CN113437332B - 一种燃料电池热回收系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种燃料电池热回收系统，包括：燃料电池、热回收单元及辅机设备，其中，燃料电池内部设置有氢气管路及空气管路，氢气管路的输入端与外部氢气罐连接，空气管路的输入端与外部空气相通，氢气与空气在燃料电池内部进行电极化学反应，将化学能转化为电能，为外部负载供电；热回收单元的输入端与外部冷水管连接，用于获取外部冷水，将热回收单元获取的外部冷水作为外循环水，以燃料电池及燃料电池系统内辅机设备运行温度由低到高的顺序逆流依次进行热交换，以对燃料电池系统废热进行回收。燃料电池系统考虑到各部件质能分配与部件温度匹配，通过梯级逆流热回收实现了产热性能提升，提高了系统热能回收效率。

Description

一种燃料电池热回收系统
技术领域
本发明涉及能源动力领域，具体涉及一种燃料电池热回收系统。
背景技术
近年来，氢能在能源与化工产业中占据了愈发重要的地位，氢能的应用已经从传统的化工原料气和保护气拓展延伸到交通动力、能源电力与电网储能等诸多领域。尤其是综合能源供给方面，利用燃料电池建设分布式能源供给站提供热电气供给，可以大幅改善能源消费与温室气体排放，对于优化能源布局、促进节能减排、保护生态环境具有重要意义。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)系统是一种基于燃料电池的可供电供热的系统设计，作为新一代高效无碳的清洁能源供应技术，具有可低温启动、能量密度高、响应迅速等优点。通常电堆运行温度在65℃-70℃，运行期间系统可将氢气化学能近似对半转化为电能和热能，其中电能经调压稳定后直接输出直流电，而热能则需通过热回收单元收集或向外供给。然而目前质子交换膜燃料电池系统中热回收设计存在诸多不合理之处，例如，只对燃料电池的热源进行热回收，而忽视其他辅机设备的热源，或对燃料电池系统内热源进行分散回收，造成系统热能回收效率不高。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中燃料电池系统热能回收效率不高的缺陷，从而提供一种燃料电池热回收系统。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明实施例提供一种燃料电池热回收系统，包括：燃料电池、热回收单元及辅机设备，其中，所述燃料电池内部设置有氢气管路及空气管路，所述氢气管路的输入端与外部氢气罐连接，用于获取外部氢气，所述空气管路的输入端与外部空气相通，用于获取外部空气，所述氢气与所述空气在所述燃料电池内部进行电极化学反应，将化学能转化为电能，为外部负载供电；所述热回收单元的输入端与外部冷水管连接，用于获取外部冷水，将所述热回收单元获取的外部冷水作为外循环水，以所述燃料电池及所述燃料电池系统内辅机设备运行温度由低到高的顺序逆流依次与外循环水进行热交换，以对所述燃料电池系统废热进行回收。
可选地，所述热回收单元包括：第一换热器，所述燃料电池系统内辅机设备包括：DC/DC换流器，所述第一换热器的输入端与所述外部冷水管连接，用于将所述外部冷水管流入的外部冷水作为外循环水；所述DC/DC换流器的电源输入端与所述燃料电池的电源输出端连接，所述DC/DC换流器的输出端与外部负载连接，用于将所述燃料电池输出的电压转换为所述负载的工作电压；所述DC/DC换流器内部设置有水冷管路，所述水冷管路内部流通有内循环水，所述内循环水用于冷却所述DC/DC换流器；所述DC/DC换流器水冷管路中的内循环水在所述第一换热器内与外部冷水管流入的外循环水进行热交换，将所述DC/DC换流器水冷管路中的内循环水的热量传至所述外循环水。
可选地，所述热回收单元包括：第二换热器，所述第二换热器的输入端与所述第一换热器的输出端连接，用于将流经所述第一换热器的外循环水输送至所述第二换热器；所述燃料电池内部设置有水冷管路，所述水冷管路内部流通有内循环水，所述内循环水用于冷却所述燃料电池；所述燃料电池水冷管路中的内循环水在所述第二换热器内与所述第一换热器流出的外循环水进行热交换，将所述燃料电池水冷管路中的内循环水的热量传至所述外循环水。
