CN113782768A - 一种基于氢能的热电双供系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及清洁能源供暖的领域，尤其涉及一种基于氢能的热电双供系统，包括：供能模块，用于产生热能以及电能；热交换模块，与供能模块连接；室内供暖模块，与热交换模块连接，通过热交换模块将供能模块产生的热量传递至室内供暖模块；电处理模块，与供能模块连接，用于转化、处理供能模块产生的电能；检测模块，用于检测室内供暖模块的供暖用水温度、室内温度以及供暖用水的循环流量；控制模块，用于接收检测模块检测的温度以及流量数据，并对供能模块、热交换模块、室内供暖模块以及电处理模块进行调控。本申请能够缓解因供暖、用电造成的环境污染的问题。

Description

一种基于氢能的热电双供系统及方法

技术领域

本申请涉及清洁能源供暖的领域，尤其是涉及一种基于氢能的热电双供系统及方法。

背景技术

目前室内供暖的方式大概范围两种，一种是采用暖气、地暖等集中式供暖的方式，另外一种是通过空调进行供暖。

针对上述中的相关技术，发明人发现：通过暖气、地暖等集中式的供暖方式，一般是通过燃气作为供能能源，通过空调进行供暖，耗费大量电力，火力发电是常见的一种发电方式；可见，通过上述两种供暖方式实现室内供暖，过程中会排放较多二氧化碳，造成环境污染的问题。

发明内容

为了缓解因室内供暖、用电造成的环境污染的问题，本申请提供一种基于氢能的热电双供系统及方法。

本申请提供一种基于氢能的热电双供系统，采用如下的技术方案：

一种基于氢能的热电双供系统，包括：

供能模块，用于产生热能以及电能；

热交换模块，与供能模块连接；

室内供暖模块，与热交换模块连接，通过热交换模块将供能模块产生的热量传递至室内供暖模块；

电处理模块，与供能模块连接，用于转化、处理供能模块产生的电能；

检测模块，用于检测室内供暖模块的供暖用水温度、室内温度以及供暖用水的循环流量；

控制模块，用于接收检测模块检测的温度以及流量数据，并对供能模块、热交换模块、室内供暖模块以及电处理模块进行调控；

所述供能模块包括燃料电池；

供氧模块，用于向燃料电池供给氧气；以及

供氢模块，用于向燃料电池供给氢气。

通过采用上述技术方案，使用该热电双供系统进行室内供暖时，供能模块产生的热能通过热交换模块传导至室内供暖模块，用于室内采暖以及室内用水，同时，产生的电能输送至电处理模块，能够供给用户日常用电等，做到对能源的充分利用，相较于传统的燃气供暖和电网供电，降低二氧化碳排放量，减少对环境产生的污染。

可选的，所述热交换模块至少有两个，且分别与燃料电池的阴极、阳极连接，热交换模块包括气液分离装置，用于对燃料电池排出的水以及未反应气体进行分离；和水热交换器，用于将燃料电池产生的热能传递至室内供暖模块；所述气液分离装置分别与供氧模块以及供氢模块连接，用于将分离的气体回输至供氧模块以及供氢模块。

通过采用上述技术方案，燃料电池产生的水以及热量排出的过程中，会有部分未反应完全的气体随之排出，通过气液分离装置对未反应的气体与排出的液体进行分离，在将分离后的气体重新输送至供氧模块以及供氢模块，进行重复利用，能够减少出现浪费的问题，对能源的利用更加充分，另外，也不容易出现排出的气体排出，被人员吸入而对人的健康产生影响的问题。

可选的，所述供能模块还包括冷却模块，冷却模块同时与燃料电池以及热交换模块连接。

通过采用上述技术方案，能够较为方便的实现对燃料电池内部的降温，及时将燃料电池内部的热量排出，实现对反应产生的热量更加充分的吸收，且冷却模块同时与燃料电池与热交换模块连接，冷却用水中的热量被吸收后，重新循环至燃料电池中，实现降温，实现对资源的高效利用。

