CN115133068A - 基于燃料电池的热电联产系统、控制方法及电子设备 - Google Patents

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孙大伟
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Abstract

本发明提供了一种基于燃料电池的热电联产系统、控制方法及电子设备，涉及燃料电池热电控制领域，通过在散热风扇两侧并联一台板式换热器，可实现燃料电池系统在板式换热器冷却模式与散热器冷却模式之间任意切换，从而实现了用户负载端与燃料电池发电系统的高效交互，提高了响应速度，实现了冷却水中热量的高效利用。

Description

基于燃料电池的热电联产系统、控制方法及电子设备
技术领域
本发明涉及燃料电池热电控制领域，尤其是涉及一种基于燃料电池的热电联产系统、控制方法及电子设备。
背景技术
燃料电池发电系统主要由燃料电池堆和相关散热系统组成，燃料电池堆将氢气和氧气的化学能转化为电能和热能，电能用于负载的使用，而热能则通过散热系统进行散热。这些热能主要通过气体尾排散热、辐射散热和冷却水散热三种途径进行散失，而经冷却水散发的热量占据较大的比重，因此如何将这部分热量进行高效利用，可从一定程度上缓解对其它能源的消耗。
现有技术中对冷却水中热量主要用于日常生活的热水使用场景中，但由于日常生活场景中缺少用户负载端与燃料电池发电系统的交互，使得热量传输过程的响应速度较慢，导致冷却水中的热量无法高效利用。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于燃料电池的热电联产系统、控制方法及电子设备，该系统通过在散热风扇两侧并联一台板式换热器，可实现燃料电池系统在板式换热器冷却模式与散热器冷却模式之间任意切换。当冷却系统工作在散热器模式下时，利用散热风扇将高温冷却水中包含的热量排入周围环境中，实现对电堆的降温；当冷却系统工作在换热器模式下时，利用高温冷却水与自来水之间的热对流，既实现了对电堆降温的目的，又获得了具有利用价值的高温自来水。同时，在进行温度控制的过程中，实时检测燃料电池堆的冷却液出口的冷却液温度；当冷却液温度大于第一温度阈值时，控制热交换系统中的三通阀，将燃料电池发电系统产生的热量经过板式换热器和循环水泵传输至供热系统的蓄热水箱中；进而实时检测蓄热水箱的温度；当蓄热水箱的温度大于第二温度阈值时，控制热交换系统中的三通阀将燃料电池发电系统产生的热量经散热风扇排出，从而实现了用户负载端与燃料电池发电系统的高效交互，提高了响应速度，实现了冷却水中热量的高效利用。
第一方面，本发明实施例提供了一种基于燃料电池的热电联产系统，该系统包括：燃料电池发电系统2、热交换系统3、供氢系统6、供热系统4以及供电系统5；
燃料电池发电系统2中包括燃料电池堆201；热交换系统3包括：三通阀301、散热风扇302、板式换热器303以及第一循环水泵304；供热系统4包括：蓄热水箱402、第一电磁阀405、电加热器407、第二循环水泵408和手阀409；燃料电池发电系统2、热交换系统3、供热系统4之间通过冷却管路相连接；冷却管路中设置有冷却液；
其中，燃料电池堆201的冷却液出口204与三通阀301的进口相连接；三通阀301的第一出口经过散热风扇302与燃料电池堆201的冷却液入口203相连接；三通阀301的第二出口与板式换热器303的第一入口相连接；板式换热器303的第一出口与燃料电池堆201的冷却液入口203相连接；板式换热器303的第二出口经过第一循环水泵304与蓄热水箱402的第一入水口相连接；板式换热器303的第二入口与蓄热水箱402的第一出水口相连接；
蓄热水箱402的第二出水口经过电加热器407与第二循环水泵408的入水口相连接；第二循环水泵408的出水口分别与第一电磁阀405的入口和手阀409的入口相连接；第一电磁阀405的出口与蓄热水箱402的第二入水口相连接；手阀409的出口与预设的热水使用接口412相连；
燃料电池发电系统2还包括BOP辅助系统207，BOP辅助系统207的供电端口与供电系统5中的储能变流器503的电压输入口相连接；储能变流器503的电压输出口与用电设备相连接；
燃料电池堆201的氢气进口206与供氢系统6相连接。
在一些实施方式中，系统还包括：控制系统1；其中，控制系统1包括：控制单元101、燃料电池控制器102、动力电池控制器103、储能变流器控制器104以及显示屏105；控制单元101分别与燃料电池控制器102、动力电池控制器103、储能变流器控制器104以及显示屏105相连接；
燃料电池控制器102分别与燃料电池发电系统2、热交换系统3以及供热系统4的指令传输端口相连接；
