CN115513490B - 一种氢燃料电池系统的余压余热利用装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种氢燃料电池系统的余压余热利用装置及其控制方法，该装置包括氢气供给元件、余压余热利用模块、氢燃料电池电堆和控制模块；余压余热利用模块包括一级余压余热利用子模块、二级余压余热利用子模块和三级余压余热利用子模块。该氢燃料电池系统的余压余热利用装置通过余压余热利用模块对氢气供给元件提供氢气的余压与氢燃料电池电堆的废热输出端输出的余热进行换热处理，能够将氢气所蕴涵的气体势能转化为机械功，提供给氢燃料电池电堆中的氢气循环泵、空气压缩机和水循环泵，降低氢燃料电池电堆所使用产生的电能，从而提高整体氢气化学能的利用效率，进一步提高氢燃料电池电堆的供电效率。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种氢燃料电池系统的余压余热利用装置及其控制方法。
背景技术
氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，其具有单位质量燃烧热值高的特点，氢能的燃烧热值是汽油的3倍、酒精的3.9倍以及焦炭的4.5倍。氢燃烧的产物是水，是世界上最干净的能源。质子交换膜氢燃料电池是能够将氢气中的化学能直接转化为电能的装置，由于其转化过程无燃烧过程从而避免了热力学第二定律的限制。
现有燃料电池系统由燃料电池堆、氢气供给系统、空气供给系统、水热管理系统及电控系统组成。燃料电池堆由多个单电池以串联方式层叠组合构成，燃料电池堆可以通过将双极板与膜电极三合一组件(MEA)交替叠合，各单电池之间嵌入密封件，经前、后端板压紧后用螺杆紧固住，就组成了质子交换膜燃料电池堆。氢气供给系统的主要作用是将储氢瓶出来的氢气进行一定的处理，转化成适于燃料电池堆内化学反应的气体(流量、压力、温度、湿度等)，经过氢气供给系统的处理，让燃料电池堆处于相对合适的条件下。氢气供给系统主要包括氢气喷射器、氢气循环泵、氢气引射器等部件组成。氢气喷射器用来控制进入燃料电池堆的氢气压力及流量，并根据工况需求进行相应调整。氢气循环泵将燃料电池堆出口未发生反应的氢气循环至燃料电池堆入口，同时也将出口处的水汽循环至入口，起到进气增湿的作用，同时增加氢气利用率，并减少氢气排放，减小安全隐患。空气供给系统的主要是对即将进入燃料电池的空气进行过滤、加压、加湿等处理，保证燃料电池堆阴极侧的温度、压力、湿度及流量处于比较舒适的范围内。空气供给系统主要由空气滤清器、空气压缩机、中冷器、增湿器以及电子节气门等组成。水热管理系统的主要作用是维持燃料电池系统的热平衡，回收多余的热量，并在燃料电池系统启动时能够进行辅助加热的系统，保证燃料电池堆内部能够迅速达到适合的温度区间，同时保证阴极与阳极两侧处于最佳的工作区域。电控系统的作用是保证氢气供给系统、空气供给系统以及水热管理系统能够协调高效运行，使其发挥出最优性能。主要由各类传感器、流量计、阀组件、控制逻辑等组成。
在现有的氢燃料电池系统中氢气循环泵、空气压缩机和水热管理系统需要耗费大量氢燃料电池组件所产生的电力，所以燃料电池系统总效率较低，约为50％左右。然而，一方面氢燃料电池所需的氢气均来自于氢气储存罐中的高压氢气(35MPa)左右，而氢燃料电池组件工作的氢气压力约为0.1MPa～0.3MPa。目前一般通过减压阀将35MPa左右的氢气直接减至0.1MPa～0.3MPa左右，这将浪费大量的高压氢气所包含的气体势能。另一方面，氢燃料电池工作过程中产生的热量被水热管理系统通过传热方式耗散，这也将浪费大量的能量。
发明内容
本发明实施例提供了一种氢燃料电池系统的余压余热利用装置及其控制方法，用于解决现有氢燃料电池系统工作过程中存在大量的能量浪费的技术问题。
为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