可选的，该热电双供系统还包括水箱，水箱与热交换模块以及室内供暖模块连接。

通过采用上述技术方案，燃料电池反应产生的水将热量传导至室内供暖模块中的供暖用水后，排至水箱中进行存储，该部分水能够供给至户内供用户日常使用，或是补充至室内供暖模块中，作为供暖用水，循环实现室内供暖，提高对水资源的利用率，减少出现水资源浪费的问题。

可选的，所述电处理模块包括DCDC模块，与供能模块连接，以对供能模块产生的电能进行调整；

电加热模块，与所述水热交换器连接，对水热交换器通入的室内供暖用水进一步加热；

逆变器，与DCDC模块连接，对供能模块产生的电能进行转换。

通过采用上述技术方案，经过水热交换器加热的供暖用水排出电加热模块进行进一步加热，将供暖用水的温度调整时所需温度，减少出现供暖用水的温度不足，而影响对室内的供暖效果的问题，且使用的电加热模块的能源来自供能模块产电，减少从国家电网使用的电量，在一定程度上起到节能减排的作用；另外，供能模块产生的电能通过逆变器变为交流电，能够供给至用户室内电器用电，或是上传至国家电网，实现资源的高效利用。

本申请还提供一种基于氢能的热电双供方法，采用如下的技术方案，

一种基于氢能的热电双供方法，

根据用户设定的所需的室内设定温度获取所需供暖水达到的预供暖温度；

获取回收燃料电池产生热能后的供暖水的初供暖温度；

获取初供暖温度与预供暖温度的差值，并根据获取的差值分配燃料电池产生的电能；

若初供暖温度低于预供暖温度，燃料电池产生的电能将维持在初供暖温度的供暖水加热至供暖温度，剩余电能用于产生交流电；

若初供暖温度不低于预供暖温度，燃料电池产生的电能用于产生交流电。

通过采用上述技术方案，在保证满足室内供暖的前提下，对供能模块，即燃料电池产生的能源进行合理分配，做到对能源的充分利用，相较于传统的燃气供暖和电网供电，降低二氧化碳排放量，减少对环境产生的污染。

可选的，待室内温度稳定后，获取室内温度，与设定温度值进行对比，并设定允许的温度浮动值；

若室内温度低于设定温度的值超过温度浮动值，增加燃料电池产生的电能分配至供暖水加热的量，增大供暖水温度；

若室内温度高于设定温度的值超过温度浮动值，减少燃料电池产生的电能分配至供暖水加热的量，减小供暖水温度。

通过采用上述技术方案，在室内温度维持在一稳定范围内后，对比室内温度与设定温度，若是相差超过允许的温度浮动至，自动调整电加热模块的功率，实现对供暖用水温度的调节，能够较为方便的实现对室内温度的智能调节，提升对室内供暖的效果。

可选的，经过对燃料电池产生的电能用于供暖水调节的量的调整后，再次获取室内温度与设定温度的差值；

若该差值大于温度浮动值，调整供暖水流量。

通过采用上述技术方案，在通过调整供暖水的温度难以将室内温度维持在所需温度允许的误差范围内时，改变供暖用水的循环速率，能够进一步实现对室内温度的调节，进一步改善室内供暖的效果。

可选的，燃料电池产生的电能产生交流电，获取用户户内的用电功率，产生的交流电根据用户户内的用电功率调配电量供至户内用电，剩余电量上传至电网；

若燃料电池产生的电量少于供暖水调温所需电量以及户内用电电量，通过电网进行供电。

通过采用上述技术方案，供能模块产生的电量首先用于供给电加热模块，维持室内供暖的温度，剩余电量用于供给室内电器用电以及上传至国家电网，在维持用于日常使用的同时，能够获得一定收益，减少从国家电网的用电量，在一定程度上起到节能减排的作用。

可选的，在对比室内温度与设定温度后，首先根据对比结果调整燃料电池的冷却循环功率，对室内温度进行调整；

其次对比室内温度与设定温度，根据对比结果分配至供暖水加热的电量，对室内温度进行二次调整；

之后再次对比室内温度与设定温度，根据对比结果调整燃料电池的供气速率。

通过采用上述技术方案，在通过调整电热器功率、调整流量无法将室内温度调整至所需温度的情况下，通过改变供给至燃料电池的氧气和氢气速率，实现对燃料电池功效的改变，以实现进一步对供暖用水温度范围的调节，对室内温度进行调整的效果更好。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.通过设置的热电双供系统，在通过燃料电池实现室内供暖的同时，能够供给用户的户内用电，实现对对能源的高效利用，减少出现能源浪费的问题，并且产生的电能能够辅助进行室内温度调节，对室内进行供暖的效果更好，相较于传统的燃气供暖和电网供电，降低二氧化碳排放量，减少对环境产生的污染；

