CN117393816B - 一种燃料电池热电联供装置及供热方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池热电联供装置及供热方法，包括：热电用户端、电解组件、燃料电池组件及热泵组件，电解组件用于电解产生氢气，并产生余热，燃料电池组件与电解组件相连接，用于将电解组件供给的氢气转化为电能，并产生余热，热泵组件包括热泵，热泵连接于热电用户端，并与电解组件和燃料电池组件均相连接，用于收集电解组件和燃料电池组件所产生的余热使其转换为热能，并将转化后的热能提供至热电用户端。本发明能解决因冷却塔或空冷导致能量散发到环境中，所导致能量浪费的问题。

Description

一种燃料电池热电联供装置及供热方法
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池热电联供装置及供热方法。
背景技术
随着氢能产业的发展，基于燃料电池技术的氢能热电联供日益受到产业的关注。将热电联产与建筑相结合，使建筑的热电需求由现场的燃料电池热电联供装置提供，这种系统与传统集中式供能相比，避免了远距离传输和分配的损失，同时通过有效利用燃料电池发电过程中产生的余热，为建筑提供热能，从而提高能源的利用率，综合利用率可达80%。对传统集中式电网供能来说，是一种削峰填谷、节能环保、稳定电价、供电安全的有效解决方案。例如申请号为：CN202222813021.8的中国实用新型专利，名称为：氢燃料电池热电联供系统。
通常，水电解槽的效率一般约60%，燃料电池的效率一般约50%，根据应用领域一般采用循环水冷却，然后通过冷却塔将热量散发到环境，或直接采用空气冷却将热量散发到环境，从而会有能量的浪费。
因此，亟需一种燃料电池热电联供装置及供热方法，用于解决现有技术中因冷却塔或空冷导致能量散发到环境中，所导致能量浪费的问题。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种燃料电池热电联供装置及供热方法，解决现有技术中因冷却塔或空冷导致能量散发到环境中，所导致能量浪费的技术问题。
为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种燃料电池热电联供装置，包括：
热电用户端；
电解组件，所述电解组件用于电解产生氢气，并产生余热；
燃料电池组件，所述燃料电池组件与所述电解组件相连接，用于将所述电解组件供给的氢气转化为电能，并产生余热；
热泵组件，包括热泵，所述热泵连接于热电用户端，并与所述电解组件和燃料电池组件均相连接，用于收集所述电解组件和燃料电池组件所产生的余热使其转换为热能，并将转化后的热能提供至所述热电用户端。
进一步的，所述电解组件包括电解槽、第一汽水分离器、第二汽水分离器、第一储气件及第二储气件，所述第一汽水分离器与所述第二汽水分离器间隔设置，并与所述电解槽均相连接，用于分别分离产物中的氢气和氧气，所述第一储气件的进气端与所述第一汽水分离器的出气端相连通，用于储存氢气，所述第二储气件的进气端与所述第二汽水分离器的出气端相连通，用于储存氧气。
进一步的，所述电解组件还包括第一水箱、第一水泵、第一换热器及第二换热器，所述第一水泵连接于所述第一水箱，所述第一换热器经所述第一水箱和第一水泵与所述第一汽水分离器相连接，所述第二换热器经所述第一水箱和第一水泵与所述第二汽水分离器相连接。
进一步的，所述热泵组件还包括第一换热件，所述第一换热件包括第二水箱和第二水泵，所述第二水泵连接于所述第二水箱，所述热泵经所述第二水箱和第二水泵与所述第一换热器和第二换热器均相连接。
进一步的，所述第二水箱与所述热电用户端相连接，用于向所述热电用户端提供热水。
进一步的，所述燃料电池组件包括燃料电池发电模块、第三水箱、第三水泵及第三换热器，所述燃料电池发电模块的进气端与所述第一储气件的出气端相连通，所述第三水泵连接于所述第三水箱，所述第三换热器经所述第三水泵和第三水箱连接于所述燃料电池发电模块。
进一步的，所述热泵组件还包括第二换热件，所述第二换热件包括第四水箱和第四水泵，所述第四水泵连接于所述第四水箱，所述热泵经所述第四水箱和第四水泵与所述第三换热器相连接。