动力电池控制器103与供氢系统6的指令传输端口相连接；
储能变流器控制器104与供电系统5的指令传输端口相连接。
在一些实施方式中，基于燃料电池的热电联产系统还包括：直流电压电池盒7以及第二继电器8；
直流电压电池盒7的供电端通过第二继电器8与控制系统1的供电端相连接。
在一些实施方式中，蓄热水箱402中设置有第一液位传感器403和第二液位传感器404；其中，第一液位传感器403设置在第二液位传感器404的上方。
在一些实施方式中，供热系统4还包括第二电磁阀406；其中，第二电磁阀406的出水口与蓄热水箱402的第二入水口相连接；第二电磁阀406的入水口与第一电磁阀405的出口相连接；
第二电磁阀406的入水口还与预设的自来水接口413相连接。
在一些实施方式中，供热系统4还包括第一温度传感器401；第一温度传感器401设置在蓄热水箱402的第一出水口处；
供热系统4还包括：质量流量计410和第二温度传感器411；质量流量计410和第二温度传感器411分别设置在手阀409的出口与预设的热水使用接口412之间。
在一些实施方式中，供电系统5还包括：低压电源501、高压锂电池组502、手掷开关504、第一继电器505；
低压电源501和高压锂电池组502设置在BOP辅助系统207的供电端口与储能变流器503的电压输入口之间；
手掷开关504设置在储能变流器503的电压输出口与用电设备中的负载506之间；
第一继电器505设置在储能变流器503的电压输出口与用电设备中的变压器507之间。
在一些实施方式中，燃料电池发电系统2还包括：空气进气口202以及尾气排气口205；其中，空气进气口202的进口处设置有空气过滤器208；
热交换系统3还包括颗粒捕捉器305；颗粒捕捉器305设置在冷却液入口203的入口处。
第二方面，本发明实施例提供了一种基于燃料电池的热电联产系统的控制方法，该方法应用于第一方面提到的基于燃料电池的热电联产系统；该系统包括：燃料电池发电系统、热交换系统、供氢系统、供热系统以及供电系统；
该方法包括：
控制供氢系统向燃料电池发电系统提供氢气，并控制燃料电池发电系统进入发电；
控制燃料电池发电系统进入第一发电状态；第一发电状态中燃料发电系统的将产生的电力通过供电系统传输至用电设备；
实时检测燃料电池堆的冷却液出口的冷却液温度；当冷却液温度大于第一温度阈值时，控制热交换系统中的三通阀，将燃料电池发电系统产生的热量经过板式换热器和循环水泵传输至供热系统的蓄热水箱中；
实时检测蓄热水箱的温度；当蓄热水箱的温度大于第二温度阈值时，控制热交换系统中的三通阀将燃料电池发电系统产生的热量经散热风扇排出。
第三方面，本发明实施例提供了一种电子设备，该电子设备包括：处理器和存储装置；存储装置上存储有计算机程序，计算机程序在被处理器运行时执行如第二方面提供的基于燃料电池的热电联产系统的控制方法的步骤。
第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时实现上述第二方面提供的基于燃料电池的热电联产系统的控制方法的步骤。
本发明实施例带来了以下有益效果：
本发明提供了一种基于燃料电池的热电联产系统、控制方法及电子设备，该系统包括：燃料电池发电系统、热交换系统、供氢系统、供热系统以及供电系统；燃料电池发电系统中包括燃料电池堆；热交换系统包括：三通阀、散热风扇、板式换热器以及循环水泵；供热系统包括：蓄热水、第一电磁阀、电加热器、循环水泵和手阀；燃料电池发电系统、热交换系统、供热系统之间通过冷却管路相连接；冷却管路中设置有冷却液；其中，燃料电池堆的冷却液出口与三通阀的进口相连接；三通阀的第一出口经过散热风扇与燃料电池堆的冷却液入口相连接；三通阀的第二出口与板式换热器的第一入口相连接；板式换热器的第一出口与燃料电池堆的冷却液入口相连接；板式换热器的第二出口经过循环水泵与蓄热水箱的第一入水口相连接；板式换热器的第二入口与蓄热水箱的第一出水口相连接；蓄热水箱的第二出水口经过电加热器与循环水泵的入水口相连接；循环水泵的出水口分别与第一电磁阀的入口和手阀的入口相连接；第一电磁阀的出口与蓄热水箱的第二入水口相连接；手阀的出口与预设的热水使用接口相连；燃料电池发电系统还包括BOP辅助系统，BOP辅助系统的供电端口与供电系统中的储能变流器的电压输入口相连接；储能变流器的电压输出口与用电设备相连接；燃料电池堆的氢气进口与供氢系统相连接。该系统通过在散热风扇两侧并联一台板式换热器，可实现燃料电池系统在板式换热器冷却模式与散热器冷却模式之间任意切换。当冷却系统工作在散热器模式下时，利用散热风扇将高温冷却水中包含的热量排入周围环境中，实现对电堆的降温；当冷却系统工作在换热器模式下时，利用高温冷却水与自来水之间的热对流，既实现了对电堆降温的目的，又获得了具有利用价值的高温自来水。