CN115548373A - 一种基于燃料电池和热泵耦合的热电联供系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及建筑供能技术领域，具体涉及了一种基于燃料电池和热泵耦合的热电联供系统。包括水循环系统、燃料电池系统、尾气收集系统、热泵系统、水箱以及用户用水系统；所述水循环系统，用于提供冷却水，通过冷却水换热对燃料电池系统发电过程产生的热能进行吸收，得到热水；水箱分别连通水循环系统和用户用水系统；所述尾气收集系统分别与燃料电池系统的尾气出口以及热泵系统连通，用于收集燃料电池系统产生的尾气，将尾气通入热泵系统；所述热泵系统还与水箱连通，用于加热水并将加热后的热水通入水箱，以及对水箱中的热水进行加热。能够提高燃料电池系统的热回收率，提高供热效率。

Description

一种基于燃料电池和热泵耦合的热电联供系统

技术领域

本发明涉及建筑供能技术领域，具体涉及了一种基于燃料电池和热泵耦合的热电联供系统。

背景技术

目前氢燃料电池被认为在建筑供能领域最具前景，氢气通过燃料电池会产生电能和热能，热能可以通过水进行回收，作为生活热水进行供应，然而由于燃料电池的尾气以及相关电气元件会带走部分热量，使得燃料电池热却无法做到全部回收，导致目前燃料电池热回收效率降低。

建筑供能的另一种设备为热泵，目前已经得到普及，但是在冬天热泵效率较低，当室外温度降低到-10℃的时候，热泵除霜能力减弱，使用不当还可能冻坏管道和设备，也无法在没有电的情况下运行。因此如何提高燃料电池热回收率，提高供热系统供热效率是亟待解决的问题。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种基于燃料电池和热泵耦合的热电联供系统，能够提高燃料电池系统的热回收率，提高供热效率。

本发明提供的基础方案：一种基于燃料电池和热泵耦合的热电联供系统，包括水循环系统、燃料电池系统、尾气收集系统、热泵系统、水箱以及用户用水系统；

所述水循环系统，用于提供冷却水，通过冷却水换热对燃料电池系统发电过程产生的热能进行吸收，得到热水；

所述水箱分别连通水循环系统和用户用水系统；

所述尾气收集系统分别与燃料电池系统的尾气出口以及热泵系统连通，用于收集燃料电池系统产生的尾气，将尾气通入热泵系统；

所述热泵系统还与水箱连通，用于加热水并将加热后的热水通入水箱，以及对水箱中的热水进行加热。

本发明的原理及优点在于：燃料电池系统发电过程中会产生热能，利用水循环系统通过冷却水将燃料电池发电产生的热能进行回收，当吸收热能达到一定程度后，将吸收热能后的热水通入水箱供用户用水系统使用。同时，通过尾气收集系统收集燃料电池系统反应过程中产生的尾气，将尾气通入热泵系统，由于燃料电池系统产生的尾气温度较高，将其通入热泵系统，可提高热泵周边的环境温度，在冬季达到吹霜的目的，使热泵效率系统提高，由热泵系统对冷水进行加热，以及对水箱中降温的热水进行再加热，保证水箱中的热水水温稳定在一个较为合适的温度范围内。

本方案中，从两个方面对燃料电池系统产生的热能进行回收利用，一是利用水循环系统的冷却水换热吸收燃料电池系统发电过程中产生的热能，二是收集燃料电池系统产生的尾气，将尾气的热能用于热泵系统。在冬季时，燃料电池不受温度影响，在发电的同时进行发热，并且与热泵系统配合，弥补热泵供热不足的情况，同时通过尾气的温度提高热泵周围的环境温度，从两个方便提高整个系统的热效率，充分利用燃料电池系统发电过程中产生的热能。并且还可以由燃料电池系统提供电源，确保在停电或电力异常的情况下热泵系统能够运行。

进一步，所述水循环系统包括进水管路、出水管路、循环管路、输出管路以及换热器；

所述换热器包括自来水侧，所述自来水侧包括进水口、出水口和自动排气阀；

所述进水管路的一端连通自来水，进水管路的另一端连通自来水侧的进水口，所述出水管路的一端连通自来水侧的出水口，出水管路的另一端分别连通循环管路和输出管路，所述循环管路的另一端连通进水管路，所述输出管路的另一端连通水箱。

通过开启进水管路将自来水通入水循环系统，利用自来水进行换热，换热时关闭输出管路，使得进水管路、出水管路、循环管路形成内部闭合循环。当自来水吸收热能到一定程度，即达到一定温度后，开启输出管路，将换热后得到的热水通过输出管路输送至水箱存储，以便用户用水系统对水箱中的热水进行使用。