2.通过设置的热交换模块，对燃料电池排出的水和未完全反应的气体进行分离，水中的热量被回收后储存在水箱内，能够供给用户日常使用，分离处的未反应完全的气体重新输送至供氧模块和供氢模块中，重复进行利用，能够减少资源浪费的问题；

3.通过设置燃料电池产生的热能用于室内供暖，产生的电能进行分配的过程中，优先供给至供暖部分，之后用于户内用电，最后剩余的部分上传至国家电网，能够保证较好的室内供暖效果，同时减少从国家电网的用电量，在一定程度上起到节能减排的作用。

附图说明

图1是本申请的热电双供系统的整体示意图；

图2是为了展示供能模块和电处理模块的结构所做的示意图；

图3是为了展示供能模块和热交换模块的结构所做的示意图。

附图标记说明：1、供能模块；11、燃料电池；12、供氧模块；13、供氢模块；14、冷却模块；2、热交换模块；21、气液分离装置；22、水热交换器；3、室内供暖模块；4、电处理模块；41、DCDC模块；42、电加热模块；43、逆变器；5、检测模块；6、控制模块；7、水箱。

具体实施方式

以下结合附图1-3对本申请作进一步详细说明。

本申请实施例公开一种基于氢能的热电双供系统。参照图1和图2，该热电双供系统包括供能模块1、热交换模块2、室内供暖模块3和电处理模块4；供能模块1包括燃料电池11、与燃料电池11相接的供氧模块12以及供氢模块13，供氧模块12和供氢模块13分别用于向燃料电池11供给氧气和氢气，其中供氧模块12包括储存氧气的罐体，在另一实施例中为周围环境空气，利用空气中的氧气直接供至燃料电池11进行反应；供氢模块13包括存放氢气的罐体；室内供暖模块3主要是作为室内采暖热源以及生活用热水源；该系统还包括检测模块5和控制模块6，通过检测模块5对该系统各个位置处的实时温度、室内供暖模块3中的供暖用水循环速度、用户户内用电功率等数据进行检测，并将检测的数据传输至控制模块6，通过控制模块6对供能模块1、热交换模块2、室内供暖模块3以及电处理模块4进行调控。

参照图2，该热电双供系统还包括与热交换模块2连接的水箱7；燃料电池11工作过程中产生水、热能以及电能，其中产生的水以及热能排至热交换模块2中，其中水作为热能的载体；同时热交换模块2与室内供暖模块3的回水部分连接，燃料电池11产生的热能在热交换模块2部分传导至室内供暖模块3，实现对热能的回收利用，另外，热交换模块2也与外部水源连接，通过外部水源向室内供暖模块3补水时，对该部分水进行加热；经过热交换模块2的水排至水箱7中存储，水箱7中的水作为外部水源向室内供暖模块3进行补水，另外，也能够供给用户日常使用；在水箱7中的水储存满后，将多余的水随建筑的排水系统排出即可。

参照图2和图3，热交换模块2有两个，分别与燃料电池11的阳极、阴极相连，且两个热交换模块2为并联状态，其中燃料电池11中未完全反应的氢气以及氧气（空气）分别排入至两个热交换模块2中，同时，燃料电池11反应过程中产生的水也分别排至两个热交换模块2中；热交换模块2包括气液分离装置21和水热交换器22，通过气液分离装置21对气体与液体进行分离，分离后的氧气（空气）循环至供氧模块12中，氢气循坏至供氢模块13中，之后再次通入燃料电池11中进行反应；分离后的水排至水热交换器22内，将其中的热量传导至室内供暖模块3中。