同时，在进行温度控制的过程中，实时检测燃料电池堆的冷却液出口的冷却液温度；当冷却液温度大于第一温度阈值时，控制热交换系统中的三通阀，将燃料电池发电系统产生的热量经过板式换热器和循环水泵传输至供热系统的蓄热水箱中；进而实时检测蓄热水箱的温度；当蓄热水箱的温度大于第二温度阈值时，控制热交换系统中的三通阀将燃料电池发电系统产生的热量经散热风扇排出，从而实现了用户负载端与燃料电池发电系统的高效交互，提高了响应速度，实现了冷却水中热量的高效利用。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本发明的上述技术即可得知。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施方式，并配合所附附图，作详细说明如下。
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为本发明实施例提供的一种基于燃料电池的热电联产系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种基于燃料电池的热电联产系统的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种基于燃料电池的热电联产系统中控制单元的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种基于燃料电池的热电联产系统的控制方法的流程图；
图5为本发明实施例提供的另一种基于燃料电池的热电联产系统的控制方法的流程图；
图6为本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
图标：
1-控制系统；2-燃料电池发电系统；3-热交换系统；4-供热系统；5-供电系统；6-供氢系统；7-直流电压电池盒；8-第二继电器；
201-燃料电池堆；202-空气进气口；203-冷却液入口；204-冷却液出口；205-尾气排气口；206-氢气进口；207-BOP辅助系统；208-空气过滤器；
301-三通阀；302-散热风扇；303-板式换热器；304-第一循环水泵；305-颗粒捕捉器；
401-第一温度传感器；402-蓄热水箱；403-第一液位传感器；404-第二液位传感器；405-第一电磁阀；406-第二电磁阀；407-电加热器；408-第二循环水泵；409-手阀；410-质量流量计；411-第二温度传感器；412-热水使用接口；413-自来水接口；
501-低压电源；502-高压锂电池组；503-储能变流器；504-手掷开关；505-第一继电器；506-负载；507-变压器；
101-控制单元；102-燃料电池控制器；103-动力电池控制器；104-储能变流器控制器；105-显示屏；
601-处理器；602-存储器；603-总线；604-通信接口。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
燃料电池发电系统主要由燃料电池堆和相关散热系统组成，燃料电池堆将氢气和氧气的化学能转化为电能和热能，电能用于负载的使用，而热能则通过散热系统进行散热。这些热能主要通过气体尾排散热、辐射散热和冷却水散热三种途径进行散失，而经冷却水散发的热量占据较大的比重，约占90%以上。因此如何将这部分热量进行高效利用，可从一定程度上缓解对其它能源的消耗。
现有技术中对冷却水中热量主要用于日常生活的热水使用场景中，但由于日常生活场景中缺少用户负载端与燃料电池发电系统的交互，例如，用户端的热需求与燃料电池相关系统的控制指令交互不明确，无法实现快速响应，导致无法及时准确的满足用户的热需求。由于热量传输过程的响应速度较慢，使得燃料电池系统的冷却回路温度波动较大，影响燃料电池堆的使用寿命。
综上所述，现有技术中燃料电池系统在对冷却设备中的热量进行使用时缺少用户负载端与燃料电池发电系统的交互，使得热量传输过程的响应速度较慢，导致冷却水中的热量无法高效利用。
基于此，本发明实施例提供了一种基于燃料电池的热电联产系统、控制方法及电子设备，该系统通过在散热风扇两侧并联一台板式换热器，可实现燃料电池系统在板式换热器冷却模式与散热器冷却模式之间任意切换。当冷却系统工作在散热器模式下时，利用散热风扇将高温冷却水中包含的热量排入周围环境中，实现对电堆的降温；当冷却系统工作在换热器模式下时，利用高温冷却水与自来水之间的热对流，既实现了对电堆降温的目的，又获得了具有利用价值的高温自来水。同时，在进行温度控制的过程中，实时检测燃料电池堆的冷却液出口的冷却液温度；当冷却液温度大于第一温度阈值时，控制热交换系统中的三通阀，将燃料电池发电系统产生的热量经过板式换热器和循环水泵传输至供热系统的蓄热水箱中；进而实时检测蓄热水箱的温度；当蓄热水箱的温度大于第二温度阈值时，控制热交换系统中的三通阀将燃料电池发电系统产生的热量经散热风扇排出，从而实现了用户负载端与燃料电池发电系统的高效交互，提高了响应速度，实现了冷却水中热量的高效利用。