可选地，所述热回收单元包括：第三换热器，所述燃料电池系统内辅机设备包括：空压机，所述第三换热器的输入端与所述第二换热器的输出端连接，用于将流经所述第二换热器的外循环水输送至所述第三换热器；所述空压机的输入端与外部空气相通，所述空压机的输出端与所述空气管路的输入端连接，用于获取外部空气，将所述空气进行压缩升压，并将压缩升压后的空气输入至所述燃料电池；所述空压机内部设置有水冷管路，所述水冷管路内部流通有内循环水，所述内循环水用于冷却所述空压机；所述空压机水冷管路中的内循环水在所述第三换热器内与所述外循环水进行热交换，将所述空压机水冷管路中的内循环水的热量传至所述外循环水。
可选地，所述热回收单元包括：第四换热器，所述第四换热器的第一输入端与所述第三换热器的输出端连接，所述第四换热器的第一输出端与外部热水需求端连接，所述第四换热器的第二输入端与所述空压机的输出端连接，所述第四换热器的第二输出端与所述燃料电池空气管路的输入端连接，用于接收所述第三换热器输送的外循环水，并通过所述外循环水冷却压缩升压后的空气，将冷却后的空气输入至所述燃料电池。
可选地，燃料电池热回收系统还包括：氢气循环泵，所述氢气循环泵的输入端与所述氢气管路的输出端连接，所述氢气循环泵的输出端与所述氢气管路的输入端连接，用于将所述燃料电池排出的过量氢气再循环入所述燃料电池的氢气管路。
可选地，所述燃料电池为质子交换膜燃料电池。
可选地，所述第一换热器并联设置有第一旁路阀门，所述第二换热器并联设置有第二旁路阀门，所述第三换热器并联设置有第三旁路阀门，所述第四换热器并联设置有第四旁路阀门。
可选地，所述第四换热器为配有空腔设计的换热器。
本发明技术方案，具有如下优点：
本发明提供的燃料电池热回收系统，包括：燃料电池、热回收单元及辅机设备，其中，燃料电池内部设置有氢气管路及空气管路，氢气管路的输入端与外部氢气罐连接，用于获取外部氢气，空气管路的输入端与外部空气相通，用于获取外部空气，氢气与空气在燃料电池内部进行电极化学反应，将化学能转化为电能，为外部负载供电；热回收单元的输入端与外部冷水管连接，用于获取外部冷水，将热回收单元获取的外部冷水作为外循环水，以燃料电池及燃料电池系统内辅机设备运行温度由低到高的顺序逆流依次进行热交换，以对燃料电池系统废热进行回收。燃料电池系统考虑到各部件质能分配与部件温度匹配，通过梯级逆流热回收实现了产热性能提升，提高了系统热能回收效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中燃料电池热回收系统的一个具体示例的原理框图；
图2为本发明实施例中燃料电池热回收系统的另一个具体示例的原理框图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本发明实施例提供一种燃料电池热回收系统，如图1所示，包括：燃料电池1、热回收单元2及辅机设备3，其中，燃料电池1内部设置有氢气管路及空气管路，氢气管路的输入端与外部氢气罐连接，用于获取外部氢气，空气管路的输入端与外部空气相通，用于获取外部空气，氢气与空气在燃料电池1内部进行电极化学反应，将化学能转化为电能，为外部负载供电；热回收单元2的输入端与外部冷水管连接，用于获取外部冷水，将热回收单元2获取的外部冷水作为外循环水，以燃料电池1及燃料电池系统内辅机设备3运行温度由低到高的顺序逆流依次与外循环水进行热交换，以对燃料电池1系统废热进行回收。
在一具体实施例中，氢气通过氢气管路进入燃料电池1中的阳极，进入阳极的氢气在催化剂作用发生氧化反应产生氢离子和电子。电子经外电路转移到阴极时就产生了直流电，为外电路中的负载供电。此时燃料电池1的阳极即电源负极，阴极为电源正极。氢离子则经质子交换膜到达阴极，同时空气通过空气管路进入燃料电池1中的阴极，进入阴极的空气在催化剂作用与氢离子及电子发生还原反应生成水分子。其中产生的水不会稀释电解质，而是随着燃料电池1内部电极化学反应后的剩余气体，从空气管路的输出端排出。