参照图2和图3，燃料电池11还连接有冷却模块14，通过冷却模块14对燃料电池11进行水冷降温，该部分水也从燃料电池11排至热交换模块2中，将热量传导至室内供暖模块3中，且该部分用于对燃料电池11进行冷却的冷却水再次循环至燃料电池11中进行水冷降温；能够维持燃料电池11正常的工作过程，减少出现温度过高而对正常的反应过程产生影响的问题，另外，能够及时的将燃料电池11反应产生的温度导出，通过水热交换器22将热量传导至室内供暖用水，提高供热效率。

参照图2，电处理模块4包括DCDC模块41与电加热模块42，供暖用水经过水热交换器22后排至电加热模块42中，DCDC模块41与燃料电池11连接，对燃料电池11产生的电流进行调节，并将燃料电池11产生的电量供给至电加热模块42，通过电加热模块42对水热交换器22排出的热水进一步进行加热，经过电加热模块42加热后的水温升高至预定温度，之后热水循环至室内，用于室内采暖以及生活用水。

参照图2，电处理模块4还包括逆变器43，燃料电池11分配部分电量至电加热模块42后，剩余的电量传至逆变器43，通过逆变器43转变为交流电，该部分交流电通向户内，供给用于日常使用；除去供给户内日常使用，剩余的电能上传至国家电网，同时，在燃料电池11产生的电能较少，不足以供给电加热模块42以及户内用电使用时，通过国家电网供给户内用电，且该部分电量也能够用于电加热模块42，对室内供暖系统的水进行加热，不容易出现因燃料电池11的产能不足而对室内供暖效果产生影响的问题。

本申请实施例一种基于氢能的热电双供系统的实施原理为：通过供氧模块12和供氢模块13向燃料电池11通入氧气和氢气进行反应，反应过程中产生水、热能以及电能，通过水热交换器22对产生的热能进行回收，用于室内采暖以及生活用水，产生的电能通过DCDC模块41传输至电加热模块42，通过电加热模块42对经过水热交换器22加热的水进行进一步加热，之后通至室内，用于室内采暖以及生活用水，且剩余的电量还能够用于户内其他用电电器或是直接上传至国家电网；能够对燃料电池11产生的热能、电能进行充分利用，对居民提供室内采暖、生活热水以及日常用电；相较于传统的燃气供暖和电网供电，降低二氧化碳排放量，减少对环境产生的污染。

本申请还公开一种基于氢能的热电双供方法，主要包括以下步骤：

根据用户设定的所需室内设定温度获取供暖系统所需的预供暖温度：

在实际处理中，用户根据自己的需要设定与其的室内温度，控制模块6获取该温度值后，根据室内空间、室内设置的供暖器数量和供暖用水流量得出室内供暖系统所需的预供暖温度，并将该预供暖温度作为后续对室内供暖系统用水的温度进行调整的标准。

通过水热交换器22对室内供暖模块3的回水部分或是从外部水源添加至室内供暖模块3中的水进行加热，之后供暖用水排至电加热模块42，此时，通过检测模块5获取输送至电加热模块42的水的温度，将该温度标记为初供暖温度，并对初供暖温度与预供暖温度进行对比：

若初供暖温度低于预供暖温度，则通过电加热模块42对经过水热交换器22加热的水进一步进行加热升温，将其温度调整至预供暖温度，输送至室内供暖模块3中，对室内温度进行调整；

若初供暖屋内的不低于预供暖温度，则不开启电加热模块42的加热功能，将水热交换器22中的水直接通入室内供暖模块3内，对室内进行供暖。

除去用于电加热模块42的部分电量，剩余电量转变为交流电后供向户内用电和上传至国家电网，其中，首先检测用户户内用电的功率，根据户内用电的功率分配传输至户内用电部分的电量，在满足户内用电的情况下，剩余部分电量上传至国家电网；若不足以满足户内用电，则通过国家电网补充户内用电不足的部分。

待室内温度达到稳定后，通过检测模块5对室内的温度进行检测，得到室内温度，并获取室内温度与设定温度的差值；另外，设定一允许室内温度与设定温度存在的最大差值，该值为温度浮动值，该温度浮动值可通过用户自己设定，本申请实施例的温度浮动值设置为0.5℃。