进一步的，所述第四水箱与所述热电用户端相连接，用于向所述热电用户端提供热水。
进一步的，所述热泵组件还包括第三换热件，所述第三换热件包括第五水箱和第五水泵，所述第五水箱与所述热泵相连接，并连接于所述热电用户端，所述第五水泵连接于所述第五水箱，用于向所述热电用户端提供热水。
本发明的技术方案还提供一种燃料电池热电联供供热方法，其运用如上述中任一项所述燃料电池热电联供装置，包括如下步骤：
首先向电解槽提供水，并通过外部电源向电解槽供电；
开启第一水泵，将第一汽水分离器和第二汽水分离器内的热量转换至第一转换器和第二转换器内；
向燃料电池发电模块内提供第一储气件内储存的氢气，燃料电池发电模块利用电化学的方式将氢气中的内能转化为电能，并产生余热；
开启第二水泵，将燃料电池发电模块内的热量转换至第三转换器内；
开启向第二水泵和第四水泵，并向第二水箱和第四水箱内补水，热泵将第一换热器、第二换热器及第三换热器内余热转换为热能；
开启向第五水泵，并向第五水箱内补充，热泵向热电用户端提供热能。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：利用电解组件在电解过程中产生的氢气，并且在电解过程中会产生被散发到环境中的余热，燃料电池组件将电解组件供给的氢气转化为电能，并产生被散发到环境中的余热，热泵连接于热电用户端，并与电解组件和燃料电池组件均相连接，通过将上述两者产生的余热进行转化并形成热能提供至热电用户端。相较于现有技术，通过热泵将电解过程中散发至环境中的余热和氢气电化学反应过程中散发至环境中的余热进行转化，将余热能量进行利用，并形成的热能提供至热电用户端，供热电用户端的使用，形成阶梯式供热和对外稳定、高品质的热电联供，能解决现有技术中因冷却塔或空冷导致能量散发到环境中，所导致能量浪费的技术问题。
附图说明
图1是本发明实施例所提供的一种燃料电池热电联供热装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
请参阅图1，本发明提供了一种燃料电池热电联供装置，包括：热电用户端1、电解组件2、燃料电池组件3及热泵组件4，电解组件2用于电解产生氢气，并产生余热，燃料电池组件3与电解组件2相连接，用于将电解组件2供给的氢气转化为电能，并产生余热，热泵组件4包括热泵41，热泵41连接于热电用户端1，并与电解组件2和燃料电池组件3均相连接，用于收集电解组件2和燃料电池组件3所产生的余热使其转换为热能，并将转化后的热能提供至热电用户端1。
本装置中，利用电解组件2在电解过程中产生的氢气，并且在电解过程中会产生被散发到环境中的余热，燃料电池组件3将电解组件2供给的氢气转化为电能，并产生被散发到环境中的余热，热泵41连接于热电用户端1，并与电解组件2和燃料电池组件3均相连接，通过将上述两者产生的余热进行转化并形成热能提供至热电用户端1。
相较于现有技术，通过热泵41将电解过程中散发至环境中的余热和氢气电化学反应过程中散发至环境中的余热进行转化，将余热能量进行利用，并形成的热能提供至热电用户端1，供热电用户端1的使用，形成阶梯式供热和对外稳定、高品质的热电联供，能解决现有技术中因冷却塔或空冷导致能量散发到环境中，所导致能量浪费的技术问题。
进一步地，本装置中热电用户端1为建筑，通过热电联供为建筑提供热能，同时热泵41为市场上常见且易采购的设备，此处热电用户端1和热泵41为本领域技术人员所公知的常规设置，不再过多赘述。
如图1所示，电解组件2包括电解槽21、第一汽水分离器22、第二汽水分离器23、第一储气件24及第二储气件25，第一水箱26、第一水泵27、第一换热器28及第二换热器29。
其中，第一汽水分离器22与第二汽水分离器23间隔设置，并与电解槽21均相连接，用于分别分离产物中的氢气和氧气，第一储气件24的进气端与第一汽水分离器22的出气端相连通，用于储存氢气，第二储气件25的进气端与第二汽水分离器23的出气端相连通，用于储存氧气。
第一汽水分离器22与第二汽水分离器23分别用于将电解过程中产生的含水氢气和含水氧气进行收集和分离，并利用第一储气件24及第二储气件25分别对氢气和氧气进行储存。