一种氢燃料电池系统的余压余热利用装置，包括氢气供给元件、余压余热利用模块、氢燃料电池电堆和控制所述氢气供给元件、所述余压余热利用模块和所述氢燃料电池电堆运行的控制模块；所述余压余热利用模块包括一级余压余热利用子模块、二级余压余热利用子模块和三级余压余热利用子模块，所述一级余压余热利用子模块、所述二级余压余热利用子模块和所述三级余压余热利用子模块的输入端均与所述氢气供给元件连接，所述一级余压余热利用子模块的输出端与所述二级余压余热利用子模块的输入端连接，所述二级余压余热利用子模块的输出端与所述三级余压余热利用子模块的输入端连接，所述三级余压余热利用子模块的输出端与所述氢燃料电池电堆的氢气输入端连接，所述氢燃料电池电堆的废热输出端分别与所述一级余压余热利用子模块、所述二级余压余热利用子模块和所述三级余压余热利用子模块连接；
所述氢气供给元件，用于向所述氢燃料电池电堆提供氢气；
所述一级余压余热利用子模块，用于对高压的氢气进行做功并给氢燃料电池电堆提供动能，以及对做功后的氢气与所述氢燃料电池电堆的废热输出端输出的余热进行换热处理，得到一级换热氢气；
所述二级余压余热利用子模块，用于对中压的氢气或所述一级换热氢气进行做功并给氢燃料电池电堆提供动能，以及对做功后的氢气与所述氢燃料电池电堆的废热输出端输出的余热进行换热处理，得到二级换热氢气；
所述三级余压余热利用子模块，用于对低压的氢气或所述二级换热氢气进行做功并给氢燃料电池电堆提供动能，以及对做功后的氢气与所述氢燃料电池电堆的废热输出端输出的余热进行换热处理，得到三级换热氢气；
所述氢燃料电池电堆，用于根据所述三级换热氢气与空气进行反应发电；
所述控制模块，用于根据所述氢气供给元件提供氢气的压力大小控制所述一级余压余热利用子模块、所述二级余压余热利用子模块和/或所述三级余压余热利用子模块工作，以及控制所述氢燃料电池电堆工作。
优选地，该氢燃料电池系统的余压余热利用装置包括第一阀门元件和第二阀门元件，所述第一阀门元件的输入端与所述氢气供给元件的输出端连接，所述第一阀门元件的第一输出端与所述一级余压余热利用子模块连接，所述第一阀门元件的第二输出端与所述第二阀门元件的输入端连接，所述第二阀门元件的第一输出端与所述二级余压余热利用子模块的输入端连接，所述第二阀门元件的第二输出端与所述三级余压余热利用子模块的输入端连接。
优选地，该氢燃料电池系统的余压余热利用装置包括第三阀门元件和第四阀门元件，所述第三阀门元件的第一端与所述一级余压余热利用子模块连接，所述第三阀门元件的第二端与所述二级余压余热利用子模块连接，所述第三阀门元件的第三端与所述第四阀门元件的第一端连接，所述第四阀门元件的第二端与所述三级余压余热利用子模块连接，所述第四阀门元件的第三端与所述氢燃料电池电堆的废热输出端连接。
优选地，所述一级余压余热利用子模块包括第一做功流体器件、与所述第一做功流体器件连接的第一控制元件和与所述第一控制元件连接的第一换热元件，所述第一换热元件的输出端与所述二级余压余热利用子模块的输入端连接。
优选地，所述二级余压余热利用子模块包括第二做功流体器件、与所述第二做功流体器件连接的第二控制元件和与所述第二控制元件连接的第二换热元件，所述第二换热元件的输出端与所述三级余压余热利用子模块的输入端连接。
优选地，所述三级余压余热利用子模块包括第三做功流体器件、与所述第三做功流体器件连接的第三控制元件和与所述第三控制元件连接的第三换热元件，所述第三换热元件的输出端与所述氢燃料电池电堆的氢气输入端连接。
本发明还提供一种氢燃料电池系统的余压余热利用方法，应用于上述所述的氢燃料电池系统的余压余热利用装置上，包括以下步骤：
获取氢气供给元件提供氢气的压力数据；
根据所述压力数据控制一级余压余热利用子模块、二级余压余热利用子模块和/或三级余压余热利用子模块对氢气与氢燃料电池电堆的废热输出端输出的余热进行换热工作。
优选地，若所述压力数据大于15MPa，依次控制一级余压余热利用子模块、二级余压余热利用子模块和三级余压余热利用子模块对氢气与氢燃料电池电堆的废热输出端输出的余热进行换热工作。
优选地，若所述压力数据在8MPa～15MPa范围内，依次控制二级余压余热利用子模块和三级余压余热利用子模块对氢气与氢燃料电池电堆的废热输出端输出的余热进行换热工作。
