CN114335627B - 燃料电池热电联供系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃料电池热电联供系统及其控制方法，该系统包括壳体，及壳体内的热电发生子系统、电能处理子系统和热能处理子系统；热电发生子系统用于获取系统用电信息及系统用热信息，并根据系统用电信息输出系统电能，及根据系统用热信息输出系统热能；电能处理子系统用于根据系统电能、电网电能及系统用电信息确定目标配电策略，并根据目标配电策略对系统电能及电网电能进行双向转换处理；热能处理子系统用于根据系统热能及系统用热信息控制热交换单元运行，将系统热能转换为循环水热能提供给用户。本发明通过燃料电池热电联供功能结构的一体化及模块化集成，实现社区及楼宇级的热电联供，系统占用空间小，安全性高。

Description

燃料电池热电联供系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及热电联供控制技术领域，尤其涉及一种燃料电池热电联供系统及其控制方法。

背景技术

在“碳中和”及“碳达峰”背景下，各领域均在需求途径实现节能减排。基于氢燃料电池的热电联供系统为建筑领域的节能减排提供了解决方案。

目前，氢燃料电池热电联供系统多数面向家庭用户，其存在以下问题：现有的氢燃料电池系统功率一般不超过5KW，不适用于楼宇或者社区级别的环境，在实现相同的能量输出情况下，需要安装多个小功率热电联供系统，系统零部件个数较多，系统成本高，且系统占用空间大，经济性较差；此外，小功率热电联供系统需要布置在用户房屋内或者在房屋附近就近布置，用户与氢系统同处一个区域，存在安全隐患。

发明内容

本发明提供一种燃料电池热电联供系统及其控制方法，通过燃料电池热电发生子系统、电能处理子系统和热能处理子系统等功能模块的一体化及模块化集成，实现社区及楼宇级的热电联供，系统占用空间小，安全性高。

第一方面，本发明实施例提供了一种燃料电池热电联供系统，包括：壳体，及设置于所述壳体内的热电发生子系统、电能处理子系统和热能处理子系统；所述热电发生子系统包括燃料电池本体、燃料电池辅件及燃料电池控制器，所述燃料电池控制器用于获取系统用电信息及系统用热信息，并根据所述系统用电信息控制所述燃料电池本体及所述燃料电池辅件输出系统电能，及根据所述系统用热信息控制所述燃料电池本体及所述燃料电池辅件输出系统热能；所述电能处理子系统包括电力系统控制器和双向电力变换单元，所述电力系统控制器用于根据所述系统电能、电网电能及系统用电信息确定目标配电策略，并根据所述目标配电策略对所述系统电能及电网电能进行双向转换处理；所述热能处理子系统包括热力系统控制器、热交换单元和热水存储单元，所述热力系统控制器用于根据所述系统热能及所述系统用热信息控制所述热交换单元运行，所述热交换单元将所述系统热能转换为循环水热能，并将加热后的循环水输出至热水存储单元。

可选地，所述系统热能包括下述至少一项：燃料电池电堆发热量、燃料电池辅件发热量及燃料电池尾排热量；所述热交换单元包括第一板式热交换器、第二板式热交换器和尾排热交换器，所述热能处理子系统用于根据所述系统热能及所述系统用热信息调度所述第一板式热交换器、所述第二板式热交换器及所述尾排热交换器执行热量交换，所述第一板式热交换器用于对所述燃料电池电堆发热量执行热量交换；所述第二板式热交换器用于对所述燃料电池辅件发热量执行热量交换；所述尾排热交换器用于对所述燃料电池尾排热量执行热量交换。

可选地，所述第一板式热交换器的入口侧与所述燃料电池本体连接，所述第一板式热交换器的出口侧与所述热水存储单元连接，所述第一板式热交换器用于将所述燃料电池电堆发热量转换为第一循环水热量，并将第一循环水输出至所述热水存储单元；所述第二板式热交换器的入口侧与所述燃料电池辅件连接，所述第二板式热交换器的出口侧与所述热水存储单元连接，所述第二板式热交换器用于将所述燃料电池辅件发热量转换为第二循环水热量，并将第二循环水输出至所述热水存储单元；所述尾排热交换器包括与尾排罐连接的第一电子开关及第一水泵，所述尾排罐内部设有液位传感器，所述热力系统控制器用于根据所述液位传感器的参数控制所述第一电子开关及所述第一水泵运行，将所述尾排罐内的高温水传输至所述热水存储单元。

可选地，所述热能处理子系统还包括：设置于所述热水存储单元内的液位传感器和第一温度传感器，及与所述热水存储单元连接的补水单元和排水单元，所述补水单元用于对所述热水存储单元进行补水，所述排水单元用于对所述热水存储单元进行排水；所述热力系统控制器用于获取所述液位传感器采集的水位参数和所述第一温度传感器采集的温度参数，并根据所述水位参数及所述温度参数控制所述补水单元启动或者停止补水，及根据所述水位参数及所述温度参数控制所述排水单元启动或者停止排水。