进一步，所述进水管路上设有第一电磁阀，所述循环管路上设有第一水泵，所述输出管路上设有第二电磁阀。

通过第一电磁阀控制进水管路的开启，第一水泵提供水循环的动力，通过第二电磁阀控制输出管理的开启。

进一步，所述进水管路上还设有过滤器和水处理装置。

通过过滤器和水处理装置对自来水进行预处理，去除大颗粒杂质等，防止结垢。

进一步，所述热泵系统包括空气源热泵和系统通风管道，所述燃料电池系统包括反应电堆；

所述尾气收集系统包括尾气收集管，所述尾气收集管的一端与燃料电池系统的电堆出气口连通，尾气收集管的另一端与系统通风管道连通，系统通风管道还与空气热源泵的进气口连通；

所述空气热源泵分别通过第一管路和第二管路连通水箱，所述第二管路上设有第三水泵。

通过尾气收集管收集反应电堆产生的尾气，输送给空气热源泵。由于尾气中的氢气含量约为1.5％，因此与热泵系统的系统通风管道的排气相混，降低氢气浓度。空气热源泵通过两个管道连通水箱，能够将水箱中的水抽入空气热源泵进行加热，以及将加热后的水返回至水箱。

进一步，所述空气源热泵还连通有自来水，所述空气热源泵和自来水连通的管路上设有第四电磁阀。

通过将自来水引入空气热源泵进行加热，将加热后的自来水通入水箱，从而实现通过换热以及热泵加热两种方式为水箱提供热水。

进一步，所述尾气收集管上还连通有排气管，排气管的另一端连通大气，所述系统通风管道与尾气排气管连通处之间的尾气收集管上设有第一气阀，所述排气管上设有第二气阀。

通过开启第一气阀，将燃料电池系统产生的尾气通入热泵系统。通过开启第二气阀，将尾气从排气管排出，在混合后氢气含量较高时可以将尾气排出，保障吹霜过程安全可靠。

进一步，还包括反应水箱，所述反应水箱分别与反应电堆以及水箱连通，反应水箱与水箱连通的管路上设有第三电磁阀和第二水泵。

将燃料电池系统反应电堆内部产生的水通入反应水箱，反应水箱将其通入水箱中。

附图说明

图1为本发明一种基于燃料电池和热泵耦合的热电联供系统实施例的逻辑框图；

图2为本发明一种基于燃料电池和热泵耦合的热电联供系统实施例中控制模块在启动阶段的控制模式流程示意图；

图3为本发明一种基于燃料电池和热泵耦合的热电联供系统实施例中控制模块在正常运行阶段的控制模式流程示意图；

图4为本发明一种基于燃料电池和热泵耦合的热电联供系统实施例中控制模块在停机阶段的控制模式流程示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

实施例基本如附图1所示：

一种基于燃料电池和热泵耦合的热电联供系统，包括水循环系统、燃料电池系统、尾气收集系统、热泵系统、水箱以及用户用水系统。

水循环系统包括有进水管路、出水管路、循环管路、输出管路以及换热器，进水管路上设有第一压力表、第一电磁阀、全自动水处理系统、第二压力表以及过滤器，进水管路的一端连通自来水，第一压力表位于进水管路上靠近连通自来水的一端，用于检测进水端的压力，第二压力表位于全自动水处理装置的出口端，用于检测出水端的压力。本实施例中，过滤器优选为Y型过滤器，用于去除自来水中的大颗粒杂质。全自动水处理装置优选为电子阻垢系统，通过电子阻垢系统在进水管路处形成电磁场，对通过电磁场的水及水中的粒子产生影响，进而防止结垢。

换热器包括自来水侧，自来水侧的进水口与进水管路的一端连通，自来水侧的出水口与出水管路连通，出水管路的另一端分别连通循环管路和输出管路，循环管路的另一端连通进水管路，输出管路的另一端连通水箱。通过开启进水管路，关闭输出管路，使得进管路、出水管路以及循环管路形成闭环，自来水通入水循环系统，在换热器中进行换热到一定程度后，开启输出管路，将换热后得到的热水通入水箱，换热器在自来水侧设置还自动排气阀，当自来水向换热系统补充水时，自动排气阀可自动排除换热器及相关管道中的空气。