优选地，若所述压力数据在2MPa～8MPa范围内，控制三级余压余热利用子模块对氢气与氢燃料电池电堆的废热输出端输出的余热进行换热工作。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：该氢燃料电池系统的余压余热利用装置及其控制方法，该氢燃料电池系统的余压余热利用装置包括氢气供给元件、余压余热利用模块、氢燃料电池电堆和控制氢气供给元件、余压余热利用模块和氢燃料电池电堆运行的控制模块；余压余热利用模块包括一级余压余热利用子模块、二级余压余热利用子模块和三级余压余热利用子模块，一级余压余热利用子模块、二级余压余热利用子模块和三级余压余热利用子模块的输入端均与氢气供给元件连接，一级余压余热利用子模块的输出端与二级余压余热利用子模块的输入端连接，二级余压余热利用子模块的输出端与三级余压余热利用子模块的输入端连接，三级余压余热利用子模块的输出端与氢燃料电池电堆的氢气输入端连接，氢燃料电池电堆的废热输出端分别与一级余压余热利用子模块、二级余压余热利用子模块和三级余压余热利用子模块连接。该氢燃料电池系统的余压余热利用装置通过余压余热利用模块中换热元件对氢气供给元件提供氢气的余压与氢燃料电池电堆的废热输出端输出的余热进行换热处理，能够将氢气所蕴涵的气体势能转化为机械功，提供给氢燃料电池电堆中的氢气循环泵、空气压缩机和水循环泵作为动力源，降低氢燃料电池电堆本身所使用产生的电能，从而提高整体氢气化学能的利用效率，进一步提高氢燃料电池电堆的供电效率，解决了现有氢燃料电池系统工作过程中存在大量的能量浪费的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例所述的氢燃料电池系统的余压余热利用装置的框架图；
图2为本发明实施例所述的氢燃料电池系统的余压余热利用装置的电气原理图。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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设备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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
本申请实施例提供了一种氢燃料电池系统的余压余热利用装置及其控制方法，用于解决了现有氢燃料电池系统工作过程中存在大量的能量浪费的技术问题。
实施例一：
图1为本发明实施例所述的氢燃料电池系统的余压余热利用装置的框架图，图2为本发明实施例所述的氢燃料电池系统的余压余热利用装置的电气原理图。
如图1和图2所示，本发明实施例提供了一种氢燃料电池系统的余压余热利用装置，包括氢气供给元件10、余压余热利用模块20、氢燃料电池电堆30和控制氢气供给元件10、余压余热利用模块20和氢燃料电池电堆30运行的控制模块40；余压余热利用模块20包括一级余压余热利用子模块21、二级余压余热利用子模块22和三级余压余热利用子模块23，一级余压余热利用子模块21、二级余压余热利用子模块22和三级余压余热利用子模块23的输入端均与氢气供给元件10连接，一级余压余热利用子模块21的输出端与二级余压余热利用子模块22的输入端连接，二级余压余热利用子模块22的输出端与三级余压余热利用子模块23的输入端连接，三级余压余热利用子模块23的输出端与氢燃料电池电堆30的氢气输入端连接，氢燃料电池电堆30的废热输出端分别与一级余压余热利用子模块21、二级余压余热利用子模块22和三级余压余热利用子模块23连接。
如图1和图2所示，在本发明实施例中，氢气供给元件10可以用于向氢燃料电池电堆30提供氢气。
需要说明的是，氢气供给元件10还可以存储氢气。在本实施例中，氢气供给元件10可以为高压储气罐。其中，随着氢燃料电池系统的运行，氢气供给元件10中的压力随着时间不断降低。
在本发明实施例中，一级余压余热利用子模块21可以用于对高压的氢气进行做功并给氢燃料电池电堆提供动能，以及对做功后的氢气与氢燃料电池电堆30的废热输出端输出的余热进行换热处理，得到一级换热氢气。
