CN114068985A - 一种质子交换膜燃料电池冷热电联供系统 - Google Patents

一种质子交换膜燃料电池冷热电联供系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种质子交换膜燃料电池冷热电联供系统，包括热管理模块，包括用于调节燃料电池冷却液的入口温度的冷却液温控模块和用于调节燃料电池冷却液的出口温度、回收冷却液余热并供给供热模块的换热器；供热模块，包括第一水箱，其与换热器连接，用于储存冷却液的余热并供给用户负载；供冷模块，包括第二水箱、有机朗肯循环系统以及蒸汽压缩制冷循环系统；第二水箱用于回收燃料电池乏气的余热并通过管路分别供给有机朗肯循环系统的第一蒸发器及用户负载；换热器还与第一蒸发器连接，利用余热驱动有机朗肯循环；以及控制系统，用于根据冷却液进、出口温度及用户负载情况控制各模块运行。利用燃料电池两种热源互补，实现能量梯级利用。

Description

一种质子交换膜燃料电池冷热电联供系统
技术领域
本发明涉及冷热电联供技术领域，尤其是一种质子交换膜燃料电池冷热电联供系统。
背景技术
低温质子交换膜燃料电池的最佳工作温度在60～80℃的范围内。为保持适宜的工作温度，燃料电池要进行散热。燃料电池工作时产生的电堆余热和乏气余热直接散失到空气中，造成了能量的浪费和系统效率的降低。冷热联供是达到能源高效利用的重要途径，可以将质子交换膜燃料电池产生的余热与冷热联供系统相结合。
现有技术中，针对电堆余热构建较单一的冷热电联供系统，往往忽略了电堆乏气的热量。单一热源的系统能源利用率低，会存在与用户负荷不匹配、时空分布不均等问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种质子交换膜燃料电池冷热电联供系统，目的是避免能量的浪费，提高系统效率，保障用户的需求。利用燃料电池的两种热源进行互补，实现能量的梯级利用，提高系统的稳定运行。
本发明采用的技术方案如下：
一种质子交换膜燃料电池冷热电联供系统，包括燃料电池及其供气模块，还包括：
热管理模块，包括冷却液温控模块和换热器，所述冷却液温控模块用于调节燃料电池冷却液的入口温度；所述换热器用于调节燃料电池冷却液的出口温度并且回收冷却液的余热，供给供热模块：
供热模块，包括第一水箱，其与换热器连接形成回路，用于储存所述冷却液的余热并供给用户负载；
供冷模块，包括第二水箱、有机朗肯循环系统、以及蒸汽压缩制冷循环系统；所述第二水箱用于回收燃料电池乏气的余热，并通过管路分别供给所述有机朗肯循环系统的第一蒸发器及用户负载；所述换热器还与所述第一蒸发器连接形成回路，并利用燃料电池冷却液的余热驱动有机朗肯循环；
以及控制系统，用于检测燃料电池冷却液进、出口温度，根据进、出口温差以及用户负载情况控制各模块运行。
进一步技术方案为：
所述有机朗肯循环系统包括：沿介质循环方向依次连接的第一蒸发器、膨胀机、冷凝器和工质泵；所述蒸汽压缩制冷循环系统包括：沿介质循环方向依次连接的压缩机、冷凝器、节流阀和第二蒸发器；所述膨胀机与所述压缩机动力连接，所述压缩机的输出与发电机连接。
所述换热器的水侧出口分别与第一水箱进口、第一蒸发器水侧进口连接，所述换热器的水侧进口分别与第一水箱出口、第一蒸发器水侧出口连接，形成两个循环回路。
所述冷却液温控模块的出口与所述燃料电池冷却液进口连接，冷却液温控模块的进口与循环泵出口连接；燃料电池冷却液出口分别与所述循环泵入口、所述换热器介质侧入口连接，所述换热器介质侧出口与所述循环泵入口连接，形成两个循环回路。
所述冷却液温控模块包括并联设置的加热器和散热器。
连接冷却液温控模块出口与燃料电池冷却液进口的管路上设有第一温度传感器，燃料电池冷却液出口管路上设有第二温度传感器。