可选地，所述系统用热信息包括下述至少一项：用户供暖热需求信息、热采样信息及用户生活用水热需求信息；所述热能处理子系统还包括：供暖处理单元和生活用水单元，所述供暖处理单元设有第三板式热交换器，所述第三板式热交换器的输入侧与所述热水存储单元连接，所述第三板式热交换器的输出侧与供热管路连接，所述第三板式热交换器的输入侧和/或输出侧设有第二温度传感器，所述第二温度传感器用于获取所述热采样信息；所述生活用水单元设有第二水泵，所述第二水泵的输入侧与所述热水存储单元连接，所述第二水泵的输出侧与生活用水管路连接。

可选地，所述燃料电池辅件包括：燃料气体供应模块，所述燃料气体供应模块包括燃料气体输入单元及燃料气体循环单元，所述燃料气体输入单元用于对所述燃料电池本体输入燃料气体并监测燃料气体供应运行参数，所述燃料气体循环单元用于对所述燃料电池本体输出的残余燃料气体进行循环处理；所述燃料气体输入单元包括：依次连接的进气管路、减压阀、第一压力传感器、第二电子开关、质量流量计、比例阀、机械三通结构件、第三电子开关及第二压力传感器，所述比例阀与所述机械三通结构件之间设有安全阀，所述安全阀用于在燃料气体压力超过预设压力阈值时排出过量燃料气体；所述燃料气体循环单元包括：依次连接的第三压力传感器、气液分离器和燃料气体循环泵，所述燃料气体循环泵的输出端与机械三通结构件连接，将残余燃料气体输送至所述机械三通结构件，所述气液分离器排出的循环水通过排水阀输送至尾排罐。

可选地，所述燃料电池辅件还包括：空气供应模块，所述空气供应模块包括空气输入单元及空气循环单元，所述空气输入单元用于对所述燃料电池本体输入空气并监测空气供应运行参数，所述空气循环单元用于对所述燃料电池本体输出的残余空气进行循环处理；所述空气输入单元包括：依次连接的空气过滤器、空压机、中冷器、加湿进气管路及进气检测组件，所述进气检测组件包括第三温度传感器、湿度传感器和第四压力传感器；所述空气循环单元包括：依次连接的出气检测组件、加湿出气管路及背压阀，所述背压阀用于将气液混合体输送至尾排罐，所述出气检测组件包括第四温度传感器和第五压力传感器。

可选地，所述系统用电信息包括下述至少一项：外部直流负载功率、外部交流负载功率、内部交流负载功率及内部直流负载功率。

可选地，所述燃料电池热电联供系统还包括：系统控制模块，及设置于所述壳体表面的系统热电接口，所述系统热电接口实现系统内外的热能、电能及水气的交互传输；所述系统控制模块与所述燃料电池控制器、所述电力系统控制器及所述热力系统控制器通信连接，所述系统控制模块用于各控制器之间的协调控制。

第二方面，本发明实施例还提供了一种燃料电池热电联供系统控制方法，用于上述燃料电池热电联供系统，所述方法包括：

获取系统用电信息及系统用热信息，并根据所述系统用电信息控制燃料电池本体及燃料电池辅件输出系统电能，及根据所述系统用热信息控制燃料电池本体及燃料电池辅件输出系统热能；

根据所述系统电能、电网电能及系统用电信息确定目标配电策略，并根据所述目标配电策略对所述系统电能及电网电能进行双向转换处理；

根据所述系统热能及所述系统用热信息控制热交换单元运行，所述热交换单元将所述系统热能转换为循环水热能，并将循环水输出至热水存储单元。

本发明提供的燃料电池热电联供系统及其控制方法，通过在壳体内集成设置热电发生子系统、电能处理子系统和热能处理子系统，热电发生子系统内的燃料电池控制器获取系统用电信息和系统用热信息，并根据系统用电信息控制燃料电池本体及燃料电池辅件输出系统电能，并根据系统用热信息控制燃料电池本体及燃料电池辅件输出系统热能，电能处理子系统根据系统电能、电网电能及系统用电信息确定目标配电策略，并根据目标配电策略对系统电能及电网电能进行双向转换处理，热能处理子系统根据系统热能及系统用热信息控制热交换单元运行，将系统热能转换为循环水热能，并将加热后的循环水输出至热水存储单元存储，解决了现有的热电联供系统占地面积大、安全性低的问题，系统模块化和集成度高，占用空间小，提高了系统安装、维护、移动和布置的便捷性和热电联供系统的易拓展性，可满足不同用户、多场景的热电需求，实现社区及楼宇级的热电联供，燃料电池独立于用户居住空间设置，提高系统安全性和经济性。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的一种燃料电池热电联供系统的结构示意图；