需要说明的是，一级余压余热利用子模块21能够对高压的氢气进行第一次做功后输出的氢气与氢燃料电池电堆30的废热输出端输出的余热进行换热处理，即是通过氢燃料电池电堆30的废热输出端输出的余热对做功后输出的氢气进行加热。在本实施例中，高压的氢气指的是压力大于15MPa的氢气。
在本发明实施例中，二级余压余热利用子模块22可以用于对中压的氢气进行做功并给氢燃料电池电堆提供动能，以及对做功后的氢气与氢燃料电池电堆30的废热输出端输出的余热进行换热处理，得到二级换热氢气。
需要说明的是，二级余压余热利用子模块22能够对中压的氢气进行第一次做功后输出的氢气与氢燃料电池电堆30的废热输出端输出的余热进行换热处理，即是通过氢燃料电池电堆30的废热输出端输出的余热对做功后输出的氢气进行加热。在本实施例中，中压的氢气指的是压力在8MPa～15MPa范围内的氢气。
在本发明实施例中，三级余压余热利用子模块23可以用于对低压的氢气进行做功并给氢燃料电池电堆提供动能，以及对做功后的氢气与氢燃料电池电堆30的废热输出端输出的余热进行换热处理，得到三级换热氢气。
需要说明的是，三级余压余热利用子模块23能够对低压的氢气进行第一次做功后输出的氢气与氢燃料电池电堆30的废热输出端输出的余热进行换热处理，即是通过氢燃料电池电堆30的废热输出端输出的余热对做功后输出的氢气进行加热。在本实施例中，低压的氢气指的是压力小于8MPa的氢气。
在本发明实施例中，氢燃料电池电堆30可以用于根据三级换热氢气与空气进行反应发电。
需要说明的是，氢燃料电池电堆30能够通过氢气和空气进行反应发电。如图2所示，氢燃料电池电堆30包括氢气循环泵、空气压缩机和冷却循环泵。在本实施例中，余压余热利用模块20的一级余压余热利用子模块21、二级余压余热利用子模块22和三级余压余热利用子模块23做功产生的动能提供给氢燃料电池电堆30的氢气循环泵、空气压缩机和冷却循环泵，降低氢燃料电池电堆30的氢气循环泵、空气压缩机和冷却循环泵运行时使用的电能，节约了能源。
在本发明实施例中，控制模块40可以用于根据氢气供给元件10提供氢气的压力大小控制一级余压余热利用子模21、二级余压余热利用子模块22和/或所述三级余压余热利用子模块23工作，以及控制氢燃料电池电堆30工作。
本发明提供的一种氢燃料电池系统的余压余热利用装置，包括氢气供给元件、余压余热利用模块、氢燃料电池电堆和控制氢气供给元件、余压余热利用模块和氢燃料电池电堆运行的控制模块；余压余热利用模块包括一级余压余热利用子模块、二级余压余热利用子模块和三级余压余热利用子模块，一级余压余热利用子模块、二级余压余热利用子模块和三级余压余热利用子模块的输入端均与氢气供给元件连接，一级余压余热利用子模块的输出端与二级余压余热利用子模块的输入端连接，二级余压余热利用子模块的输出端与三级余压余热利用子模块的输入端连接，三级余压余热利用子模块的输出端与氢燃料电池电堆的氢气输入端连接，氢燃料电池电堆的废热输出端分别与一级余压余热利用子模块、二级余压余热利用子模块和三级余压余热利用子模块连接。该氢燃料电池系统的余压余热利用装置通过余压余热利用模块对氢气供给元件提供氢气的余压与氢燃料电池电堆的废热输出端输出的余热进行换热处理，能够将氢气所蕴涵的气体势能转化为机械功，提供给氢燃料电池电堆中的氢气循环泵、空气压缩机和水循环泵，降低氢燃料电池电堆所使用产生的电能，从而提高整体氢气化学能的利用效率，进一步提高氢燃料电池电堆的供电效率，解决了现有氢燃料电池系统工作过程中存在大量的能量浪费的技术问题。
如图2所示，在本发明的一个实施例中，该氢燃料电池系统的余压余热利用装置包括第一阀门元件50和第二阀门元件60，第一阀门元件50的输入端与氢气供给元件10的输出端连接，第一阀门元件50的第一输出端与一级余压余热利用子模块21连接，第一阀门元件50的第二输出端与第二阀门元件60的输入端连接，第二阀门元件60的第一输出端与二级余压余热利用子模块22的输入端连接，第二阀门元件60的第二输出端与三级余压余热利用子模块23的输入端连接。