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种基于燃料电池的热电联产系统进行详细介绍。
参见图1所示的一种基于燃料电池的热电联产系统，包括：燃料电池发电系统2、热交换系统3、供氢系统6、供热系统4以及供电系统5。
燃料电池发电系统2中包括燃料电池堆201；热交换系统3包括：三通阀301、散热风扇302、板式换热器303以及第一循环水泵304；供热系统4包括：蓄热水箱402、第一电磁阀405、电加热器407、第二循环水泵408和手阀409；燃料电池发电系统2、热交换系统3、供热系统4之间通过冷却管路相连接；冷却管路中设置有冷却液。
其中，燃料电池堆201的冷却液出口204与三通阀301的进口相连接；三通阀301的第一出口经过散热风扇302与燃料电池堆201的冷却液入口203相连接；三通阀301的第二出口与板式换热器303的第一入口相连接；板式换热器303的第一出口与燃料电池堆201的冷却液入口203相连接；板式换热器303的第二出口经过第一循环水泵304与蓄热水箱402的第一入水口相连接；板式换热器303的第二入口与蓄热水箱402的第一出水口相连接。具体的说，三通阀301用于对散热风扇302和板式换热器303进行切换，进而实现板式换热器冷却模式与散热器冷却模式之间切换。
蓄热水箱402的第二出水口经过电加热器407与第二循环水泵408的入水口相连接；第二循环水泵408的出水口分别与第一电磁阀405的入口和手阀409的入口相连接；第一电磁阀405的出口与蓄热水箱402的第二入水口相连接；手阀409的出口与预设的热水使用接口412相连。
燃料电池发电系统2还包括BOP辅助系统207，BOP辅助系统207的供电端口与供电系统5中的储能变流器503的电压输入口相连接；储能变流器503的电压输出口与用电设备相连接。燃料电池堆201的氢气进口206与供氢系统6相连接。
从图1中公开的热电联产系统可知，该系统通过在散热风扇302两侧并联一台板式换热器303，实现了冷却系统在板式换热器冷却模式与散热器冷却模式之间的任意切换。当冷却系统工作在散热器模式下时，利用散热风扇将高温冷却水中包含的热量排入周围环境中，实现对电堆的降温。当冷却系统工作在换热器模式下时，利用高温冷却水与自来水之间的热对流，既实现了对电堆降温的目的，又获得了具有利用价值的高温自来水。
同时，通过设置电加热器407，保证了热水的快速响应，尤其在燃料电池系统刚起机进行发电的状态下。电加热器407可取代燃料电池发电系统2中的相关PTC加热器，从而提高了整体集成度。此外，电加热器407还可以实现快速暖机的作用，为燃料电池阴极及阳极供气系统预热，实现系统的快速启动。
如图2所示的另一种基于燃料电池的热电联产系统的结构示意图可知，蓄热水箱402中设置有第一液位传感器403和第二液位传感器404；其中，第一液位传感器403设置在第二液位传感器404的上方。
供热系统4还包括第二电磁阀406；其中，第二电磁阀406的出水口与蓄热水箱402的第二入水口相连接；第二电磁阀406的入水口与第一电磁阀405的出口相连接；第二电磁阀406的入水口还与预设的自来水接口413相连接。
第一液位传感器403和第二液位传感器404的设置，可实现蓄热水箱的液位监控，结合第二电磁阀406可实现蓄热水箱的自动补水功能。
在一些实施方式中，供热系统4还包括第一温度传感器401；第一温度传感器401设置在蓄热水箱402的第一出水口处；供热系统4还包括：质量流量计410和第二温度传感器411；质量流量计410和第二温度传感器411分别设置在手阀409的出口与预设的热水使用接口412之间。
具体的说，蓄热水箱402箱体为保温材质，可对箱体内冷却液进行保温，防止热量散失。此外，蓄热水箱402还设置有排气孔，防止水箱内压力的变化对水箱造成损害。第一温度传感器401测量蓄热水箱底部的第一出口的水温，作为换热模式与散热模式切换的判断条件。第一液位传感器403和第二液位传感器404分别为监测蓄热水箱402上下两个位置的液位传感器，负责补水。若第二液位传感器404检测水箱液位低于最小设定值，则开启第二电磁阀406，由预设的自来水接口413向蓄热水箱402中补水，直至第一液位传感器403检测水箱液位达到最大设定值。