图2为本发明实施例二提供的一种燃料电池热电联供系统的结构示意图；

图3为本发明实施例三提供的一种热能处理子系统的结构示意图；

图4为本发明实施例四提供的一种燃料电池热电联供系统的结构示意图；

图5为本发明实施例五提供的一种燃料电池热电联供系统的结构示意图

图6为本发明实施例六提供的一种燃料电池热电联供系统控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1为本发明实施例一提供的一种燃料电池热电联供系统的结构示意图，本实施例可适用于面向楼宇或者社区使用的大功率热电联供的应用场景。

如图1所示，该燃料电池热电联供系统00包括：壳体100，及设置于壳体100内的热电发生子系统200、电能处理子系统300和热能处理子系统400，其中，壳体100可为设有绝缘材料的实体边界，该壳体100具有防水防尘功能。

参考图1所示，该热电发生子系统200包括燃料电池控制器210、燃料电池本体220及燃料电池辅件230，其中，燃料电池辅件230包括为燃料电池本体220运行提供燃料气体、空气及电能转换支持的多个组件，燃料电池控制器210用于获取系统用电信息及系统用热信息，并根据系统用电信息控制燃料电池本体220及燃料电池辅件230输出系统电能，及根据系统用热信息控制燃料电池本体220及燃料电池辅件230输出系统热能。电能处理子系统300包括电力系统控制器310和双向电力变换单元320，其中，双向电力变换单元320可工作于整流状态或者逆变状态，电力系统控制器310用于根据系统电能、电网电能及系统用电信息确定目标配电策略，并根据目标配电策略对系统电能及电网电能进行双向转换处理。热能处理子系统400包括热力系统控制器410、热交换单元420和热水存储单元430，热力系统控制器410用于根据系统热能及系统用热信息控制热交换单元420运行，热交换单元420将系统热能转换为循环水热能，并将加热后的循环水输出至热水存储单元430，为用户提供供暖用水及生活热水。

本实施例中，系统电能可为燃料电池本体220输出的直流供电，系统热能可为燃料电池本体220及燃料电池辅件230运行产生的热能。

本实施例中，热电发生子系统200、电能处理子系统300和热能处理子系统400之间互相进行信息交互，在各控制器的调度下协调运行，利用燃料电池电堆输出的电能及外部电网电能给系统内及系统外的用电负载供电，并利用系统运行产生的多种热量满足用户的用热需求。

一实施例中，系统用电信息包括下述至少一项：外部直流负载功率、外部交流负载功率、内部交流负载功率及内部直流负载功率，电力系统控制器310根据系统电能、电网电能及系统用电信息确定目标配电策略之时，可对燃料电池输出的系统电能的大小与不同负载功率的大小进行比较，根据比较结果确定目标配电策略。

本实施例中，目标配电策略可包括：采用系统电能对外部交流电网及用电负载供电；采用系统电能和电网电能共同对外部用电负载供电；采用系统电能和电网电能共同对外部用电负载和内部交流负载供电；采用电网电能对外部用电负载和内部交流负载供电，并对电网电能进行逆变处理后，对内部直流负载供电。

具体而言，在燃料电池热电联供系统00启动之后，燃料电池控制器210实时获取系统用电信息及系统用热信息，对系统用电信息和系统用热信息进行综合分析，若采样时刻系统的用电量较大，或者系统处于用电高峰时间段，或者外部电网断电，则燃料电池控制器210根据系统用电信息控制燃料电池本体220及燃料电池辅件230启动运行，在燃料电池辅件230的辅助作用下，燃料电池本体220将化学能转换为电能和热能，此时，燃料电池本体220的输出功率以满足电能需求为主，将电能传输至电力系统控制器310进行分配，将供电产生的热能传输至热能处理子系统400进行分配；若采样时刻系统的用热量较大或者系统处于用热高峰时间段，且外部电网供电正常，则燃料电池控制器210根据系统用热信息控制燃料电池本体220及燃料电池辅件230启动运行，在燃料电池辅件230的辅助作用下，燃料电池本体220将化学能转换为电能和热能，此时，燃料电池本体220的输出功率以满足热能需求为主，将热能传输至热能处理子系统400进行分配，并将供热产生的电能传输至电力系统控制器310进行分配。

在接收到系统电能之后，电力系统控制器310实时监测外部交流电网的电网状态、燃料电池本体220输出的系统电能及系统内外不同用电负载的负载功率，并对系统电能与不同负载功率进行比较，若系统电能大于或者等于系统内外所有用电负载功率之和，则控制双向电力变换单元320工作于逆变状态，采用系统电能对外部交流电网、内部直流负载、内部交流负载及外部用电负载供电；若系统电能小于所有用电负载功率之和，且系统电能大于或者等于内部直流负载功率与内部交流负载功率之和，则控制双向电力变换单元320工作于逆变状态，采用系统电能和电网电能共同对外部用电负载供电，同时采用系统电能对内部直流负载、内部交流负载供电；若系统电能小于内部直流负载功率与内部交流负载功率之和，且系统电能大于或者等于内部直流负载功率，则控制双向电力变换单元320工作于逆变状态，采用系统电能和电网电能共同对外部用电负载和内部交流负载供电，同时采用系统电能对内部直流负载供电；若系统电能小于内部直流负载功率，则控制双向电力变换单元320工作于整流状态，采用电网电能对外部用电负载和内部交流负载供电，并对电网电能进行整流处理后，对内部直流负载进行补充供电。