需要说明的是，第一阀门元件50和第二阀门元件60相当于导通供气通道的开关，控制模块40根据氢气供给元件10提供氢气的压力大小选择接通氢气供给元件10与一级余压余热利用子模块21、二级余压余热利用子模块22或三级余压余热利用子模块23哪条供气通道。在本实施例中，第一阀门元件50和第二阀门元件60均可以选为三通阀。
如图2所示，在本发明的一个实施例中，该氢燃料电池系统的余压余热利用装置包括第三阀门元件70和第四阀门元件80，第三阀门元件70的第一端与一级余压余热利用子模块21连接，第三阀门元件70的第二端与二级余压余热利用子模块22连接，第三阀门元件70的第三端与第四阀门元件40的第一端连接，第四阀门元件80的第二端与三级余压余热利用子模块23连接，第四阀门元件80的第三端与氢燃料电池电堆40的废热输出端连接。
需要说明的是，第三阀门元件70和第四阀门元件80相当于导通废热供应通道的开关，控制模块40根据一级余压余热利用子模块21、二级余压余热利用子模块22和三级余压余热利用子模块23中哪个子模块工作，控制第三阀门元件70或第四阀门元件80选择导通对应供余热的通道。例如，若一级余压余热利用子模块21工作，控制模块40控制第三阀门元件70和第四阀门元件80接通氢燃料电池电堆40的废热输出端与一级余压余热利用子模块21的供余热通道，即是第三阀门元件70的第一端与第三阀门元件70的第三端接通，第四阀门元件40的第一端与第四阀门元件40的第三端接通，第四阀门元件40的第二端和第三阀门元件70的第二端关闭。若二级余压余热利用子模块22工作，控制模块40控制第三阀门元件70和第四阀门元件80接通氢燃料电池电堆40的废热输出端与二级余压余热利用子模块22的供余热通道，即是第三阀门元件70的第二端与第三阀门元件70的第三端接通，第四阀门元件40的第一端与第四阀门元件40的第三端接通，第四阀门元件40的第二端和第三阀门元件70的第一端关闭。若三级余压余热利用子模块23工作，控制模块40控制第三阀门元件70和第四阀门元件80接通氢燃料电池电堆40的废热输出端与三级余压余热利用子模块23的供余热通道，即是第四阀门元件40的第二端与第四阀门元件40的第三端接通，第四阀门元件40的第三端和第三阀门元件70关闭。在本实施例中，氢气的压力大于15MPa时，氢气由第一阀门元件50进入一级余热余压利用子模块21中；在氢气的压力低于15MPa且高于8MPa时，第一阀门元件50调整阀门开度，使氢气不经过一级余压余热利用子模块21，而直接进入二级余压余热利用子模块22中，也是说在氢气的压力在8MPa-15MPa时，氢气经第二阀门元件60流向二级余热余压利用子模块22，而不会流向三级余热余压利用子模块23；在氢气的压力低于8MPa时，第一阀门元件50和第二阀门元件60均开向三级余热余压利用子模块23。如图2所示，在本发明的一个实施例中，一级余压余热利用子模块21包括第一做功流体器件211、与第一做功流体器件211连接的第一控制元件212和与第一控制元件212连接的第一换热元件213，第一换热元件213的输出端与二级余压余热利用子模块22的输入端连接。
需要说明的是，一级余压余热利用子模块21可以对氢气供给元件10提供的高压氢气通过第一阀门元件50进入第一做功流体器件211进行膨胀做功，第一做功流体器件211做功的动能提供给氢燃料电池电堆30中。第一做功流体器件211的输出氢气的压力通过第一控制元件212控制，以使第一做功流体器件211输出的氢气压力为8MPa～15MPa并将该氢气输送至第一换热元件213中，第一换热元件213将氢气通过氢燃料电池电堆30提供的余热进行加热，得到加热后的一级换热氢气并输送至二级余压余热利用子模块22中。在本实施例中，第一控制元件212可以选为背压阀，第一换热元件213可以选为换热器，第一做功流体器件211可以选为透平机或膨胀机。
如图2所示，在本发明的一个实施例中，二级余压余热利用子模块22包括第二做功流体器件221、与第二做功流体器件221连接的第二控制元件222和与第二控制元件222连接的第二换热元件223，第二换热元件223的输出端与三级余压余热利用子模块23的输入端连接。