所述第二水箱内设有换热盘管，换热盘管入口与燃料电池乏气出口连接，第二水箱出口通过三通阀分别与用户负载和所述第一蒸发器水侧进口连接。
所述供气模块包括：
空气进气模块，包括风机；以及，氢气进气模块，包括依次连接的储氢罐、氢气调节阀、加湿装置，加湿装置出口与燃料电池氢气入口连接，燃料电池氢气出口通过氢气循环泵与氢气入口连接。
本发明的有益效果如下：
燃料电池在不同环境温度下可以快速启动；
燃料电池可以在一定温度范围内运行，且确保冷却液在循环回路温度差在一定范围内，使燃料电池稳定工作；
设计了一种余热制冷方式，将燃料电池阴极出口的中低温乏气用于驱动有机朗肯循环及蒸汽压缩制冷系统，实现余热高效利用；
实现电堆余热和乏气余热在供热模块和供冷模块的交叉互补，提高系统的能源利用率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明热管理模块的温度控制逻辑图。
图中：
1、燃料电池；2、供气模块；3、热管理模块；4、供热模块；5、供冷模块；
201、储氢罐；202、氢气调节阀；203、加湿装置；204、风机；205、氢气循环泵；
301、加热器；302、散热器；303、第一温度传感器；304、第二温度传感器；305、第一电磁三通阀；306、第一循环水泵；307、第二电磁三通阀；308、换热器；
401、第二循环水泵；402、第一三通调节阀；403、第一水箱；
501、第二三通调节阀；502、第一蒸发器；503、膨胀机；504、冷凝器；505、工质泵；506、压缩机；507、节流阀；508、第二蒸发器；509、发电机；510、第二水箱；5101、盘管入口；5102、盘管出口；5103、出水口；5104、补水口。
具体实施方式
以下结合附图说明本发明的具体实施方式。
本实施例的质子交换膜燃料电池冷热电联供系统，如图1所示，包括燃料电池1及其供气模块2，还包括：
热管理模块3，包括冷却液温控模块和换热器308，冷却液温控模块用于调节燃料电池1冷却液的入口温度；换热器308用于调节燃料电池1冷却液的出口温度并且回收冷却液的余热，供给供热模块4；
供热模块4，包括第一水箱403，其与换热器308连接形成回路，用于储存冷却液的余热并供给用户负载；
供冷模块5，包括第二水箱510、用于供电的有机朗肯循环系统、以及用于供冷的蒸汽压缩制冷循环系统；第二水箱510用于回收燃料电池1乏气的余热，并根据用户需求通过管路分别供给有机朗肯循环系统的第一蒸发器502及用户负载；换热器308还与第一蒸发器502连接形成回路，并根据用户需求利用燃料电池冷却液的余热驱动有机朗肯循环；
以及控制系统，用于检测燃料电池1冷却液进、出口温度，根据进、出口温差以及用户负载情况控制各模块运行。
其中，有机朗肯循环系统包括：沿介质循环方向依次连接的第一蒸发器502、膨胀机503、冷凝器504和工质泵505；
其中，蒸汽压缩制冷循环系统包括：沿介质循环方向依次连接的压缩机506、冷凝器504、节流阀507和第二蒸发器508；
上述膨胀机503与压缩机506动力连接，压缩机506的输出与发电机509连接。
有机朗肯循环系统通过膨胀机503同轴连接压缩机506、发电机509，发电机509产生电能可以给用户补充供电；蒸汽压缩制冷循环系统通过第二蒸发器508给用户供冷。
换热器308的水侧出口分别与第一水箱403进口、第一蒸发器502水侧进口连接，换热器308的水侧进口分别与第一水箱403出口、第一蒸发器502水侧出口连接，形成两个循环回路。
具体的，供热模块4还包括第二循环水泵401、第一三通调节阀402；换热器308的水侧进口与第一水箱403出口之间连接的管路上设置第二循环水泵401，换热器308的水侧出口通过第一三通调节阀402分别与第一水箱403进口、第一蒸发器502水侧进口连接，第一三通调节阀402具有一个进口g，两个出口h、i。