在一些实施方式中，供电系统5还包括：低压电源501、高压锂电池组502、手掷开关504、第一继电器505；低压电源501和高压锂电池组502设置在BOP辅助系统207的供电端口与储能变流器503的电压输入口之间；手掷开关504设置在储能变流器503的电压输出口与用电设备中的负载506之间；第一继电器505设置在储能变流器503的电压输出口与用电设备中的变压器507之间。具体的，电加热器407由高压锂电池组502进行供电，可实现对热水使用接口412的水进行辅助加热。低压电源501保障系统的低压供电需求。高压锂电池组502为BOP辅助系统207提供高压电源，还用于当用电设备中的负载506请求功率时进行功率补充。
第一继电器505的设置可实现并网及离网的快速切换；手掷开关504的设置，可实现负载的开关切换。储能变流器503的设置可实现直流向交流的转换，同时可实现控制蓄电池的充电和放电过程，在无电网情况下可以直接为交流负荷供电。保证负载在离网状态下的持续性使用。
在一些实施方式中，燃料电池发电系统2还包括：空气进气口202以及尾气排气口205；其中，空气进气口202的进口处设置有空气过滤器208；热交换系统3还包括颗粒捕捉器305；颗粒捕捉器305设置在冷却液入口203的入口处。
燃料电池发电系统2由供氢系统6通过氢气进口206进入燃料电池堆201，为燃料电池发电系统2提供阳极还原剂；由空气过滤器208通过空气进气口202进入燃料电池堆201，为燃料电池发电系统2提供阴极氧化剂；热交换系统3通过冷却液入口203和冷却液出口204对燃料电池堆201和燃料电池发电系统2进行散热；燃料电池发电系统2产生的废气通过尾气排气口205排向室外大气。
具体的说，散热风扇302为燃料电池发电系统2的散热模块，其可单独满足燃料电池发电系统2的散热需求；板式换热器303为燃料电池发电系统2的换热模块，其可根据用户端热需求进行选型；三通阀301可实现散热模式与换热模式的任意切换；当切换至换热膜式时，三通阀301开度调节至换热模块，第一循环水泵304开始工作，通过蓄热水箱402对燃料电池发电系统2进行冷却；颗粒捕捉器305为过滤冷却循环回路的杂质和颗粒物，确保冷却液进入燃料电池堆201的安全性。
图2中的基于燃料电池的热电联产系统还包括控制系统1，控制系统1用于对热电联产系统中的燃料电池发电系统2、热交换系统3、供氢系统6、供热系统4以及供电系统5进行交互和控制。
具体的如图3所示的控制单元结构示意图中可知，控制系统1包括：控制单元101、燃料电池控制器102、动力电池控制器103、储能变流器控制器104以及显示屏105；控制单元101分别与燃料电池控制器102、动力电池控制器103、储能变流器控制器104以及显示屏105相连接；燃料电池控制器102分别与燃料电池发电系统2、热交换系统3以及供热系统4的指令传输端口相连接；动力电池控制器103与供氢系统6的指令传输端口相连接；储能变流器控制器104与供电系统5的指令传输端口相连接。
在一些实施方式中，基于燃料电池的热电联产系统还包括：直流电压电池盒7以及第二继电器8；直流电压电池盒7的供电端通过第二继电器8与控制系统1的供电端相连接。
控制单元101通过CAN网络上动力电池控制器103实时反馈的SOC/SOP等信息，以保证高压锂电池组502的SOC维持在40%~70%内，同时为控制目标实时调整燃料电池控制器102的输出功率。
日常运行中，储能变流器503通过用电设备中的变压器507实现输出电力的并网以及负载506的电负荷需求。第一继电器505设置在储能变流器503和变压器507之间，用于实现系统输出电并网的通断；此外，储能变流器503也可控制高压锂电池组502的充电和放电过程，进行交直流的变换，在无电网情况下可以直接为负载506供电，负载506通过手掷开关504实现通断。
从上述实施例中提到的基于燃料电池的热电联产系统可知，该系统通过在散热风扇两侧并联一台板式换热器，可实现燃料电池系统在板式换热器冷却模式与散热器冷却模式之间任意切换。当冷却系统工作在散热器模式下时，利用散热风扇将高温冷却水中包含的热量排入周围环境中，实现对电堆的降温；当冷却系统工作在换热器模式下时，利用高温冷却水与自来水之间的热对流，既实现了对电堆降温的目的，又获得了具有利用价值的高温自来水，从而实现了用户负载端与燃料电池发电系统的高效交互，提高了响应速度，实现了冷却水中热量的高效利用。
本发明实施例提供了一种基于燃料电池的热电联产系统的控制方法，该方法应用于上述实施例提到的基于燃料电池的热电联产系统；如图4所示，该方法包括以下步骤：
步骤S401，控制供氢系统向燃料电池发电系统提供氢气，并控制燃料电池发电系统进入发电。
具体的说，燃料电池发电系统接收到起机命令后，进行各模块的开机自检；如果检测过程中出现故障报警，则需要进行停机检查操作，待故障清除后，再次进行起机。若开机检测正常，则燃料电池堆201执行发电过程，并从开始启动至怠速状态，实现电力持续输出。