若室内温度与设定温度的差值不大于温度浮动值，则按照当前温度持取对室内进行供暖；

若室内温度与设定温度的差值大于温度浮动值，则通过调整电加热模块42的功率，改变室内供暖模块3通入的水的温度，以对室内温度进行调整，具体的：

若室内温度大于设定温度，则加大电加热模块42的功率，增加燃料电池11产生的电量分配至电加热模块42的量；

若室内温度小于设定温度，则减小电加热模块42的功率，降低燃料电池11产生的电量分配至电加热模块42的量；

通过调整电加热模块42的功率，对输送至室内供暖系统中的水的温度进行调整，实现对室内温度的调整，使得室内温度与设定温度的差值不大于温度浮动值。

在燃料电池11保持当前功率的情况下，通过改变电加热模块42的功率以对室内温度进行调整后，若室内温度仍无法调整至要求的范围内，则通过控制模块6控制室内供暖模块3的供暖用水的循环速度，即调整室内供暖用循环泵的功率；

在室内温度低于设定温度且差值大于温度浮动值的情况下，通过增加室内供暖模块3用循环泵的功率来提高室内供暖模块3内热水的循环速度，以提升室内温度；相反的，若室内温度高于设定温度且差值大于温度浮动值，则控制减小室内供暖模块3用循环泵的功率。

在进行室内温度调节的过程中，若是通过改变电加热模块42的功率以及调整室内供暖模块3的供暖用水的循环速度，无法实现将室内温度调整至设定温度的情况下，需要从燃料电池11的产能处进行调整，本申请以室内温度低于设定温度为例，具体的可通过调整燃料电池11的冷却模块14的冷却用水的循环速度，通过改变冷却水的流量对供暖用水的温度进行调整，在增大冷却用水的循环速度的情况下，加快冷却水将燃料电池11内的热量传出的速率，以实现对室内供暖用水的温度的调节。

在通过室内供暖用水的流量调节以及电加热的功率调节之后，若出现室内温度仍无法满足设定温度的要求，此时，需要对燃料电池11的反应强度进行调整，在室内温度低于设定温度且二者差值大于温度浮动值的情况下，增加向燃料电池11内通入氧气以及氢气的速率，使得通入至燃料电池11内的氧气以及氢气等比例增加，提高燃料电池11的反应效率；此时，供暖用水经过水热交换器22吸热后的温度上升，之后再次通过电加热模块42进行加热，使得通入至室内供暖模块3中的供暖用水的温度升高，实现提高室内温度的目的；在室内温度高于设定温度的情况下，对应的降低氧气和氢气的供给速率，实现降低室内温度的目的。

而对于电处理模块4中电量的分配，首先将燃料电池11产生的电量供给至电加热模块42，用于对室内供暖用水进行加热，且在将电量供至电加热模块42时，首先通过DCDC模块41进行调压，使得传输至电加热模块42的电流维持稳定；另外，也可以在DCDC模块41中暂存一部分电量，在启动燃料电池11的过程中，通过DCDC模块41向燃料电池11反向供电，作为驱动燃料电池11启动的动力，在启动燃料电池11时，不需要通过外部电源进行驱动，提升使用的便利性。

除去传输至电加热模块42部分的电量，剩余电量传输至逆变器43转变为交流电，对于转变为交流电的电量，首先检测用户室内的用电功率，在燃料电池11转变为交流电的部分能够满足户内用电的情况下，将交流电中的部分电量供给至户内用电，剩余的电量上传至国家电网；在燃料电池11转变为的交流电无法满足户内用电的情况下，将交流电全部供给至户内用电，而对于不足的部分，通过国家电网供给；在极少数的情况下，可能会出现燃料电池11产生的电量不足以供给电加热模块42的现象，此时，通过国家电网传输电量至户内用电，该部分户内用电分配部分至电加热模块42，辅助对室内供暖用水进行加热。

通过以上方式，优先使用燃料电池11产生的电量供给电加热模块42以及户内用电使用，能够对能源做到更加充分的利用，减少从国家电网的电量消耗，能够在一定程度上起到节能减排的作用。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于氢能的热电双供系统，其特征在于，包括：