冷却液温控模块的出口与燃料电池1冷却液进口连接，冷却液温控模块的进口与循环泵出口连接；燃料电池1冷却液出口分别与循环泵入口、换热器308介质侧入口连接，换热器308介质侧出口与循环泵入口连接，形成两个循环回路。
具体的，上述循环泵为第一循环水泵306；热管理模块3还包括第一温度传感器303、第二温度传感器304、第一电磁三通阀305、第一循环水泵306、第二电磁三通阀307；
冷却液温控模块包括并联设置的加热器301和散热器302。
具体的，加热器301的功率可调，散热器302温降即可达5℃。
加热器301和散热器302的出口并联形成冷却液温控模块出口，其与燃料电池1冷却液进口的管路上设置第一温度传感器303，燃料电池1冷却液出口通过第一电磁三通阀305分别连接第一循环水泵306入口和换热器308介质侧入口，第一循环水泵306出口通过第二电磁三通阀307分别与加热器301和散热器302的入口连接；
具体的，第二电磁三通阀307具有一个进口d，两个出口e、f，d-e通道连接加热器301，d-f通道连接散热器302。第一电磁三通阀305具有一个入口a，两个出口b、c，a-c通道与第一循环水泵306入口相连形成循环，a-b通道与换热器308冷却液侧入口相连，换热器308冷却液侧出口与第一循环水泵306入口相连形成循环；
具体的，燃料电池1冷却液出口与第一电磁三通阀305的入口a连接的管路上设有第二温度传感器304。
具体的，供热模块4与热管理模块3通过换热器308换热，第一三通调节阀402将供热模块分成两个回路：
一路沿箭头方向依次连接换热器308、第一三通调节阀402的g-h通道、第一水箱403、第二循环水泵401，将热量储存在第一水箱403中进行供热；
另一路沿箭头方向依次连接第二循环水泵401、换热器308、第一三通调节阀402的g-i通道、第一蒸发器502。
第二水箱510内设有换热盘管，盘管入口5101与燃料电池1乏气出口连接，盘管出口5102排空，第二水箱510的出水口5103通过第二三通调节阀501分别与用户负载和第一蒸发器502水侧进口连接。
燃料电池1阴极出口的乏气从盘管入口5101进入第二水箱510，通过换热盘管加热水箱中的水，从盘管出口5102排出，热水从出水口5103流出。
第二水箱510还设置有补水口5104。
具体的，第二三通调节阀501具有一个入口j，两个出口k、l，第二三通调节阀501将供冷模块分成两个回路：
一路连接第二三通调节阀501的j-k通道，热水进入有机朗肯循环系统；
另一路连接第二三通调节阀501的j-l通道，热水送至热用户。
供气模块2包括：
空气进气模块，包括风机204，与燃料电池1连接；
以及氢气进气模块，包括依次连接的储氢罐201、氢气调节阀202、加湿装置203，加湿装置203出口与燃料电池1氢气入口连接，燃料电池1氢气出口通过氢气循环泵205与氢气入口连接，形成回路。
具体的，控制系统的控制器与燃料电池1、散热器302、第一温度传感器303、第二温度传感器304、第一循环水泵306、第二循环水泵401、加热器301、第一电磁三通阀305、第二电磁三通阀307相连。
本实施例系统具体工作时：
空气通过风机204进入质子交换膜燃料电池1的阴极。氢气从储氢罐201中通过氢气调节阀202，加湿装置203进入质子交换膜燃料电池1的阳极，反应后多余的氢气通过氢气循环泵205重新进入电池阳极进行反应，减少氢气的损耗。
有机朗肯循环系统、蒸汽压缩制冷循环系统用同一种工质作为工作流体，两个循环共用一个冷凝器504，膨胀机503和压缩机506通过机械轴相连，膨胀机503输出的机械功用来驱动压缩机506、工质泵505和发电。