需要说明的是，二级余压余热利用子模块22可以对氢气供给元件10提供的中压氢气通过第二阀门元件60或一级换热氢气进入第二做功流体器件221进行膨胀做功，第二做功流体器件221做功的动能提供给氢燃料电池电堆30中。第二做功流体器件221的输出氢气的压力通过第二控制元件222控制，以使第二做功流体器件221输出的氢气压力为2MPa～8MPa并将该氢气输送至第二换热元件223中，第二换热元件223将氢气通过氢燃料电池电堆30提供的余热进行加热，得到加热后的二级换热氢气并输送至三级余压余热利用子模块23中。在本实施例中，第二控制元件222可以选为背压阀，第二换热元件223可以选为换热器，第二做功流体器件221可以选为透平机或膨胀机。
如图2所示，在本发明的一个实施例中，三级余压余热利用子模块23包括第三做功流体器件231、与第三做功流体器件231连接的第三控制元件232和与第三控制元件232连接的第三换热元件233，第三换热元件233的输出端与氢燃料电池电堆30的氢气输入端连接。
需要说明的是，三级余压余热利用子模块23可以对氢气供给元件10提供的低压氢气通过第二阀门元件60或二级换热氢气进入第三做功流体器件231进行膨胀做功，第三做功流体器件231做功的动能提供给氢燃料电池电堆30中。第三做功流体器件231的输出氢气的压力通过第三控制元件232控制，以使第三做功流体器件231输出的氢气压力小于2MPa并将该氢气输送至第三换热元件233中，第三换热元件233将氢气通过氢燃料电池电堆30提供的余热进行加热，得到加热后的三级换热氢气并输送至氢燃料电池电堆30中，实现给氢燃料电池电堆30提供氢气。在本实施例中，第三控制元件232可以选为背压阀，第三换热元件233可以选为换热器，第三做功流体器件231可以选为透平机或膨胀机。第三做功流体器件231输出的氢气压力可以选为0.1MPa～0.3MPa。其中，三级换热氢气的压力是适合氢燃料电池电堆30工作压力的氢气，该三级换热氢气与氢燃料电池电堆30中的空气进行反应发电。
在本发明实施例中，该氢燃料电池系统的余压余热利用装置通过氢气供给元件提供氢气在余压余热利用模块中对氢气的余压和氢燃料电池电堆提供余热再利用，为氢燃料电池电堆反应发电提供氢气和动能，提高氢燃料电池电堆的发电效率以及减少氢燃料电池电堆在发电过程中对电能的消耗。
需要说明的是，该氢燃料电池系统的余压余热利用装置通过氢燃料电池电堆30的冷却循环泵将氢燃料电池工作时产生的废热通过换热介质(如换热器)与经过第一做功流体器件211、第二做功流体器件221和第三做功流体器件231做功后的氢气进行换热，加热做功后的氢气，然后将换热后三级换热氢气通过氢燃料电池电堆30的冷却介质循环至冷却循环泵处。控制模块40对氢气供给元件提供氢气的压力进行监测，根据压力大小决定第一阀门元件50、第二阀门元件60、第三阀门元件70和第四阀门元件80阀门的开向，若氢气压力低于8MPa，则将一级余压余热利用子模块21和二级余压余热利用子模块22旁路设置，若氢气的压力低于2MPa，则将一级余压余热利用子模块21、二级余压余热利用子模块22和三级余压余热利用子模块23均旁路设置。其中，控制模块40通过监测氢气供给元件10的压力大小决定第三阀门元件70和第四阀门元件80的阀门开度大小，从而决定第一换热元件213、第二换热元件223和第三换热元件233的热负荷大小，以保证二级余压余热利用子模块22、三级余热余压利用子模块和氢燃料电池电堆入口处温度基本保持恒定。第一控制元件212、第二控制元件222和第三控制元件232的作用是保持下一级余热余压利用子模块入口以及氢燃料电池入口氢气压力的稳定。
实施例二：
本发明实施例还提供一种氢燃料电池系统的余压余热利用方法，应用于上述的氢燃料电池系统的余压余热利用装置上，该氢燃料电池系统的余压余热利用方法包括以下步骤：
获取氢气供给元件提供氢气的压力数据；
根据压力数据控制一级余压余热利用子模块、二级余压余热利用子模块和/或三级余压余热利用子模块对氢气与氢燃料电池电堆的废热输出端输出的余热进行换热工作。
需要说明的是，实施例二方法中该氢燃料电池系统的余压余热利用装置的内容已在实施例一中详细阐述了，在此实施例二中不再对该氢燃料电池系统的余压余热利用装置的内容进行详细阐述。