供能模块(1)，用于产生热能以及电能；

热交换模块(2)，与供能模块(1)连接；

室内供暖模块(3)，与热交换模块(2)连接，通过热交换模块(2)将供能模块(1)产生的热量传递至室内供暖模块(3)；

电处理模块(4)，与供能模块(1)连接，用于转化、处理供能模块(1)产生的电能；

检测模块(5)，用于检测室内供暖模块(3)的供暖用水温度、室内温度以及供暖用水的循环流量；

控制模块(6)，用于接收检测模块(5)检测的温度以及流量数据，并对供能模块(1)、热交换模块(2)、室内供暖模块(3)以及电处理模块(4)进行调控；

所述供能模块(1)包括燃料电池(11)；

供氧模块(12)，用于向燃料电池(11)供给氧气；以及

供氢模块(13)，用于向燃料电池(11)供给氢气。

2.根据权利要求1所述的一种基于氢能的热电双供系统，其特征在于：所述热交换模块(2)至少有两个，且分别与燃料电池(11)的阴极、阳极连接，热交换模块(2)包括气液分离装置(21)，用于对燃料电池(11)排出的水以及未反应气体进行分离；和水热交换器(22)，用于将燃料电池(11)产生的热能传递至室内供暖模块(3)；所述气液分离装置(21)分别与供氧模块(12)以及供氢模块(13)连接，用于将分离的气体回输至供氧模块(12)以及供氢模块(13)。

3.根据权利要求2所述的一种基于氢能的热电双供系统，其特征在于：所述供能模块(1)还包括冷却模块(14)，冷却模块(14)同时与燃料电池(11)以及热交换模块(2)连接。

4.根据权利要求2所述的一种基于氢能的热电双供系统，其特征在于：该热电双供系统还包括水箱(7)，水箱(7)与热交换模块(2)以及室内供暖模块(3)连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于氢能的热电双供系统，其特征在于：所述电处理模块(4)包括

DCDC模块(41)，与供能模块(1)连接，以对供能模块(1)产生的电能进行调整；

电加热模块(42)，与所述水热交换器(22)连接，对水热交换器(22)通入的室内供暖用水进一步加热；

逆变器(43)，与DCDC模块(41)连接，对供能模块(1)产生的电能进行转换。

6.一种基于氢能的热电双供方法，其特征在于：

根据用户设定的所需的室内设定温度获取所需供暖水达到的预供暖温度；

获取回收燃料电池(11)产生热能后的供暖水的初供暖温度；

获取初供暖温度与预供暖温度的差值，并根据获取的差值分配燃料电池(11)产生的电能；

若初供暖温度低于预供暖温度，燃料电池(11)产生的电能将维持在初供暖温度的供暖水加热至供暖温度，剩余电能用于产生交流电；

若初供暖温度不低于预供暖温度，燃料电池(11)产生的电能用于产生交流电。

7.根据权利要求6所述的一种基于氢能的热电双供方法，其特征在于：

待室内温度稳定后，获取室内温度，与设定温度值进行对比，并设定允许的温度浮动值；

若室内温度低于设定温度的值超过温度浮动值，增加燃料电池(11)产生的电能分配至供暖水加热的量，增大供暖水温度；

若室内温度高于设定温度的值超过温度浮动值，减少燃料电池(11)产生的电能分配至供暖水加热的量，减小供暖水温度。

8.根据权利要求7所述的一种基于氢能的热电双供方法，其特征在于：

经过对燃料电池(11)产生的电能用于供暖水调节的量的调整后，再次获取室内温度与设定温度的差值；

若该差值大于温度浮动值，调整供暖水流量。

9.根据权利要求6所述的一种基于氢能的热电双供方法，其特征在于：

燃料电池(11)产生的电能产生交流电，获取用户户内的用电功率，产生的交流电根据用户户内的用电功率调配电量供至户内用电，剩余电量上传至电网；

若燃料电池(11)产生的电量少于供暖水调温所需电量以及户内用电电量，通过电网进行供电。

10.根据权利要求8所述的一种基于氢能的热电双供方法，其特征在于：

在对比室内温度与设定温度后，首先根据对比结果调整氢能燃料电池(11)的冷却循环功率，对室内温度进行调整；

其次对比室内温度与设定温度，根据对比结果调整分配至供暖用水加热的电量，对室内温度进行二次调整；

之后再次对比室内温度与设定温度，根据对比结果调整燃料电池(11)的供气速率。

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