进一步地，此处第一储气件24及第二储气件25为市场上常见且易采购的气瓶组，此处为本领域技术人员所公知的常规设置，不再过多赘述。
其中作为一种实施方式，如图1所示，第一水泵27连接于第一水箱26，第一换热器28经第一水箱26和第一水泵27与第一汽水分离器22相连接，第二换热器29经第一水箱26和第一水泵27与第二汽水分离器23相连接。
第一换热器28和第二换热器29的作用是分别将第一汽水分离器22与第二汽水分离器23内的余热进行交换。
进一步地，此处第一换热器28及第二换热器29为市场上常见且易采购的设备，此处为本领域技术人员所公知的常规设置，不再过多赘述。
如图1所示，燃料电池组件3包括燃料电池发电模块31、第三水箱32、第三水泵33及第三换热器34，燃料电池发电模块31的进气端与第一储气件24的出气端相连通，第三水泵33连接于第三水箱32，第三换热器34经第三水泵33和第三水箱32连接于燃料电池发电模块31。
第三换热器34的作用是用于将氢气在燃料电池发电模块31被电化学反应转化为电能过程中产生的余热进行交换。
进一步地，此处燃料电池发电模块31、第三换热器34为市场上常见且易采购的设备，此处为本领域技术人员所公知的常规设置，不再过多赘述。
如图1所示，热泵组件4还包括第一换热件42，第二换热件43，及第三换热件44。
其中，第一换热件42包括第二水箱421和第二水泵422，第二水泵422连接于第二水箱421，热泵41经第二水箱421和第二水泵422与第一换热器28和第二换热器29均相连接。
第二水箱421和第二水泵422用于将第一换热器28和第二换热器29中的热水替换，并向第一换热器28和第二换热器29内补充新的水。
其中作为一种实施方式，如图1所示，第二水箱421与热电用户端1相连接，用于向热电用户端1提供热水。
第二水箱421内的热水与热电用户端1相连接，用于供给热电用户端1。
其中作为另一种实施方式，如图1所示，第二换热件43包括第四水箱431和第四水泵432，第四水泵432连接于第四水箱431，热泵41经第四水箱431和第四水泵432与第三换热器34相连接。
第四水箱431和第四水泵432用于将第三换热器34的热水替换，并向第三换热器34内补充新的水。
其中作为另一种实施方式，如图1所示，第四水箱431与热电用户端1相连接，用于向热电用户端1提供热水。
第四水箱431内的热水与热电用户端1相连接，用于供给热电用户端1。
其中作为另一种实施方式，如图1所示，第三换热件44包括第五水箱441和第五水泵442，第五水箱441与热泵41相连接，并连接于热电用户端1，第五水泵442连接于第五水箱441，用于向热电用户端1提供热水。
第五水箱441和第五水泵442用于将第四水箱431和第二水箱421内的热水替换，并向第四水箱431和第二水箱421内补充新的水，且第五水箱441内的热水与热电用户端1相连接，用于供给热电用户端1。
本发明还提供了一种燃料电池热电联供供热方法，其运用上述中任一项燃料电池热电联供装置，包括如下步骤：
首先向电解槽21提供水，并通过外部电源向电解槽21供电；开启第一水泵27，将第一汽水分离器22和第二汽水分离器23内的热量转换至第一转换器和第二转换器内；向燃料电池发电模块31内提供第一储气件24内储存的氢气，并利用电化学的方式将氢气的内能转化为电能；开启第二水泵422，将燃料电池发电模块31内的热量转换至第三转换器内；开启向第二水泵422和第四水泵432，并向第二水箱421和第四水箱431内补水，热泵41将第一换热器28、第二换热器29及第三换热器34内余热转换为热能；开启向第五水泵442，并向第五水箱441内补充，热泵41向热电用户端1提供热能。
本发明的具体工作流程，利用电解组件2在电解过程中产生的氢气，并且在电解过程中会产生被散发到环境中的余热，燃料电池组件3将电解组件2供给的氢气转化为电能，并产生被散发到环境中的余热，热泵41连接于热电用户端1，并与电解组件2和燃料电池组件3均相连接，通过将上述两者产生的余热进行转化并形成热能提供至热电用户端1。相较于现有技术，通过热泵41将电解过程中散发至环境中的余热和氢气电化学反应过程中散发至环境中的余热进行转化，将余热能量进行利用，并形成的热能提供至热电用户端1，供热电用户端1的使用，形成阶梯式供热和对外稳定、高品质的热电联供。