在本发明实施例中，若压力数据大于15MPa，依次控制一级余压余热利用子模块、二级余压余热利用子模块和三级余压余热利用子模块对氢气与氢燃料电池电堆的废热输出端输出的余热进行换热工作；若压力数据在8MPa～15MPa范围内，依次控制二级余压余热利用子模块和三级余压余热利用子模块对氢气与氢燃料电池电堆的废热输出端输出的余热进行换热工作；若压力数据在2MPa～8MPa范围内，控制三级余压余热利用子模块对氢气与氢燃料电池电堆的废热输出端输出的余热进行换热工作。
需要说明的是，该氢燃料电池系统的余压余热利用方法通过获取氢气供给元件提供氢气的压力数据，根据压力数据的大小先选择一级余压余热利用子模块、二级余压余热利用子模块或三级余压余热利用子模块进行做功加热工作。在本实施例中，若选择一级余压余热利用子模块先对氢气做功后再与氢燃料电池电堆提供余热进行加热换热，其次对做功加热后的一级换热氢气并输送至二级余压余热利用子模块中，二级余压余热利用子模块先对一级换热氢气做功后再与氢燃料电池电堆提供余热进行加热换热，其次对做功加热后的二级换热氢气并输送至三级余压余热利用子模块中；最后三级余压余热利用子模块先对二级换热氢气做功后再与氢燃料电池电堆提供余热进行加热换热，其次对做功加热后的三级换热氢气并输送至氢燃料电池电堆中。若选择二级余压余热利用子模块先对氢气做功后再与氢燃料电池电堆提供余热进行加热换热，其次对做功加热后的二级换热氢气并输送至三级余压余热利用子模块中；最后三级余压余热利用子模块先对二级换热氢气做功后再与氢燃料电池电堆提供余热进行加热换热，其次对做功加热后的三级换热氢气并输送至氢燃料电池电堆中。若选择三级余压余热利用子模块先对氢气做功后再与氢燃料电池电堆提供余热进行加热换热，其次对做功加热后的三级换热氢气并输送至氢燃料电池电堆中。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
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，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，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，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接口，装置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。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元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全部或部分可以以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-OnlyMemory)、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。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种氢燃料电池系统的余压余热利用装置，其特征在于，包括第一阀门元件、第二阀门元件、第三阀门元件、第四阀门元件、氢气供给元件、余压余热利用模块、氢燃料电池电堆和控制所述氢气供给元件、所述余压余热利用模块和所述氢燃料电池电堆运行的控制模块；所述余压余热利用模块包括一级余压余热利用子模块、二级余压余热利用子模块和三级余压余热利用子模块，所述一级余压余热利用子模块、所述二级余压余热利用子模块和所述三级余压余热利用子模块的输入端均与所述氢气供给元件连接，所述一级余压余热利用子模块的输出端与所述二级余压余热利用子模块的输入端连接，所述二级余压余热利用子模块的输出端与所述三级余压余热利用子模块的输入端连接，所述三级余压余热利用子模块的输出端与所述氢燃料电池电堆的氢气输入端连接，所述氢燃料电池电堆的废热输出端分别与所述一级余压余热利用子模块、所述二级余压余热利用子模块和所述三级余压余热利用子模块连接；