具体的，还包括控制模块，用于对系统的各个运行阶段进行控制，控制模块包括数据获取模块和调控模块；

数据获取模块，用于获取监测设备的监测数据；

调控模块，用于根据监测数据控制调控设备。

在启动阶段，监测设备包括出水管路上的第二温度表和第三压力表，调控设备包括设于进水管路的第一电磁阀、设于输出管路上的第二电磁阀、以及设于循环管路上的第一水泵。在燃料电池系统的启动过程阶段，控制模块的控制模式如图2所示，启动后，关闭第二电磁阀，开启第一电磁阀，此时进水管路开通，输出管路闭合，向水循环系统中补水排气，换热器、出水管道、循环管道，形成闭合式水循环。控制模块的控制模式为，根据第三压力表检测到的压力对第一电磁阀和第二电磁阀的开闭进行控制，具体的，当第三压力表检测到的压力低于0.19MPa时，控制模块控制第一电磁阀开启，对水循环系统补压至0.19MPa后关闭第一电磁阀。当第三压力表检测到的压力高于0.21MPa时，开启第二电磁阀泄压至0.21MPa后关闭。当检测到的压力在0.19MPa-0.21MPa之间时，启动第一水泵，提供水循环的动力，第一水泵设定50％的运行功率进行运行，运行时间为2分钟，使自来水在水循环系统中循环换热。之后开启燃料电池系统，设定燃料电池系统的运行功率为20％。

监测设备还包括设于进水管路上的第一温度计，控制模块还用于根据第一温度计检测到的温度控制第一电磁阀的启闭，具体的当第一温度计检测到的温度达到44℃时，缓慢开启第一电磁阀，设定开度为10％，继续向水循环系统中缓慢通入低温的自来水，此时水循环系统中的压力升高，当第三压力表检测到的压力高于0.21MPa后，通过开启第二电磁阀对水循环系统进行泄压，向水箱中补充热水，当第二温度计检测到换热后的自来水温度达到65℃后，启动过程阶段结束。

本实施例中第一水泵为变频泵，控制模块还用于根据第一温度计检测到的温度控制第一水泵的频率，通过将水循环系统出水管路中的高温水与进水管路中的低温自来水进行混合，保证在水温度达到45℃时进入换热器。因此第一温度计检测到的温度在44-46℃，第一水泵频率不变，低于44℃时，第一水泵频率增加，高于46℃时，第一水泵频率减少。

启动阶段结束后进入正常运行阶段，即功率调节阶段，该阶段控制模块的控制模式如图3所示，控制模块根据第二温度计检测到的温度控制第一电磁阀的启闭，当第二温度计检测到的温度低于64℃时，控制模块缓慢减小第一电磁阀的开度，减少进入水循环系统中的自来水量，从而提高进入水箱中的热水水温，当第二温度计检测到的温度高于66℃时，缓慢增加第一电磁阀的开度，提高通入低温的自来水的量，使进入水箱的热水水温维持在64-66℃之间，其余的控制模式不变。同时还在水箱中设置液位传感器，当水箱中的液位达到80％时，进入停机阶段。

停机阶段的控制模式如图4所示，此时水箱中的热水水量达到一定程度，燃料电池系统停止运行，水循环系统继续运行，将第一电磁阀的开度调至10％，第二电磁阀的控制模式不变每当第二温度计检测到温度小于等于45℃后，关闭第一电磁阀，继续运行30s后关闭第一水泵，其余控制模式不变。

通过在燃料电池系统启动、运行及停机过程中，其热能回收做到全自动运行，并且可以实现跟随发电功率调节，产生的生活热水稳定在65℃。

热泵系统包括空气源热泵，燃料电池系统包括反应电堆。尾气收集系统包括尾气收集管，尾气收集管的一端与燃料电池系统的电堆出气口连通，尾气收集管的另一端与系统通风管道连通，系统通风管道还与空气热源泵的进气口连通。尾气收集管上还连通有排气管，空气热源泵和尾气排气管连通处之间的尾气收集管上设有第一气阀，所述排气管上设有第二气阀，本实施例中第一气阀和第二气阀均为蝶阀。

具体的，进入燃料电池系统的空气分为两部分，一部分为系统通风，一部分为进入燃料电池系统中参与反应的控制，系统通风排出的空气与空气源热泵进气口相连，当冬天温度低的时候起到对热泵吹霜的目的，由于通风系统携带的热能不高，而参与反应后的尾气可达70℃，通过将尾气排放进行通风系统排气中，提高通风排气温度，达到对空气源热泵吹风的目的，提高空气源热泵附近的环境温度。并且由于尾气排放还有1.5％左右的氢气，通过通风系统排序相混合，降低氢气浓度，系统通风排气低于50％时，第二排气阀开启，第一气阀关闭，当气量高于50％时，第一气阀开启，第二气阀关闭。同时，空气源热泵中的风机和压缩机采用防爆设计，热泵顶部无气体聚集，避免异常情况发送。