在燃料电池系统运行过程中，燃料电池1及燃料电池系统内辅机设备3均会产生不同的热量。因此，为保障燃料电池系统的安全运行以及热能回收的效率，燃料电池系统依照系统内各热源的温度特征，结合温度匹配逆流换热原理，生成各热源回收顺序表。具体地，热回收单元2将外部冷水管流入的部冷水作为外循环水，以燃料电池1及燃料电池系统内辅机设备3运行温度由低到高的顺序逆流依次进行热交换，以对燃料电池系统废热进行回收。在本发明实施例中，燃料电池1为质子交换膜燃料电池。燃料电池系统考虑到各部件质能分配与部件温度匹配，通过梯级逆流热回收实现了产热性能提升，同时保障了燃料电池1发电性能不受影响。
本发明提供的燃料电池热回收系统，包括：燃料电池、热回收单元及辅机设备，其中，燃料电池内部设置有氢气管路及空气管路，氢气管路的输入端与外部氢气罐连接，用于获取外部氢气，空气管路的输入端与外部空气相通，用于获取外部空气，氢气与空气在燃料电池内部进行电极化学反应，将化学能转化为电能，为外部负载供电；热回收单元的输入端与外部冷水管连接，用于获取外部冷水，将热回收单元获取的外部冷水作为外循环水，以燃料电池及燃料电池系统内辅机设备运行温度由低到高的顺序逆流依次进行热交换，以对燃料电池系统废热进行回收。燃料电池系统考虑到各部件质能分配与部件温度匹配，通过梯级逆流热回收实现了产热性能提升，提高了系统热能回收效率。
在一实施例中，如图2所示，热回收单元2包括：第一换热器21，燃料电池1系统内辅机设备3包括：DC/DC换流器31，第一换热器21的输入端与外部冷水管连接，用于将外部冷水管流入的外部冷水作为外循环水；DC/DC换流器31的电源输入端与燃料电池1的电源输出端连接，DC/DC换流器31的输出端与外部负载连接，用于将燃料电池1输出的电压转换为负载的工作电压；DC/DC换流器31内部设置有水冷管路，水冷管路内部流通有内循环水，内循环水用于冷却DC/DC换流器31；DC/DC换流器31水冷管路中的内循环水在第一换热器21内与外部冷水管流入的外循环水进行热交换，将DC/DC换流器31水冷管路中的内循环水的热量传至外循环水。
在一具体实施例中，由于DC/DC换流器产热大约在50℃左右。因此，根据系统内各热源的温度特征，结合温度匹配逆流换热原理，将DC/DC换流器排在各热源回收顺序表的首位。即最先对DC/DC换流器产热进行回收。具体地，选配有水冷的DC/DC换流器，其产生的热量由内循环水携带通过第一换热器21换出，随即流出第一换热器21的外循环水初步升温。
在一实施例中，如图2所示，热回收单元2包括：第二换热器22，第二换热器22的输入端与第一换热器21的输出端连接，用于将流经第一换热器21的外循环水输送至第二换热器22；燃料电池1内部设置有水冷管路，水冷管路内部流通有内循环水，内循环水用于冷却燃料电池1；燃料电池1水冷管路中的内循环水在第二换热器22内与第一换热器21流出的外循环水进行热交换，将燃料电池1水冷管路中的内循环水的热量传至外循环水。
在一具体实施例中，由于燃料电池1产热大约在60℃左右。因此，根据系统内各热源的温度特征，结合温度匹配逆流换热原理，将燃料电池1排在各热源回收顺序表的第二位。即最先对DC/DC换流器产热进行回收后，对燃料电池1产热进行回收。具体地，外部冷水管流入的冷水首先经过第一换热器21，与DC/DC换流器进行热量交换，将DC/DC换流器产热置换至流经第一换热器21的外循环水。而后与DC/DC换流器热交换后的外循环水从第一换热器21流入第二换热器22。在本发明实施例中，选配有水冷的燃料电池1，其产生的热量由内循环水携带通过第二换热器22换出，随即流出第二换热器22的外循环水再次升温。
在一实施例中，如图2所示，热回收单元2包括：第三换热器23，燃料电池1系统内辅机设备3包括：空压机32，第三换热器23的输入端与第二换热器22的输出端连接，用于将流经第二换热器22的外循环水输送至第三换热器23；空压机32的输入端与外部空气相通，空压机32的输出端与空气管路的输入端连接，用于获取外部空气，将空气进行压缩升压，并将压缩升压后的空气输入至燃料电池1；空压机32内部设置有水冷管路，水冷管路内部流通有内循环水，内循环水用于冷却空压机32；空压机32水冷管路中的内循环水在第三换热器23内与外循环水进行热交换，将空压机32水冷管路中的内循环水的热量传至外循环水。
