本发明一种可实施的三相换热器的前段内部管道示意图。

图5为本发明一种可实施的三相换热器的后端内部管道示意图。

图6为本发明一种可实施的三相换热器的前端盖示意图。

图7为本发明一种可实施的三相换热器的第三换热段示意图。

图8为本发明一种可实施的三相换热器的部件示意图。

图9为本发明一种可实施的三相换热器的剖视示意图。

图中，1为三相换热器，2为第一储水箱，3为冷却器，4为火炕，5为水泵，6为电辅热装置，7为燃料电池高温冷却水，8为燃料电池低温冷却水，9为家庭灶高温烟气进口管道，10为烟气出口管道，11为水箱分流往火炕管道，12为水箱分流给居民用水管道，13为换热器出口水，14为自来水，15为前端盖，16为分流板，17为第一换热段，18为第三换热段，19为第二换热段，21为第一入口，22为第一出口，23为第二入口，24为第三入口，25为第三出口，26为第二出口，27为弯管，28为直管，30为第二储水箱，31为燃料电池，32为应急冷却管道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步的说明。

参考图1和图2，一种家用燃料电池余热利用系统，包括三相换热器1、第一储水箱2、冷却器3、燃料电池31、火炕4以及第二储水箱30；三相换热器1包括第一换热段17和第二换热段19，第一换热段17的吸热介质入口和出口分别连通冷却水源和第二换热段19的吸热介质入口，第一换热段17的放热介质出口和入口分别连通燃料电池冷却水的进出口；第二换热段19的放热介质入口通过家庭灶高温烟气进口管道9连通家庭灶的高温烟气管道出口，第二换热段19的放热介质出口经烟气出口管道通向大气，第二换热段19的吸热介质出口连通第一储水箱2入口；第一储水箱2出口依次连通火炕4和第二储水箱30，第一换热段17的放热介质出口还通过应急冷却管道32依次连通冷却器3和燃料电池冷却水的进口。

还包括控制器，第一换热段17的放热介质入口和出口、第二换热段19的放热介质入口和出口处均设置有温度传感器，第一换热段17的放热介质入口和第一换热段17的吸热介质入口均设置流量监测传感器，所述温度传感器和流量监测传感器均连接控制器的输入端，应急冷却管道32以及冷却器3至燃料电池冷却水的进口的管道上均设置电动阀，所述电动阀连接控制器输出端。

第一储水箱2中设置有电辅热装置6和温度传感器，电辅热装置6连接控制器的输出端，温度传感器连接控制器的输入端。

三相换热器1至燃料电池冷却水进口之间的管道上敷设电热丝。

参考图2、图3、图4、图7和图9，三相换热器1采用管壳式结构，第一换热段17上开设第一入口21、第一出口22和第二入口23，第二换热段19上开设第三入口24、第三出口25和第二出口26，第一换热段17和第二换热段19之间设置第三换热段18，第三换热段19的两端均设置分流板16，分流板16上均匀开设若干通孔，所述通孔连通直管28，直管28在出口处汇流至第二出口26，第二出口26连通第一储水箱2的入口；第一入口21连通燃料电池31的冷却水出口，第一出口22连通燃料电池31的冷却水入口；第二入口23连通自来水管道，第三入口24连通燃料电池的高温烟气出口，第三出口25连通大气；第一换热段17的入口处设置前端盖15和分流板16，分流板16上开设若干通孔，第一换热段17中设置有管束，所述管束的端部与分流板连接，所述管束的入口端和出口端均连接分流板16的通孔，前端盖15中设置一挡板，见图6，所述挡板将前端盖与分流板16之间的通道分隔为两个通道，其中一个通道将管束的入口端与第一入口21连通，另一个通道将管束的出口端与第一出口22连通；第二换热段19中设置直管束，第二换热段19吸热介质入口和出口处均设置分流板16，分流板16上开设若干通孔，直管束的两端分别对应连接第二换热段19两端的分流板16，第二换热段19的出口处设置分流板16和后端盖，第二出口26开设在后端盖上，参考图5。

火炕4炕面内侧设置管束，所述管束的入口连通第一储水箱2的出口，所述管束的出口连通第二储水箱30；第一储水箱2还通过旁路管道连通第二储水箱30，所述管束还通过旁路冷水管道连通自来水管道。

参见图1，一种家用燃料电池余热综合利用系统主要实现燃料电池冷却水降温，燃料电池余热综合利用等功能。燃料电池高温冷却水7先经过三相换热器1与自来水14换热，成为燃料电池低温冷却水8，再经过冷却器3进一步冷却到指定温度范围，随后供给燃料电池31。