在接收到系统热能之后，热能处理子系统400实时监测系统热能及系统用热信息，根据系统热能及系统用热信息调节热交换单元420的运行效率，将系统热能转换为循环水热能，并将加热后的循环水输出至热水存储单元430，为用户提供供暖用水及生活热水。

由此，本发明通过对燃料电池热电发生子系统、电能处理子系统和热能处理子系统等功能模块进行一体化及模块化集成，解决了现有的热电联供系统占地面积大、安全性低的问题，系统模块化和集成度高，占用空间小，提高了系统终端安装、维护、移动和布置的便捷性和热电联供系统的易拓展性，可满足不同用户、多场景的热电需求，实现社区及楼宇级的热电联供，燃料电池独立于用户居住空间设置，提高系统安全性和经济性。

一实施例中，燃料电池控制器210、电力系统控制器310及热力系统控制器410两两之间通信连接，燃料电池控制器210还用于采集热电发生子系统200内部的运行参数，并将采集到的运行参数发送至电力系统控制器310及热力系统控制器410。

典型地，热电发生子系统200内部的运行参数包括下述至少一项：进气压力、进气温度、进气湿度、排气压力和排气温度。

可选地，图2为本发明实施例二提供的一种燃料电池热电联供系统的结构示意图。

如图2所示，燃料电池热电联供系统00还包括：系统控制模块500，及设置于壳体100表面的系统热电接口，系统热电接口用于实现系统内外的热能、电能及水气的交互传输；系统控制模块500与燃料电池控制器210、电力系统控制器310及热力系统控制器410通信连接，系统控制模块500用于燃料电池控制器210、电力系统控制器310及热力系统控制器410之间的协调控制。

结合参考图2所示，系统热电接口包括但不限于：燃料气体入口101a、空气入口101b、燃料气体出口101c、废气出口101d、补水接口101e、排水接口101f、供热回水接口101g、供热出水接口101h、生活用水接口101i和电能输出接口101j。其中，燃料气体入口101a用于对热电发生子系统200提供燃料气体，例如为氢气或者甲醇；空气入口101b用于对热电发生子系统200提供空气；燃料气体出口101c用于排出热电发生子系统200中过量的燃料气体；废气出口101d用于排出热电发生子系统200产生的废气；补水接口101e用于对热水存储单元430进行补水；排水接口101f用于排出热水存储单元430内的过量热水；供热回水接口101g用于将供热管路流出的水输送至热水存储单元430；供热出水接口用于将热水从热水存储单元430输送至供热管路；生活用水接口101i用于将热水从热水存储单元430输送至生活用水管路；电能输出接口101j用于通过电缆将交流电能传输给外部交流负载。

具体而言，热电发生子系统200设置四个与系统外部进行气体交换的接口，电能处理子系统300设置一个与外部电网进行电能交换的接口，热能处理子系统400设置两个接口与用户供热管路连接，热能处理子系统400设置一个管路与用户生活用水管路连接，热能处理子系统400还设置两个接口进行系统维护，通过水、气、电接口实现模块化集成，提高了系统安装、维护、移动和布置的便捷性和热电联供系统的易拓展性。

一实施例中，系统热能包括下述至少一项：燃料电池电堆发热量、燃料电池辅件发热量及燃料电池尾排热量。其中，燃料电池辅件发热量为燃料电池附件运行产生的热量，典型地，燃料电池辅件发热量包括下述至少一项：空压机发热量、中冷器发热量和直流-直流变换器发热量。

一实施例中，系统用热信息包括下述至少一项：用户供暖热需求信息、用户热采样信息及用户生活用水热需求信息。其中，用户供暖热需求信息包括用户供暖温度设置参数，热采样信息包括供热管路实际采样温度参数、生活用水管路实际采样温度参数及热水存储单元430的液位和温度等参数，用户生活用水热需求信息包括用户用水温度和用户用水类型等参数。

本实施例中，热能处理子系统400根据系统用热信息对燃料电池热电联供系统00产生的系统热能进行适应性转换处理，满足对应的供暖温度需求及生活用水热需求。

基于上述任一实施例，本发明实施例三提供了一种热能处理子系统。

可选地，图3为本发明实施例三提供的一种热能处理子系统的结构示意图。

如图3所示，该热交换单元420包括：第一板式热交换器421、第二板式热交换器422和尾排热交换器423，热能处理子系统400用于根据系统热能及系统用热信息调度第一板式热交换器421、第二板式热交换器422及尾排热交换器423执行热量交换，第一板式热交换器421用于对燃料电池电堆发热量执行热量交换；第二板式热交换器422用于对燃料电池辅件发热量执行热量交换；尾排热交换器423用于对燃料电池尾排热量执行热量交换。