空气热源泵分别通过第一管路和第二管路连通水箱，调控设备还包括设置在第二管路上的第三水泵。空气源热泵还连通有自来水，调控设备还包括设置在空气热源泵和自来水连通的管路上的第四电磁阀。本实施例中，空气源热泵具有两个功能，一是加热自来水，二是加热水箱中的水，开启第四电磁阀后，自来水进入空气热源泵，通过空气热源泵对自来水进行加热，升温至65℃后没进入水箱。若是水箱中的水温低于50℃，这开启第三水泵，将水箱中的水抽入空气源热泵，对其进行加热至65℃后再通入水箱，保证水箱中的温度稳定在50℃以上。

还包括反应水箱，所述反应水箱分别与反应电堆以及水箱连通，调控设备还包括设于反应水箱与水箱连通的管路上的第三电磁阀和第二水泵。监测设备还包括设于反应水箱中的液位传感器，控制模块还根据反应水箱的液位控制第三电磁阀和第二水泵。具体的，当反应水箱中的液位达到70％时，第三电磁阀开启，5秒后第二水泵运行，当反应水箱中的液位低于20％时，第二水泵停止运行，5秒后第三电磁阀关闭。通过反应水箱收集电堆内部反应产生的水，并添加至水箱中。

以上的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (8)

1.一种基于燃料电池和热泵耦合的热电联供系统，其特征在于：包括水循环系统、燃料电池系统、尾气收集系统、热泵系统、水箱以及用户用水系统；

所述水循环系统，用于提供冷却水，通过冷却水换热对燃料电池系统发电过程产生的热能进行吸收，得到热水；

所述水箱分别连通水循环系统和用户用水系统；

所述尾气收集系统分别与燃料电池系统的尾气出口以及热泵系统连通，用于收集燃料电池系统产生的尾气，将尾气通入热泵系统；

所述热泵系统还与水箱连通，用于加热水并将加热后的热水通入水箱，以及对水箱中的热水进行加热。

2.根据权利要求1所述的一种基于燃料电池和热泵耦合的热电联供系统，其特征在于：所述水循环系统包括进水管路、出水管路、循环管路、输出管路以及换热器；

所述换热器包括自来水侧，所述自来水侧包括进水口、出水口和自动排气阀；

所述进水管路的一端连通自来水，进水管路的另一端连通自来水侧的进水口，所述出水管路的一端连通自来水侧的出水口，出水管路的另一端分别连通循环管路和输出管路，所述循环管路的另一端连通进水管路，所述输出管路的另一端连通水箱。

3.根据权利要求2所述的一种基于燃料电池和热泵耦合的热电联供系统，其特征在于：所述进水管路上设有第一电磁阀，所述循环管路上设有第一水泵，所述输出管路上设有第二电磁阀。

4.根据权利要求3所述的一种基于燃料电池和热泵耦合的热电联供系统，其特征在于：所述进水管路上还设有过滤器和水处理装置。

5.根据权利要求1所述的一种基于燃料电池和热泵耦合的热电联供系统，其特征在于：所述热泵系统包括空气源热泵，还包括系统通风管道，所述燃料电池系统包括反应电堆；

所述尾气收集系统包括尾气收集管，所述尾气收集管的一端与燃料电池系统的电堆出气口连通，尾气收集管的另一端与系统通风管道连通，系统通风管道还与空气热源泵的进气口连通；

所述空气热源泵分别通过第一管路和第二管路连通水箱，所述第二管路上设有第三水泵。

6.根据权利要求5所述的一种基于燃料电池和热泵耦合的热电联供系统，其特征在于：所述空气源热泵还连通有自来水，所述空气热源泵和自来水连通的管路上设有第四电磁阀。

7.根据权利要求6所述的一种基于燃料电池和热泵耦合的热电联供系统，其特征在于：所述尾气收集管上还连通有排气管，排气管的另一端连通大气，所述系统通风管道与尾气排气管连通处之间的尾气收集管上设有第一气阀，所述排气管上设有第二气阀。

8.根据权利要求5所述的一种基于燃料电池和热泵耦合的热电联供系统，其特征在于：还包括反应水箱，所述反应水箱分别与反应电堆以及水箱连通，反应水箱与水箱连通的管路上设有第三电磁阀和第二水泵。

Images