具体的，蒸发后的工质进入膨胀机503做功，膨胀机503所做的功一部分带动制冷循环的压缩机506工作，一部分驱动发电机509工作，膨胀机503排出的乏气进入冷凝器504后凝结产生冷凝液，冷凝器504中排出的冷凝液进入工质泵505加压；工质经工质泵505加压后进入第一蒸发器502，完成一个有机朗肯循环；
膨胀机503驱动压缩机506工作，工质在压缩机506内被压缩，进入冷凝器504中，冷凝成饱和液状态，进入节流阀507，在节流阀507处绝热节流，再进入第二蒸发器508气化吸热，气化吸热后的工质进入压缩机506，完成一个蒸汽压缩制冷循环过程，给用户供冷。
燃料电池1阴极出口的乏气流入第二水箱510的盘管入口5101加热水箱中的水，热水从水箱出水口5103中流出，经过第二三通调节阀501的j-k通道，进入第一蒸发器502与工质换热，换热后的水进入供热模块4循环。
当用户没有制冷需求，或者制冷情况下有多余乏气时，乏气也可以进行制热，调大第二三通调节阀501的j-l通道开度，一部分热水经过第二三通调节阀501送至用户用于辅助供热，实现热源间的互补。
参考图2的系统控制原理图，说明本实施例的热管理模块3的温度控制方法：
燃料电池1准备启动，第一温度传感器303检测温度冷却液入口温度T1；
当测得温度T1＜5℃时，控制器控制高功率加热器301、第一循环水泵306启动，燃料电池1不工作，此时冷却液经过d-e通道，在高功率加热器301作用下，冷却液温度快速升高，防止电池1结冻，缩短电池1的启动时间。
当测得温度T1≥5℃时，启动电池1，通过第一温度传感器303、第二温度传感器304同时检测冷却液入口温度T1、冷却液出口温度T2。
当测得温度5≤T1＜60℃时，低功率加热器301启动，冷却液经过d-e通道，冷却液温度升高。
燃料电池1经过加热后，检测温度T1是否大于60℃，如果T1＜60℃，低功率加热器301继续运转。当测得温度T1≥60℃时，冷却液经过d-e通道，加热器301停止加热。
当测得温度T1≥75℃时，散热器302启动，散热器302设计温降为5℃，使进入燃料电池1的冷却液温度降低，冷却液经过d-f通道。
当测得温度T2＜70℃时，冷却液走a-c通道。
控制器接收第一温度传感器303和第二温度传感器304信号，计算其温度差(取绝对值记作△T)。
当△T大于10℃时，控制器控制第一循环水泵306转速增加，使冷却液流速增加，温度差减小，燃料电池1稳定工作；但温度差不能过小，当温差小于5℃时，控制第一循环水泵306常速运转。
当△T大于10℃时，控制器控制第一循环水泵306加大流速，温度差减小；当检测到△T小于5℃时，控制第一循环水泵306常速运转。
当测得温度T2≥70℃时，冷却液走a-b通道，流到换热器308中进行换热，使电堆余热被利用；再判断温度差是否大于10℃，若大于，控制器控制第一循环水泵306、第二循环水泵401转速增加，使温度差减小，直至温度差小于5℃后第一循环水泵306、第二循环水泵401恢复常速，结束整个控制。
供热模块4中经过换热的热水在第二循环水泵401的驱动下，经过第一三通调节阀402的g-h通道进入第一水箱403，第一水箱403中的水吸收高温冷却水中的热量，满足用户的供热和热水需求。
当用户没有制热需求，或者制热情况下有多余的电堆热量时，调大第一三通调节阀402的g-i通道开度，使一部分热水经过第一三通调节阀402进入第一蒸发器502中换热，进行补充供冷，实现热源间的互补。
与现有的燃料电池供能系统相比，本申请对燃料电池供能系统的结构和运行方式进行了优化，采用的冷热电联供系统可以实现热源间的互补，满足用户的需求，提高了能源利用率；采用的热管理模块可以使燃料电池在适宜工作温度下稳定运行，延长了燃料电池的使用寿命。本申请可应用于住宅供能，满足用户对冷热电的需求。