所述氢气供给元件，用于向所述氢燃料电池电堆提供氢气；
所述一级余压余热利用子模块，用于对高压的氢气进行做功并给氢燃料电池电堆提供动能，以及对做功后的氢气与所述氢燃料电池电堆的废热输出端输出的余热进行换热处理，得到一级换热氢气；
所述二级余压余热利用子模块，用于对中压的氢气或所述一级换热氢气进行做功并给氢燃料电池电堆提供动能，以及对做功后的氢气与所述氢燃料电池电堆的废热输出端输出的余热进行换热处理，得到二级换热氢气；
所述三级余压余热利用子模块，用于对低压的氢气或所述二级换热氢气进行做功并给氢燃料电池电堆提供动能，以及对做功后的氢气与所述氢燃料电池电堆的废热输出端输出的余热进行换热处理，得到三级换热氢气；
所述氢燃料电池电堆，用于根据所述三级换热氢气与空气进行反应发电；
所述控制模块，用于根据所述氢气供给元件提供氢气的压力大小控制所述一级余压余热利用子模块、所述二级余压余热利用子模块和/或所述三级余压余热利用子模块工作，以及控制所述氢燃料电池电堆工作；
所述第一阀门元件的输入端与所述氢气供给元件的输出端连接，所述第一阀门元件的第一输出端与所述一级余压余热利用子模块连接，所述第一阀门元件的第二输出端与所述第二阀门元件的输入端连接，所述第二阀门元件的第一输出端与所述二级余压余热利用子模块的输入端连接，所述第二阀门元件的第二输出端与所述三级余压余热利用子模块的输入端连接；所述第三阀门元件的第一端与所述一级余压余热利用子模块连接，所述第三阀门元件的第二端与所述二级余压余热利用子模块连接，所述第三阀门元件的第三端与所述第四阀门元件的第一端连接，所述第四阀门元件的第二端与所述三级余压余热利用子模块连接，所述第四阀门元件的第三端与所述氢燃料电池电堆的废热输出端连接。
2.根据权利要求1所述的氢燃料电池系统的余压余热利用装置，其特征在于，所述一级余压余热利用子模块包括第一做功流体器件、与所述第一做功流体器件连接的第一控制元件和与所述第一控制元件连接的第一换热元件，所述第一换热元件的输出端与所述二级余压余热利用子模块的输入端连接。
3.根据权利要求1所述的氢燃料电池系统的余压余热利用装置，其特征在于，所述二级余压余热利用子模块包括第二做功流体器件、与所述第二做功流体器件连接的第二控制元件和与所述第二控制元件连接的第二换热元件，所述第二换热元件的输出端与所述三级余压余热利用子模块的输入端连接。
4.根据权利要求1所述的氢燃料电池系统的余压余热利用装置，其特征在于，所述三级余压余热利用子模块包括第三做功流体器件、与所述第三做功流体器件连接的第三控制元件和与所述第三控制元件连接的第三换热元件，所述第三换热元件的输出端与所述氢燃料电池电堆的氢气输入端连接。
5.一种氢燃料电池系统的余压余热利用装置的控制方法，应用于如权利要求1-4任意一项所述的氢燃料电池系统的余压余热利用装置上，其特征在于，包括以下步骤：
获取氢气供给元件提供氢气的压力数据；
根据所述压力数据控制一级余压余热利用子模块、二级余压余热利用子模块和/或三级余压余热利用子模块对氢气与氢燃料电池电堆的废热输出端输出的余热进行换热工作。
6.根据权利要求5所述的氢燃料电池系统的余压余热利用装置的控制方法，其特征在于，若所述压力数据大于15MPa，依次控制一级余压余热利用子模块、二级余压余热利用子模块和三级余压余热利用子模块对氢气与氢燃料电池电堆的废热输出端输出的余热进行换热工作。
7.根据权利要求5所述的氢燃料电池系统的余压余热利用装置的控制方法，其特征在于，若所述压力数据在8MPa~15MPa范围内，依次控制二级余压余热利用子模块和三级余压余热利用子模块对氢气与氢燃料电池电堆的废热输出端输出的余热进行换热工作。
8.根据权利要求5所述的氢燃料电池系统的余压余热利用装置的控制方法，其特征在于，若所述压力数据在2MPa~8MPa范围内，控制三级余压余热利用子模块对氢气与氢燃料电池电堆的废热输出端输出的余热进行换热工作。
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