其中，板式热交换器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种高效换热器。各种板片之间形成薄矩形通道，通过板片进行液-液、液-气热量交换，换热效率高，热损小。

如图3所示，第一板式热交换器421的入口侧与燃料电池本体220连接，第一板式热交换器421的出口侧与热水存储单元430连接，第一板式热交换器421的入口侧设置第三水泵M3，第一板式热交换器421的出口侧设置第四水泵M4，第一板式热交换器421用于将燃料电池电堆发热量转换为第一循环水热量，并将第一循环水输出至热水存储单元430；第二板式热交换器422的入口侧与燃料电池辅件230连接，第二板式热交换器422的出口侧与热水存储单元430连接，第二板式热交换器422的入口侧设置第五水泵M5，第二板式热交换器422的出口侧设置第六水泵M6，第二板式热交换器422用于将燃料电池辅件发热量转换为第二循环水热量，并将第二循环水输出至热水存储单元430；尾排热交换器423包括与尾排罐F1连接的第一电子开关K1及第一水泵M1，尾排罐内部设有第一液位传感器L1，热力系统控制器410用于根据第一液位传感器L1的参数控制第一电子开关K1及第一水泵M1运行，将尾排罐F1内的高温水传输至热水存储单元430。

具体而言，在燃料电池电堆发热量交换过程中，热力系统控制器410控制第三水泵M3运行，带动防冻液或者去离子水依次经过燃料电池电堆、电堆出口温度传感器、第一板式交换入口温度传感器、第一板式热交换器421的入口侧、第一板式交换出口温度传感器、第三水泵M3及电堆入口温度传感器进行循环流动，将电堆运行产生的热量传递至第一板式热交换器421的出口侧，使得第一板式热交换器421的出口侧的水路内的循环水被加热升温，第四水泵M4带动加热后的循环水输送至热水存储单元430，实现燃料电池电堆发热量传递和存储。

在燃料电池辅件发热量交换处理过程中，热力系统控制器410控制第五水泵M5运行，带动防冻液或者去离子水一路经过直流变换单元所在区域，一路经过空压机及中冷器所在区域，将直流变换单元、空压机、中冷器运行产生的热量传递给防冻液或者去离子水，汇流后的防冻液或者去离子水依次经过第二板式交换入口温度传感器、第二板式热交换器422的入口侧、第二板式交换出口温度传感器、第五水泵M5进行循环流动，将燃料电池辅件运行产生的热量传递至第二板式热交换器422的出口侧，使得第二板式热交换器422的出口侧的水路内的循环水被加热升温，第六水泵M6带动加热后的循环水输送至热水存储单元430，实现燃料电池辅件发热量传递和存储。

在燃料电池尾排热量交换处理过程中，燃料电池本体220将燃烧产生的过量废气经背压阀传输至尾排罐F1，尾排罐F1内存储高温液态水和高温空气，热力系统控制器410实时监测尾排罐F1的水位参数，若尾排罐F1的水位参数高于预设液态水上限阈值，则热力系统控制器410控制第一电子开关K1打开，并控制第一水泵M1启动，将尾排罐F1内的至少部分高温水传输至热水存储单元430，实现燃料电池尾排热量传递和存储。

可选地，如图3所示，热能处理子系统400还包括：设置于热水存储单元430内的第二液位传感器L2和第一温度传感器T1，及通过电子开关与热水存储单元430连接的补水单元440和排水单元450，补水单元440用于对热水存储单元430进行补水，排水单元450用于对热水存储单元430进行排水；热力系统控制器410用于获取第二液位传感器L2采集的水位参数和第一温度传感器T1采集的温度参数，并根据水位参数及温度参数控制补水单元440启动或者停止补水，及根据水位参数及温度参数控制排水单元450启动或者停止排水。

具体而言，在供热过程中，热力系统控制器410实时监测第二液位传感器L2采集的水位参数和第一温度传感器T1采集的温度参数，若热水存储单元430的水位参数低于预设水位下限阈值，或者，热水存储单元430的温度参数高于第一预设温度上限阈值，则热力系统控制器410控制补水单元440与热水存储单元430之间的电子开关打开，对热水存储单元430进行补水降温，直至热水存储单元430内的水位参数高于预设水位上限阈值，或者热水存储单元430内的温度参数低于预设温度下限阈值，热力系统控制器410控制补水单元440与热水存储单元430之间的电子开关关闭，停止补水。若热水存储单元430的水位参数高于预设水位上限阈值，且热水存储单元430的温度参数高于第二预设温度上限阈值，则热力系统控制器410控制排水单元450与热水存储单元430之间的电子开关打开预设时间，将热水存储单元430内的热水排出一部分，同时，控制补水单元440与热水存储单元430之间的电子开关打开，对热水存储单元430进行补水。