进一步地，电解槽21运行过程会伴随产生大量余热，目前工业用电解槽21均是通过电解液的流动将热量带出，并在气液处理器中冷却。电解过程产生的余热没有回收利用，本装置通过将电解水制氢的余热进行回收，将大大提高能量的利用效率。无论是电解槽21还是燃料电池发电模块31产生的余热品质都不高，通过热泵41将部分余热提高品质，以更高温度的热水形式对外提供，满足用户需求。
本装置通过上述结构，能解决现有技术中因冷却塔或空冷导致能量散发到环境中，所导致能量浪费的技术问题。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种燃料电池热电联供装置，其特征在于，包括：
热电用户端；
电解组件，所述电解组件用于电解产生氢气，并产生余热；
燃料电池组件，所述燃料电池组件与所述电解组件相连接，用于将所述电解组件供给的氢气转化为电能，并产生余热；
热泵组件，包括热泵和第三换热件，所述热泵连接于热电用户端，并与所述电解组件和燃料电池组件均相连接，用于收集所述电解组件和燃料电池组件所产生的余热使其转换为热能，并将转化后的热能提供至所述热电用户端；
其中，所述电解组件包括电解槽、第一汽水分离器、第二汽水分离器、第一储气件、第二储气件、第一水箱、第一水泵、第一换热器及第二换热器，所述第一汽水分离器与所述第二汽水分离器间隔设置，并与所述电解槽均相连接，用于分别分离产物中的氢气和氧气，所述第一储气件的进气端与所述第一汽水分离器的出气端相连通，用于储存氢气，所述第二储气件的进气端与所述第二汽水分离器的出气端相连通，用于储存氧气，所述第一水泵连接于所述第一水箱，所述第一换热器经所述第一水箱和第一水泵与所述第一汽水分离器相连接，所述第二换热器经所述第一水箱和第一水泵与所述第二汽水分离器相连接；
所述燃料电池组件包括燃料电池发电模块、第三水箱、第三水泵及第三换热器，所述燃料电池发电模块的进气端与所述第一储气件的出气端相连通，所述第三水泵连接于所述第三水箱，所述第三换热器经所述第三水泵和第三水箱连接于所述燃料电池发电模块，所述第三换热件包括第五水箱和第五水泵，所述第五水箱与所述热泵相连接，并连接于所述热电用户端，所述第五水泵连接于所述第五水箱，用于向所述热电用户端提供热水。
2.根据权利要求1所述的燃料电池热电联供装置，其特征在于，所述热泵组件还包括第一换热件，所述第一换热件包括第二水箱和第二水泵，所述第二水泵连接于所述第二水箱，所述热泵经所述第二水箱和第二水泵与所述第一换热器和第二换热器均相连接。
3.根据权利要求2所述的燃料电池热电联供装置，其特征在于，所述第二水箱与所述热电用户端相连接，用于向所述热电用户端提供热水。
4.根据权利要求3所述的燃料电池热电联供装置，其特征在于，所述热泵组件还包括第二换热件，所述第二换热件包括第四水箱和第四水泵，所述第四水泵连接于所述第四水箱，所述热泵经所述第四水箱和第四水泵与所述第三换热器相连接。
5.根据权利要求4所述的燃料电池热电联供装置，其特征在于，所述第四水箱与所述热电用户端相连接，用于向所述热电用户端提供热水。
6.一种燃料电池热电联供供热方法，其特征在于，其运用如权利要求1至5中任一项所述燃料电池热电联供装置，包括如下步骤：
首先向电解槽提供水，并通过外部电源向电解槽供电；
开启第一水泵，将第一汽水分离器和第二汽水分离器内的热量转换至第一转换器和第二转换器内；
向燃料电池发电模块内提供第一储气件内储存的氢气，燃料电池发电模块利用电化学的方式将氢气中的内能转化为电能，并产生余热；
开启第二水泵，将燃料电池发电模块内的热量转换至第三转换器内；
开启向第二水泵和第四水泵，并向第二水箱和第四水箱内补水，热泵将第一换热器、第二换热器及第三换热器内余热转换为热能；
开启向第五水泵，并向第五水箱内补充，热泵向热电用户端提供热能。
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