优选的，燃料电池低温冷却水8如果在燃料电池最佳工作温度范围将直接通向燃料电池31；温度过高时将通入应急冷却管道32，随后通入冷却器3降温到合适温度再通入燃料电池31。

冷却器3根据燃料电池低温冷却水8的温度和流量，通过PID控制器得到需要的冷却水量，将根据燃料电池低温冷却水8与进口热水混合；在出口处分流成两股，一股流向燃料电池，且另一股流量与混合的冷却水量相同。

燃料电池低温冷却水8外管道布有电热丝，燃料电池低温冷却水8温度过低时电热丝工作加热。

本实例中自来水14通入三相换热器1，与燃料电池高温水换热后通入第一储水箱2，所述第一储水箱2设有电辅热装置6，当第一储水箱2中水量和温度达到设定值后水箱中水通过水泵5泵入火炕4中，加热火炕后通入第二储水箱30中。

优选的，所述第二储水箱30中水供给家庭用水。

第二储水箱30的出水口连通三相换热器1的进水口，第二储水箱30中水量过多时多余水将通入三相换热器1中重新加热循环。

第一储水箱2中设置水位传感器，能实时监测其中的水量，为整个系统正常运行及优化提供准确数据。

优选的，第一储水箱2中设置中水位和低水位传感器，当水位低于中水位时，自来水14以小流量补水，且电辅热装置6以小功率辅热；当水位低于低水位时，从自来水14以较大流量补水，且电辅热装置6以较大功率辅热。

优选的，若选取较多控制部件，可以根据当前水箱水量和居民用水流量动态调整自来水14的进水量和电辅热装置6的热功率。

作为优选实时方式之一，还可以采用火墙技术，将水箱分流往火炕管道11通道与火墙供水通道连接，可为室内增温增湿，换热后通往三相换热器进口管道21。

所述三相换热器1还可以参考以下过程：如图8所示，燃料电池高温冷却水7流入第一入口21，经过分流板16分流进入弯管27，随后再次通过分流板16从第一出口22排出。

如图6所示，前端盖15中间设置一挡板，所述挡板将前端盖与分流板16之间的通道分隔为两个通道，其中一个通道将管束的入口端与第一入口21连通，另一个通道将管束的出口端与第一出口22连通，前端盖15中间的挡板保证水从第一入口21流入，通过弯管27改变方向后全部从第一出口22流出。

优选的，前端盖15上布有密封圈保证密封性。

优选的，所述分流板16具有控制出口水温功能，分流板16根据进口两种流体流量和温度控制开口个数，从而控制燃料电池进口水流速，控制流速进而控制换热量，保证高温冷却水处在合适温度。

自来水14从第二入口23流入，第三入口24与高温烟气进口管道9连接，第三出口25与烟气出口管道10连接，第二出口管道26与循环水出口管道13连接，自来水14进入三相换热器1后，首先与燃料电池冷却水换热，随后进入换热器中段分流板16集流后进入直管28中，与从第二入口24导入的高温烟气换热，随后由第二出口26排出。

基于本发明所述系统的家用燃料电池余热综合利用方法，燃料电池31工作时排放高温烟气，同时燃料电池冷却水对燃料电池进行降温，在燃料电池内换热的高温燃料电池的冷却水从第一换热段17的放热介质入口进入三相换热器1中与自来水换热，放热后的燃料电池的冷却水再回到燃料电池中；自来水从第一换热段17的吸热介质入口进入三相换热器1吸热后进入第二换热段19中与燃料电池的高温烟气换热，燃料电池的高温烟气从第二换热段19的放热介质入口的进入与三相换热器1放热后从第二换热段19的放热介质出口排出；需要加热火炕4时，在三相换热器1中经过两次吸热的自来水经第一储水箱2进入火炕4对火炕加热；