需要说明的是，在排水过程中，若水位参数不低于预设水位下限阈值，则可不对热水存储单元430进行补水，避免热水资源浪费。

可选地，如图3所示，热能处理子系统400还包括：供暖处理单元460和生活用水单元470，供暖处理单元460设有第三板式热交换器461，第三板式热交换器461的输入侧通过供热入水水泵与热水存储单元430连接，第三板式热交换器461的输出侧通过供热出水水泵与供热管路连接，第三板式热交换器461的输入侧和/或输出侧设有第二温度传感器T2，第二温度传感器T2用于获取热采样信息；生活用水单元470设有第二水泵M2，第二水泵M2的输入侧与热水存储单元430连接，第二水泵M2的输出侧与生活用水管路连接。

具体而言，在用户需要用热水时，热力系统控制器410获取用户的生活用水热需求信息，根据生活用水热需求信息控制第二水泵M2运行，若热水用量大或者用水温度高，则增大第二水泵M2的转速和流量。在第二水泵M2驱动下，热水依次通过热水存储单元430、第二水泵M2和生活用水接口101i输送至生活用水管路，满足用户的热水使用需求。

在用户需要供暖时，热力系统控制器410获取用户供暖热需求信息和热采样信息，根据用户供暖热需求信息和热采样信息控制供热入水水泵和供热出水水泵运行，若用户采暖设置温度高，或者用户供暖热需求温度和用户供暖热采样温度差值较大，则增大供热入水水泵和供热出水水泵的转速和流量。在供热入水水泵驱动下，热水依次经过热水存储单元430、第二温度传感器T2及第三板式热交换器461的输入侧进行循环流动，将热水存储单元430中的热量传递至第三板式热交换器461。在供热出水水泵驱动下，带动供热管路中的水依次经过供热回水接口101g、供热出水水泵、第二温度传感器、第三板式热交换器461的输出侧及供热出水接口101h传输至供热管路，实现循环流动，将第三板式热交换器461输入侧的热量传递至第三板式热交换器461的输出侧，并传递给用户的供暖管路，满足用户的采暖需求。第三板式热交换器461的输入侧和输出侧分别设置循环水泵，实现热量交换和供暖，通过独立管路，实现不同的用水及用热需求。

基于上述任一实施例，本发明实施例四提供了一种燃料电池热电联供系统。

可选地，图4为本发明实施例四提供的一种燃料电池热电联供系统的结构示意图，示例性地示出了一种电能处理子系统的具体实施方式。

如图4所示，该电能处理子系统300还包括直流-直流升压变换单元330，直流-直流升压变换单元330的低压侧与燃料电池本体220的电能输出端电连接，直流-直流升压变换单元330的高压侧与双向电力变换单元320的直流侧电连接，直流-直流升压变换单元330用于对系统电能进行升压变换处理。

如图4所示，该电能处理子系统300还包括直流-直流降压变换单元340和储能单元350，直流-直流降压变换单元340的高压侧与直流-直流升压变换单元330的高压侧电连接，直流-直流降压变换单元的低压侧与储能单元350电连接，储能单元350用于存储电能。

其中，储能单元350可为电化学储能单元。

具体而言，燃料电池热电联供系统可用于对内部交流负载、内部直流负载和外部交流负载供电，其中，内部直流负载与直流-直流升压变换单元330的高压端电连接，典型地，内部直流负载包括空压机和高压水泵；内部交流负载可与双向电力变换单元320的交流侧电连接，燃料电池本体220输出的电能经逆变处理后为内部交流负载供电；当燃料电池本体220输出的电能超过所有负载功率之和时，电力系统控制器310控制直流-直流降压变换单元340启动运行，对过剩的电能降压后存储至储能单元350，作为备用电源。通过设置备用电源，提高系统运行可靠性，避免电力资源浪费。

基于上述任一实施例，本发明实施例五提供了一种燃料电池热电联供系统。

可选地，图5为本发明实施例五提供的一种燃料电池热电联供系统的结构示意图，示例性地示出了一种燃料电池热电发生子系统的具体实施方式。

如图5所示，燃料电池辅件230包括：燃料气体供应模块231，燃料气体供应模块231包括燃料气体输入单元及燃料气体循环单元，燃料气体输入单元用于对燃料电池本体220输入燃料气体并监测燃料气体供应运行参数，燃料气体循环单元用于对燃料电池本体220输出的残余燃料气体进行循环处理。

如图5所示，燃料气体输入单元包括：依次连接的进气管路、减压阀2312、第一压力传感器P1、第二电子开关K2、质量流量计2313、比例阀2314、机械三通结构件2315、第三电子开关K3及第二压力传感器P2，机械三通结构件2315与燃料气体出口101c之间设有排氢阀2311，比例阀2314与机械三通结构件2315之间设有安全阀2316，安全阀2316用于在燃料气体压力超过预设压力阈值时排出过量燃料气体；燃料气体循环单元包括：依次连接的第三压力传感器P3、气液分离器2317和燃料气体循环泵2318，燃料气体循环泵2318的输出端与机械三通结构件2315连接，将残余燃料气体输送至机械三通结构件2315，气液分离器2317排出的循环水通过排水阀2319输送至尾排罐F1。

一实施例中，燃料气体循环泵的输出端还与排气阀连接，将过量燃料气体排放至壳体100外。

如图5所示，燃料电池辅件230还包括：空气供应模块232，空气供应模块232包括空气输入单元及空气循环单元，空气输入单元用于对燃料电池本体220输入空气并监测空气供应运行参数，空气循环单元用于对燃料电池本体220输出的残余空气进行循环处理.