步骤S402，控制燃料电池发电系统进入第一发电状态；第一发电状态中燃料发电系统的将产生的电力通过供电系统传输至用电设备。
当燃料电池堆201稳定发电后，将电力传输至供电系统中进行并网。后续根据并用电需求和负载需求对燃料电池堆201的发电功率进行调整。当用电设备进行用电请求时，可通过高压锂电池组502实现负载功率请求的调峰以及快速响应。
步骤S403，实时检测燃料电池堆的冷却液出口的冷却液温度；当冷却液温度大于第一温度阈值时，控制热交换系统中的三通阀，将燃料电池发电系统产生的热量经过板式换热器和循环水泵传输至供热系统的蓄热水箱中。
在燃料电池堆201启动的初始阶段，其运行温度较低，而过低的运行温度会降低燃料电池堆201的性能。因此在燃料电池堆201启动的初始阶段，冷却水只起到均匀电堆内部温度的作用，而不是将电堆内部的热量带出。在此阶段，散热风扇302以及第一循环水泵304不启动，燃料电池堆201的冷却液出口204和冷却液入口203的冷却水温度近似相等。此时，蓄热水箱402的水温较低，可能存在不满足用户端生活热水需求的情况。此时需要通过电加热器407对蓄热水箱402流出的水进行预加热处理，实现生活热水的快速响应。
随着燃料电池堆201运行过程中热量的积累，燃料电池堆201运行温度逐渐升高，当监测到燃料电池堆201的冷却液出口204超到第一温度阈值如70℃时，启动换热模块，第一循环水泵304开始运转，蓄热水箱402通过板式换热器303进行蓄热，板式换热器303将冷却水液中包含的热量排出从而降低燃料电池堆201的运行温度。
步骤S404，实时检测蓄热水箱的温度；当蓄热水箱的温度大于第二温度阈值时，控制热交换系统中的三通阀将燃料电池发电系统产生的热量经散热风扇排出。
当蓄热水箱的第一出水口出的第一温度传感器401检测到温度大于第二温度阈值如60℃时，三通阀301由换热模式切换至散热模式。当燃料电池堆201出口冷却水温度降至70℃后，散热风扇302和第一循环水泵304停止工作。
通过控制散热风扇302和第一循环水泵304的启停，可保证燃料电池堆201温度在70~80℃的小范围区间内波动，此时运行温度的波动对燃料电池堆201性能的影响可忽略不计。第一循环水泵304始终按额定流量工作，散热风扇302间歇性按额定功率工作，仅需控制设备的启停而不需控制设备转速，不仅简化了控制策略，也降低了设备成本。上述过程的简化流程通过如图5所示的另一种基于燃料电池的热电联产系统的控制方法的流程图进行了描述，在此不再赘述。
具体的说，当热电联供系统采用电负荷跟随策略时，燃料电池堆201的输出电功率需要时刻与电需求负荷保持相等，而对燃料电池堆201的输出热功率不做控制。当燃料电池发电系统2的输出热功率大于热需求负荷时，将多余的热量以高温自来水的形式存储在蓄热水箱402中；当燃料电池堆201的输出热功率小于热负荷时，则使用蓄热水箱402中预先存储的热量，同时，采用电加热器407进行辅助加热，达到用户端的实际热需求，在此运行策略下通过保温水箱解决电堆产热功率和热负荷时间上的匹配问题。
具体场景中，用户端通过热水使用接口412需要使用热水时，会手动打开手阀409，此时质量流量计410的检测流量会显示一定数值，为防止手阀409出现故障而引起供生活热水回路的误判，采取以下控制方式：
设定初始状态为t0，此时质量流量计410的数据读取值为m0，第二温度传感器411的数据读取值为T0；当计时器读取时间为t1时，质量流量计410的数据读取值为m1，第二温度传感器411的数据读取值为T1，设定：
∆t=t1-t0；
∆m=m1-m0；
∆T=T1-T0；
设定∆t为一个判断周期，设定∆t为100 ms； 若连续5个判断周期内∆m＞1L/min，则表明用户端有热水需求；此外，累计判断10个周期∆t，在这期间内若∆m始终＜1L/min，且∆T＜1℃，则需对手阀409进行检修。
居民生活热水的温度控制过程中，在热水使用接口412中进行温度输入命令，设为T2；开启手阀409后，读取第二温度传感器411的温度示数，为T2’，若T2’- T2＞1℃，则开启电加热器407，直至T2’- T2≤1℃；若T2’- T2＜-1℃，则开启第一电磁阀405，直至T2’- T2≤-1℃。
通过上述实施例中提到的基于燃料电池的热电联产系统的控制方法可知，该方法在进行温度控制的过程中，实时检测燃料电池堆的冷却液出口的冷却液温度；当冷却液温度大于第一温度阈值时，控制热交换系统中的三通阀，将燃料电池发电系统产生的热量经过板式换热器和循环水泵传输至供热系统的蓄热水箱中；进而实时检测蓄热水箱的温度；当蓄热水箱的温度大于第二温度阈值时，控制热交换系统中的三通阀将燃料电池发电系统产生的热量经散热风扇排出，从而实现了用户负载端与燃料电池发电系统的高效交互，提高了响应速度，实现了冷却水中热量的高效利用。