火炕4不需要加热时，第一储水箱2直接提供生活用热水；

燃料电池冷却水经放热后，如果温度还高于设定值，则将第二换热段19的放热介质入口通入冷却器3中，进行冷却后再进入燃料电池31。

放热后的燃料电池冷却水温度低于设定温度时，开启电热丝对其进行加热；

经过两段吸热后的自来水低于设定温度时，开启第一储水箱2中的电加热装置对其中的自来水加热后再进入火炕4。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种家用燃料电池余热利用系统，其特征在于，包括三相换热器(1)、第一储水箱(2)、冷却器(3)、燃料电池(31)、火炕(4)以及第二储水箱(30)；三相换热器(1)包括第一换热段(17)和第二换热段(19)，第一换热段(17)的吸热介质入口和出口分别连通冷却水源和第二换热段(19)的吸热介质入口，第一换热段(17)的放热介质出口和入口分别连通燃料电池冷却水的入口和出口；第二换热段(19)的放热介质入口和出口分别连通家庭灶的高温烟气出口和大气，第二换热段的吸热介质出口连通第一储水箱(2)入口；第一储水箱(2)的出口依次连通火炕(4)和第二储水箱(30)，第一换热段(17)的放热介质出口还通过应急冷却管道(32)依次连通冷却器(3)和燃料电池冷却水的进口；还包括控制器，第一换热段(17)的放热介质入口和出口、第二换热段(19)的放热介质入口和出口处均设置有温度传感器，第一换热段(17)的放热介质入口和第一换热段(17)的吸热介质入口均设置流量监测传感器，所述温度传感器和流量监测传感器均连接控制器的输入端，应急冷却管道(32)以及冷却器(3)至燃料电池冷却水的进口的管道上均设置电动阀，所述电动阀连接控制器输出端；三相换热器(1)至燃料电池冷却水进口之间的管道上敷设电热丝；三相换热器(1)采用管壳式结构，第一换热段(17)上开设第一入口(21)、第一出口(22)和第二入口(23)，第二换热段(19)上开设第三入口(24)、第三出口(25)和第二出口(26)，第一换热段(17)和第二换热段(19)之间设置第三换热段(18)，第二换热段(19)的两端均设置分流板(16)，分流板(16)上均匀开设若干通孔，所述通孔连通直管(28)，直管(28)在出口处汇流至第二出口(26)，第二出口(26)连通第一储水箱(2)的入口；第一入口(21)连通燃料电池(31)的冷却水出口，第一出口(22)连通燃料电池(31)的冷却水入口；第二入口(23)连通自来水管道，第三入口(24)连通家庭灶的高温烟气出口，第三出口(25)连通大气；第一换热段(17)的入口处设置前端盖(15)和分流板(16)，分流板(16)上开设若干通孔，第一换热段(17)中设置有管束，所述管束的端部与分流板连接，所述管束的入口端和出口端均连接分流板(16)的通孔，前端盖(15)中设置一挡板，所述挡板将前端盖与分流板(16)之间的通道分隔为两个通道，其中一个通道将管束的入口端与第一入口(21)连通，另一个通道将管束的出口端与第一出口(22)连通；第二换热段(19)中设置直管束，第二换热段(19)吸热介质入口和出口处均设置分流板(16)，分流板(16)上开设若干通孔，直管束的两端分别对应连接第二换热段(19)两端的分流板(16)，第二换热段(19)的出口处设置分流板(16)和后端盖，第二出口(26)开设在后端盖上。

2.如权利要求1所述的家用燃料电池余热利用系统，其特征在于，第一储水箱(2)中设置有电辅热装置(6)和温度传感器，电辅热装置(6)连接控制器的输出端，所述温度传感器连接控制器的输入端。

3.如权利要求1所述的家用燃料电池余热利用系统，其特征在于，火炕(4)炕面内侧设置管束，所述管束的入口连通第一储水箱(2)的出口，所述管束的出口连通第二储水箱(30)；第一储水箱(2)还通过旁路管道连通第二储水箱(30)，所述管束还通过旁路冷水管道连通自来水管道。

4.基于权利要求1-3中任一项所述系统的家用燃料电池余热综合利用方法，其特征在于，燃料电池(31)工作时排放高温烟气，同时燃料电池冷却水对燃料电池进行降温，在燃料电池内换热的高温燃料电池的冷却水从第一换热段(17)的放热介质入口进入三相换热器(1)中与自来水换热，放热后的燃料电池的冷却水再回到燃料电池中；自来水从第一换热段(17)的吸热介质入口进入三相换热器(1)吸热后进入第二换热段(19)中与燃料电池的高温烟气换热，家庭灶的高温烟气从第二换热段(19)的放热介质入口的进入与三相换热器(1)放热后从第二换热段(19)的放热介质出口排出；需要加热火炕(4)时，在三相换热器(1)中经过两次吸热的自来水经第一储水箱(2)进入火炕(4)对火炕加热；

火炕(4)不需要加热时，第一储水箱(2)直接提供生活用热水；

燃料电池冷却水经放热后，如果温度还高于设定值，则将第二换热段(19)的放热介质入口通入冷却器(3)中，进行冷却后再进入燃料电池(31)；放热后的燃料电池冷却水温度低于设定温度时，开启电热丝对其进行加热；

经过两段吸热后的自来水达不到设定温度时，开启第一储水箱(2)中的电加热装置对其中的自来水加热后再进入火炕(4)。

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