如图5所示，空气输入单元包括：依次连接的空气过滤器2321、空压机2322、中冷器2323、加湿进气管路A1及进气检测组件J1，进气检测组件J1包括温度传感器、湿度传感器和压力传感器，其中，空压机2322和中冷器2323运行产生的热量可用于系统供热；空气循环单元包括：依次连接的出气检测组件J2、加湿出气管路A2及背压阀K4，背压阀K4用于将气液混合体输送至尾排罐F1，出气检测组件J2包括温度传感器和压力传感器。

由此，本发明通过设置模块化的燃料气体及空气供应系统，调节燃料气体及空气的供应量，有利于优化燃料电池热电联供系统的运行状态，提高系统运行效率。

基于上述任一实施例，本发明实施例六提供了一种燃料电池热电联供系统控制方法，用于上述燃料电池热电联供系统，具备该系统的相应的有益效果。

图6为本发明实施例六提供的一种燃料电池热电联供系统控制方法的流程图，如图6所示，该控制方法具体包括以下步骤：

步骤S1：获取系统用电信息及系统用热信息，根据系统用电信息控制燃料电池本体及燃料电池辅件输出系统电能，及根据系统用热信息控制燃料电池本体及燃料电池辅件输出系统热能；

步骤S2：根据系统电能、电网电能及系统用电信息确定目标配电策略，并根据目标配电策略对系统电能及电网电能进行双向转换处理；

步骤S3：根据系统热能及系统用热信息控制热交换单元运行，热交换单元将系统热能转换为循环水热能，并将循环水输出给用户。

可选地，系统热能包括下述至少一项：燃料电池电堆发热量、燃料电池辅件发热量及燃料电池尾排热量；热交换单元包括第一板式热交换器、第二板式热交换器和尾排热交换器，该控制方法还包括：根据系统热能及系统用热信息调度第一板式热交换器、第二板式热交换器及尾排热交换器执行热量交换。

可选地，该控制方法还包括：获取热水存储单元内的水位参数和温度参数，根据水位参数及温度参数控制补水单元启动或者停止补水，及根据水位参数及温度参数控制排水单元启动或者停止排水。

可选地，系统用热信息包括下述至少一项：用户供暖热需求信息、热采样信息及用户生活用水热需求信息。

可选地，系统用电信息包括下述至少一项：外部直流负载功率、外部交流负载功率、系统内交流负载功率及系统内直流负载功率。

本发明提供的燃料电池热电联供系统及其控制方法，通过燃料电池热电发生子系统、电能处理子系统和热能处理子系统等功能模块的一体化及模块化集成，实现社区及楼宇级的热电联供，解决了现有的热电联供系统占地面积大、安全性低的问题，系统模块化和集成度高，占用空间小，提高了系统终端安装、维护、移动和布置的便捷性和热电联供系统的易拓展性，燃料电池独立于用户居住空间设置，提高系统安全性和经济性。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种燃料电池热电联供系统，其特征在于，包括：壳体，及设置于所述壳体内的热电发生子系统、电能处理子系统和热能处理子系统；

所述热电发生子系统包括燃料电池本体、燃料电池辅件及燃料电池控制器，所述燃料电池控制器用于获取系统用电信息及系统用热信息，并根据所述系统用电信息控制所述燃料电池本体及所述燃料电池辅件输出系统电能，及根据所述系统用热信息控制所述燃料电池本体及所述燃料电池辅件输出系统热能；

所述电能处理子系统包括电力系统控制器和双向电力变换单元，所述电力系统控制器用于根据所述系统电能、电网电能及系统用电信息确定目标配电策略，并根据所述目标配电策略对所述系统电能及电网电能进行双向转换处理；

所述热能处理子系统包括热力系统控制器、热交换单元和热水存储单元，所述热力系统控制器用于根据所述系统热能及所述系统用热信息控制所述热交换单元运行，所述热交换单元将所述系统热能转换为循环水热能，并将循环水输出至热水存储单元；