该实施例中的基于燃料电池的热电联产系统，与上述方法实施例中提供的基于燃料电池的热电联产系统具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。为简要描述，实施例部分未提及之处，可参考前述实施例中相应内容。
本实施例还提供一种电子设备，为该电子设备的结构示意图如图6所示，该设备包括处理器601和存储器602；其中，存储器602用于存储一条或多条计算机指令，一条或多条计算机指令被处理器执行，以实现上述基于燃料电池的热电联产系统的控制方法。
图6所示的服务器还包括总线603和通信接口604，处理器601、通信接口604和存储器602通过总线603连接。
其中，存储器602可能包含高速随机存取存储器（RAM，Random Access Memory），也可能还包括非不稳定的存储器（non-volatile memory），例如至少一个磁盘存储器。总线603可以是ISA总线、PCI总线或EISA总线等。总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图6中仅用一个双向箭头表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
通信接口604用于通过网络接口与至少一个用户终端及其它网络单元连接，将封装好的IPv4报文或IPv4报文通过网络接口发送至用户终端。
处理器601可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器601中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器601可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(DigitalSignal Processor，简称DSP)、专用集成电路(Application Specific IntegratedCircuit，简称ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本公开实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本公开实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器602，处理器601读取存储器602中的信息，结合其硬件完成前述实施例的方法的步骤。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时执行前述实施例的方法的步骤。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、设备和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个处理器可执行的非易失的计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以用软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于燃料电池的热电联产系统，其特征在于，所述系统包括：燃料电池发电系统2、热交换系统3、供氢系统6、供热系统4以及供电系统5；
所述燃料电池发电系统2中包括燃料电池堆201；所述热交换系统3包括：三通阀301、散热风扇302、板式换热器303以及第一循环水泵304；所述供热系统4包括：蓄热水箱402、第一电磁阀405、电加热器407、第二循环水泵408和手阀409；所述燃料电池发电系统2、所述热交换系统3、所述供热系统4之间通过冷却管路相连接；所述冷却管路中设置有冷却液；
其中，所述燃料电池堆201的冷却液出口204与所述三通阀301的进口相连接；所述三通阀301的第一出口经过所述散热风扇302与所述燃料电池堆201的冷却液入口203相连接；所述三通阀301的第二出口与所述板式换热器303的第一入口相连接；所述板式换热器303的第一出口与所述燃料电池堆201的冷却液入口203相连接；所述板式换热器303的第二出口经过所述第一循环水泵304与所述蓄热水箱402的第一入水口相连接；所述板式换热器303的第二入口与所述蓄热水箱402的第一出水口相连接；
所述蓄热水箱402的第二出水口经过所述电加热器407与所述第二循环水泵408的入水口相连接；所述第二循环水泵408的出水口分别与所述第一电磁阀405的入口和所述手阀409的入口相连接；所述第一电磁阀405的出口与所述蓄热水箱402的第二入水口相连接；所述手阀409的出口与预设的热水使用接口412相连；