Claims (8)

1.一种质子交换膜燃料电池冷热电联供系统，包括燃料电池(1)及其供气模块(2)，其特征在于，还包括：
热管理模块(3)，包括冷却液温控模块和换热器(308)，所述冷却液温控模块用于调节燃料电池(1)冷却液的入口温度；所述换热器(308)用于调节燃料电池(1)冷却液的出口温度并且回收冷却液的余热，供给供热模块(4)；
供热模块(4)，包括第一水箱(403)，其与换热器(308)连接形成回路，用于储存所述冷却液的余热并供给用户负载；
供冷模块(5)，包括第二水箱(510)、有机朗肯循环系统、以及蒸汽压缩制冷循环系统；
所述第二水箱(510)用于回收燃料电池(1)乏气的余热，并通过管路分别供给所述有机朗肯循环系统的第一蒸发器(502)及用户负载；
所述换热器(308)还与所述第一蒸发器(502)连接形成回路，并利用燃料电池(1)冷却液的余热驱动有机朗肯循环；
以及控制系统，用于检测燃料电池(1)冷却液进、出口温度，根据进、出口温差以及用户负载情况控制各模块运行。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池冷热电联供系统，其特征在于，所述有机朗肯循环系统包括：沿介质循环方向依次连接的第一蒸发器(502)、膨胀机(503)、冷凝器(504)和工质泵(505)；
所述蒸汽压缩制冷循环系统包括：沿介质循环方向依次连接的压缩机(506)、冷凝器(504)、节流阀(507)和第二蒸发器(508)；
所述膨胀机(503)与所述压缩机(506)动力连接，所述压缩机(506)的输出与发电机(509)连接。
3.根据权利要求2所述的质子交换膜燃料电池冷热电联供系统，其特征在于，所述换热器(308)的水侧出口分别与第一水箱(403)进口、第一蒸发器(502)水侧进口连接，所述换热器(308)的水侧进口分别与第一水箱(403)出口、第一蒸发器(502)水侧出口连接，形成两个循环回路。
4.根据权利要求2所述的质子交换膜燃料电池冷热电联供系统，其特征在于，所述冷却液温控模块的出口与所述燃料电池(1)冷却液进口连接，冷却液温控模块的进口与循环泵出口连接；燃料电池(1)冷却液出口分别与所述循环泵入口、所述换热器(308)介质侧入口连接，所述换热器(308)介质侧出口与所述循环泵入口连接，形成两个循环回路。
5.根据权利要求4所述的质子交换膜燃料电池冷热电联供系统，其特征在于，所述冷却液温控模块包括并联设置的加热器(301)和散热器(302)。
6.根据权利要求5所述的质子交换膜燃料电池冷热电联供系统，其特征在于，连接冷却液温控模块出口与燃料电池(1)冷却液进口的管路上设有第一温度传感器(303)，燃料电池(1)冷却液出口管路上设有第二温度传感器(304)。
7.根据权利要求2所述的质子交换膜燃料电池冷热电联供系统，其特征在于，所述第二水箱(510)内设有换热盘管，换热盘管入口端与燃料电池(1)乏气出口连接，第二水箱(510)出口通过三通阀分别与用户负载和所述第一蒸发器(502)水侧进口连接。
8.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池冷热电联供系统，其特征在于，所述供气模块(2)包括：
空气进气模块，包括风机(204)；以及，
氢气进气模块，包括依次连接的储氢罐(201)、氢气调节阀(202)、加湿装置(203)，加湿装置(203)出口与燃料电池(1)氢气入口连接，燃料电池(1)氢气出口通过氢气循环泵(205)与氢气入口连接。
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