所述电力系统控制器对所述燃料电池输出的系统电能的大小与不同负载功率的大小进行比较，根据比较结果确定目标配电策略。

2.根据权利要求1所述的燃料电池热电联供系统，其特征在于，所述系统热能包括下述至少一项：燃料电池电堆发热量、燃料电池辅件发热量及燃料电池尾排热量；

所述热交换单元包括第一板式热交换器、第二板式热交换器和尾排热交换器，所述热能处理子系统用于根据所述系统热能及所述系统用热信息调度所述第一板式热交换器、所述第二板式热交换器及所述尾排热交换器执行热量交换，所述第一板式热交换器用于对所述燃料电池电堆发热量执行热量交换；所述第二板式热交换器用于对所述燃料电池辅件发热量执行热量交换；所述尾排热交换器用于对所述燃料电池尾排热量执行热量交换。

3.根据权利要求2所述的燃料电池热电联供系统，其特征在于，所述第一板式热交换器的入口侧与所述燃料电池本体连接，所述第一板式热交换器的出口侧与所述热水存储单元连接，所述第一板式热交换器用于将所述燃料电池电堆发热量转换为第一循环水热量，并将第一循环水输出至所述热水存储单元；

所述第二板式热交换器的入口侧与所述燃料电池辅件连接，所述第二板式热交换器的出口侧与所述热水存储单元连接，所述第二板式热交换器用于将所述燃料电池辅件发热量转换为第二循环水热量，并将第二循环水输出至所述热水存储单元；

所述尾排热交换器包括与尾排罐连接的第一电子开关及第一水泵，所述尾排罐内部设有液位传感器，所述热力系统控制器用于根据所述液位传感器的参数控制所述第一电子开关及所述第一水泵运行，将所述尾排罐内的水传输至所述热水存储单元。

4.根据权利要求1所述的燃料电池热电联供系统，其特征在于，所述热能处理子系统还包括：设置于所述热水存储单元内的液位传感器和第一温度传感器，及与所述热水存储单元连接的补水单元和排水单元，所述补水单元用于对所述热水存储单元进行补水，所述排水单元用于对所述热水存储单元进行排水；

所述热力系统控制器用于获取所述液位传感器采集的水位参数和所述第一温度传感器采集的温度参数，并根据所述水位参数及所述温度参数控制所述补水单元启动或者停止补水，及根据所述水位参数及所述温度参数控制所述排水单元启动或者停止排水。

5.根据权利要求1所述的燃料电池热电联供系统，其特征在于，所述系统用热信息包括下述至少一项：用户供暖热需求信息、热采样信息及用户生活用水热需求信息；

所述热能处理子系统还包括：供暖处理单元和生活用水单元，所述供暖处理单元设有第三板式热交换器，所述第三板式热交换器的输入侧与所述热水存储单元连接，所述第三板式热交换器的输出侧与供热管路连接，所述第三板式热交换器的输入侧和/或输出侧设有第二温度传感器，所述第二温度传感器用于获取所述热采样信息；

所述生活用水单元设有第二水泵，所述第二水泵的输入侧与所述热水存储单元连接，所述第二水泵的输出侧与生活用水管路连接。

6.根据权利要求1所述的燃料电池热电联供系统，其特征在于，所述燃料电池辅件包括：燃料气体供应模块，所述燃料气体供应模块包括燃料气体输入单元及燃料气体循环单元，所述燃料气体输入单元用于对所述燃料电池本体输入燃料气体并监测燃料气体供应运行参数，所述燃料气体循环单元用于对所述燃料电池本体输出的残余燃料气体进行循环处理。

7.根据权利要求1所述的燃料电池热电联供系统，其特征在于，所述燃料电池辅件还包括：空气供应模块，所述空气供应模块包括空气输入单元及空气循环单元，所述空气输入单元用于对所述燃料电池本体输入空气并监测空气供应运行参数，所述空气循环单元用于对所述燃料电池本体输出的残余空气进行循环处理。

8.根据权利要求1-7任一所述的燃料电池热电联供系统，其特征在于，所述系统用电信息包括下述至少一项：外部直流负载功率、外部交流负载功率、系统内交流负载功率及系统内直流负载功率。

9.根据权利要求1-7任一所述的燃料电池热电联供系统，其特征在于，还包括：系统控制模块，及设置于所述壳体表面的系统热电接口，所述系统热电接口实现系统内外的热能、电能及水气的交互传输；

所述系统控制模块与所述燃料电池控制器、所述电力系统控制器及所述热力系统控制器通信连接，所述系统控制模块用于控制器之间的协调控制。

10.一种燃料电池热电联供系统控制方法，其特征在于，用于权利要求1-9任一项所述的燃料电池热电联供系统，所述方法包括：

获取系统用电信息及系统用热信息，并根据所述系统用电信息控制燃料电池本体及燃料电池辅件输出系统电能，及根据所述系统用热信息控制燃料电池本体及燃料电池辅件输出系统热能；

根据所述系统电能、电网电能及系统用电信息确定目标配电策略，并根据所述目标配电策略对所述系统电能及电网电能进行双向转换处理；

根据所述系统热能及所述系统用热信息控制热交换单元运行，所述热交换单元将所述系统热能转换为循环水热能，并将循环水输出至热水存储单元。