所述燃料电池发电系统2还包括BOP辅助系统207，所述BOP辅助系统207的供电端口与所述供电系统5中的储能变流器503的电压输入口相连接；所述储能变流器503的电压输出口与用电设备相连接；
所述燃料电池堆201的氢气进口206与所述供氢系统6相连接。
2.根据权利要求1所述的基于燃料电池的热电联产系统，其特征在于，所述系统还包括：控制系统1；其中，所述控制系统1包括：控制单元101、燃料电池控制器102、动力电池控制器103、储能变流器控制器104以及显示屏105；所述控制单元101分别与所述燃料电池控制器102、所述动力电池控制器103、所述储能变流器控制器104以及所述显示屏105相连接；
所述燃料电池控制器102分别与所述燃料电池发电系统2、所述热交换系统3以及所述供热系统4的指令传输端口相连接；
所述动力电池控制器103与所述供氢系统6的指令传输端口相连接；
所述储能变流器控制器104与所述供电系统5的指令传输端口相连接。
3.根据权利要求2所述的基于燃料电池的热电联产系统，其特征在于，所述基于燃料电池的热电联产系统还包括：直流电压电池盒7以及第二继电器8；
所述直流电压电池盒7的供电端通过所述第二继电器8与所述控制系统1的供电端相连接。
4.根据权利要求1所述的基于燃料电池的热电联产系统，其特征在于，所述蓄热水箱402中设置有第一液位传感器403和第二液位传感器404；其中，所述第一液位传感器403设置在所述第二液位传感器404的上方。
5.根据权利要求1所述的基于燃料电池的热电联产系统，其特征在于，所述供热系统4还包括第二电磁阀406；其中，所述第二电磁阀406的出水口与蓄热水箱402的第二入水口相连接；所述第二电磁阀406的入水口与所述第一电磁阀405的出口相连接；
所述第二电磁阀406的入水口还与预设的自来水接口413相连接。
6.根据权利要求1所述的基于燃料电池的热电联产系统，其特征在于，所述供热系统4还包括第一温度传感器401；所述第一温度传感器401设置在所述蓄热水箱402的第一出水口处；
所述供热系统4还包括：质量流量计410和第二温度传感器411；所述质量流量计410和所述第二温度传感器411分别设置在所述手阀409的出口与预设的热水使用接口412之间。
7.根据权利要求1所述的基于燃料电池的热电联产系统，其特征在于，所述供电系统5还包括：低压电源501、高压锂电池组502、手掷开关504、第一继电器505；
所述低压电源501和所述高压锂电池组502设置在所述BOP辅助系统207的供电端口与所述储能变流器503的电压输入口之间；
所述手掷开关504设置在所述储能变流器503的电压输出口与所述用电设备中的负载506之间；
所述第一继电器505设置在所述储能变流器503的电压输出口与所述用电设备中的变压器507之间。
8.根据权利要求1所述的基于燃料电池的热电联产系统，其特征在于，所述燃料电池发电系统2还包括：空气进气口202以及尾气排气口205；其中，所述空气进气口202的进口处设置有空气过滤器208；
所述热交换系统3还包括颗粒捕捉器305；所述颗粒捕捉器305设置在所述冷却液入口203的入口处。
9.一种基于燃料电池的热电联产系统的控制方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1至8任一项所述的基于燃料电池的热电联产系统；所述系统包括：燃料电池发电系统、热交换系统、供氢系统、供热系统以及供电系统；
所述方法包括：
控制所述供氢系统向所述燃料电池发电系统提供氢气，并控制所述燃料电池发电系统进入发电；
控制所述燃料电池发电系统进入第一发电状态；所述第一发电状态中所述燃料发电系统的将产生的电力通过所述供电系统传输至用电设备；
实时检测所述燃料电池堆的冷却液出口的冷却液温度；当所述冷却液温度大于第一温度阈值时，控制所述热交换系统中的所述三通阀，将所述燃料电池发电系统产生的热量经过所述板式换热器和所述循环水泵传输至所述供热系统的所述蓄热水箱中；
实时检测所述蓄热水箱的温度；当所述蓄热水箱的温度大于第二温度阈值时，控制所述热交换系统中的三通阀将所述燃料电池发电系统产生的热量经所述散热风扇排出。
10.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器存储有能够被所述处理器执行的计算机可执行指令，所述处理器执行所述计算机可执行指令以实现权利要求9所述的基于燃料电池的热电联产系统的控制方法。
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