在一具体实施例中，选配外壳水冷的空压机32。由于空压机32机身产热大约在80℃左右。因此，根据系统内各热源的温度特征，结合温度匹配逆流换热原理，将空压机32排在各热源回收顺序表的第三位。即最先对DC/DC换流器产热进行回收后，再对燃料电池1产热进行回收，之后对空压机32机身产热进行回收。具体地，外部冷水管流入的冷水首先经过第一换热器21，与DC/DC换流器进行热量交换，将DC/DC换流器产热置换至流经第一换热器21的外循环水。而后与DC/DC换流器热交换后的外循环水从第一换热器21流入第二换热器22，与燃料电池1进行热量交换。燃料电池1产生的热量由内循环水携带通过第二换热器22换出，随即流出第二换热器22的外循环水再次升温。之后，再次升温后的外循环水从第二换热器22流入第三换热器23，与空压机32进行热量交换。空压机32将自身的热能由内循环水携带通过第三换热器23换出，随即流出第三换热器23的外循环水再次升温。
在本发明实施例中，空气经空压机32压缩加压后输入至燃料电池1参与燃料电池1内部反应。通过对进堆空气进行增压，可以提高燃料电池的功率密度和效率，减小燃料电池系统的尺寸。
在一实施例中，如图2所示，热回收单元2包括：第四换热器24，第四换热器24的第一输入端与第三换热器23的输出端连接，第四换热器24的第一输出端与外部热水需求端连接，第四换热器24的第二输入端与空压机32的输出端连接，第四换热器24的第二输出端与燃料电池空气管路的输入端连接，用于接收第三换热器23输送的外循环水，并通过外循环水冷却压缩升压后的空气，将冷却后的空气输入至燃料电池1。
在一具体实施例中，第四换热器24配有空腔设计的换热器。由于压缩空气产热大约在130℃左右。因此，根据系统内各热源的温度特征，结合温度匹配逆流换热原理，将压缩空气排在各热源回收顺序表的第四位。即最先对DC/DC换流器产热进行回收后，再对燃料电池1产热进行回收，之后对空压机32机身产热进行回收，最后对压缩空气产热进行回收。具体地，外部冷水管流入的冷水首先经过第一换热器21，与DC/DC换流器进行热量交换，将DC/DC换流器产热置换至流经第一换热器21的外循环水。而后与DC/DC换流器热交换后的外循环水从第一换热器21流入第二换热器22，与燃料电池1进行热量交换。燃料电池1产生的热量由内循环水携带通过第二换热器22换出，随即流出第二换热器22的外循环水再次升温。之后，再次升温后的外循环水从第二换热器22流入第三换热器23，与空压机32进行热量交换。空压机32将自身的热能由内循环水携带通过第三换热器23换出，随即流出第三换热器23的外循环水再次升温。最后，流经第三换热器23的外循环水流入第四换热器24，与压缩空气进行热量交换。第四换热器24通过外循环水冷却升压后的高温空气，保障进入燃料电池1的空气在适宜的温度。
在本发明实施例中，通过采用空腔设计的换热器，通过空腔设计可平稳空压机32排气参数，增大气液换热面积，从而实现可回收热能的增加。
在一实施例中，如图2所示，燃料电池1系统还包括：氢气循环泵4，氢气循环泵4的输入端与氢气管路的输出端连接，氢气循环泵4的输出端与氢气管路的输入端连接，用于将燃料电池1排出的过量氢气再循环入燃料电池1的氢气管路。在本发明实施例中，通过将系统中气路单元与热回收单元进行耦合设计，实现系统热回收总量增加并使装置布局紧凑。
在一具体实施例中，氢气通入燃料电池1作为反应气源，部分过量氢气排出燃料电池1后可通过氢气循环泵4再循环入燃料电池1氢气管路入口，以提高氢气利用率。在其他实施例中，可无需设置氢气循环泵4，直接将过量氢气排向大气。
在一实施例中，如图2所示，第一换热器21并联设置有第一旁路阀门211，第二换热器22并联设置有第二旁路阀门221，第三换热器23并联设置有第三旁路阀门231，第四换热器24并联设置有第四旁路阀门241。
在一具体实施例中，各换热器均设有旁路，通过增加旁路阀门设计，可实现装置加速启动，增加部件产热回收的选择性，提高系统热回收效率。进一步地，为提高热回收效率，可在燃料电池1、空压机32、第一换热器21、第二换热器22、第三换热器23、第四换热器24及连接管路等高温部分建议外敷保温层减缓散热。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种燃料电池热回收系统，其特征在于，包括：燃料电池、热回收单元及辅机设备，其中，
所述燃料电池内部设置有氢气管路及空气管路，所述氢气管路的输入端与外部氢气罐连接，用于获取外部氢气，所述空气管路的输入端与外部空气相通，用于获取外部空气，所述氢气与所述空气在所述燃料电池内部进行电极化学反应，将化学能转化为电能，为外部负载供电；
所述热回收单元的输入端与外部冷水管连接，用于获取外部冷水，将所述热回收单元获取的外部冷水作为外循环水，以所述燃料电池及所述燃料电池系统内辅机设备运行温度由低到高的顺序逆流依次与外循环水进行热交换，以对所述燃料电池系统废热进行回收；
所述热回收单元包括：第一换热器，所述燃料电池系统内辅机设备包括：DC/DC换流器，
所述第一换热器的输入端与所述外部冷水管连接，用于将所述外部冷水管流入的外部冷水作为外循环水；
所述DC/DC换流器的电源输入端与所述燃料电池的电源输出端连接，所述DC/DC换流器的输出端与外部负载连接，用于将所述燃料电池输出的电压转换为所述负载的工作电压；
所述DC/DC换流器内部设置有水冷管路，所述水冷管路内部流通有内循环水，所述内循环水用于冷却所述DC/DC换流器；
所述DC/DC换流器水冷管路中的内循环水在所述第一换热器内与外部冷水管流入的外循环水进行热交换，将所述DC/DC换流器水冷管路中的内循环水的热量传至所述外循环水。
2.根据权利要求1所述的燃料电池热回收系统，其特征在于，所述热回收单元包括：第二换热器，
所述第二换热器的输入端与所述第一换热器的输出端连接，用于将流经所述第一换热器的外循环水输送至所述第二换热器；
所述燃料电池内部设置有水冷管路，所述水冷管路内部流通有内循环水，所述内循环水用于冷却所述燃料电池；
所述燃料电池水冷管路中的内循环水在所述第二换热器内与所述第一换热器流出的外循环水进行热交换，将所述燃料电池水冷管路中的内循环水的热量传至所述外循环水。
3.根据权利要求2所述的燃料电池热回收系统，其特征在于，所述热回收单元包括：第三换热器，所述燃料电池系统内辅机设备包括：空压机，
所述第三换热器的输入端与所述第二换热器的输出端连接，用于将流经所述第二换热器的外循环水输送至所述第三换热器；
所述空压机的输入端与外部空气相通，所述空压机的输出端与所述空气管路的输入端连接，用于获取外部空气，将所述空气进行压缩升压，并将压缩升压后的空气输入至所述燃料电池；
所述空压机内部设置有水冷管路，所述水冷管路内部流通有内循环水，所述内循环水用于冷却所述空压机；
所述空压机水冷管路中的内循环水在所述第三换热器内与所述外循环水进行热交换，将所述空压机水冷管路中的内循环水的热量传至所述外循环水。
4.根据权利要求3所述的燃料电池热回收系统，其特征在于，所述热回收单元包括：第四换热器，
所述第四换热器的第一输入端与所述第三换热器的输出端连接，所述第四换热器的第一输出端与外部热水需求端连接，所述第四换热器的第二输入端与所述空压机的输出端连接，所述第四换热器的第二输出端与所述燃料电池的空气管路的输入端连接，用于接收所述第三换热器输送的外循环水，并通过所述外循环水冷却压缩升压后的空气，将冷却后的空气输入至所述燃料电池。
5.根据权利要求1所述的燃料电池热回收系统，其特征在于，还包括：氢气循环泵，所述氢气循环泵的输入端与所述氢气管路的输出端连接，所述氢气循环泵的输出端与所述氢气管路的输入端连接，用于将所述燃料电池排出的过量氢气再循环入所述燃料电池的氢气管路。
6.根据权利要求1所述的燃料电池热回收系统，其特征在于，所述燃料电池为质子交换膜燃料电池。
7.根据权利要求4所述的燃料电池热回收系统，其特征在于，所述第一换热器并联设置有第一旁路阀门，所述第二换热器并联设置有第二旁路阀门，所述第三换热器并联设置有第三旁路阀门，所述第四换热器并联设置有第四旁路阀门。
8.根据权利要求7所述的燃料电池热回收系统，其特征在于，所述第四换热器为配有空腔设计的换热器。
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