CN215832222U - 一种基于质子交换膜燃料电池的冷热电联供系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于质子交换膜燃料电池的冷热电联供系统，包括质子交换膜燃料电池堆、供电模块、空气进气管路、氢气进气管路和冷却液管路，所述供电模块、空气进气管路、氢气进气管路和冷却液管路均与质子交换膜燃料电池堆连接；所述冷却液管路包括出液管、供热水支管、供暖支管、供冷支管和回液管，所述供热水支管、供暖支管和供冷支管并联设置在出液管的出口和回液管的进口之间，出液管的进口和回液管的出口均与质子交换膜燃料电池堆连接。本实用新型的基于质子交换膜燃料电池的冷热电联供系统，可满足建筑的冷热电需求。

Description

一种基于质子交换膜燃料电池的冷热电联供系统

技术领域

本实用新型属于分布式能源技术领域，具体涉及一种基于质子交换膜燃料电池的冷热电联供系统。

背景技术

目前我国能源消费仍以煤为主，2020年非化石能源消费比重不足16％。为了实现我国2030年前实现“碳达峰”和2060年前实现“碳中和”的目标，应坚持节能优先，实施可再生能源替代行动，提升储能和调峰能力，构建以新能源为主体的能源体系。

氢气的能量密度高、热值高，燃烧产物仅为水，在将来替代化石燃料上具有极大的优势。与传统的火力发电相比，燃料电池具有负荷响应性好、可靠度高等优点。

氢燃料电池供能系统不仅可为用户提供电能，还可对废热进行回收利用，用于供热或驱动吸收式制冷机，系统总体能源利用效率可达85％以上。在特殊情况下，燃料电池供能系统可完全脱离电网独立运行，满足建筑的冷、热、电需求。质子交换膜燃料电池系统具有功率密度高，启动快，工作温度适中等优势，尤其适用于医院等对电力依赖程度高的建筑。

中国专利CN107819139B公开了一种基于可再生燃料电池/膨胀机混合循环的冷热电联供系统，采用可再生能源设备、化学储能设备和燃料电池联合供电。其中，燃料电池的氧气输出端与膨胀机连接，用于提供冷空气；燃料电池和电解池内部的冷却管路与供热换热器连接，用于供热。但是该系统存在以下问题： (1)没有考虑氧气和氢气的进气加湿要求，影响燃料电池内的化学反应速率及电堆寿命；(2)通常夏季的供热需求少而供冷需求多，但该技术供热多而供冷少，造成供需不匹配。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种基于质子交换膜燃料电池的冷热电联供系统，可满足建筑的冷热电需求。

为解决上述技术问题，本实用新型实施例提供一种基于质子交换膜燃料电池的冷热电联供系统，包括质子交换膜燃料电池堆、供电模块、空气进气管路、氢气进气管路和冷却液管路，所述供电模块、空气进气管路、氢气进气管路和冷却液管路均与质子交换膜燃料电池堆连接；所述冷却液管路包括出液管、供热水支管、供冷支管、供暖支管和回液管，所述供热水支管、供冷支管和供暖支管并联设置在出液管的出口和回液管的进口之间，出液管的进口和回液管的出口均与质子交换膜燃料电池堆连接。

作为本实用新型实施例的进一步改进，所述回液管上设有风冷式散热器和第二温度传感器，所述风冷式散热器位于回液管的进口处，所述第二温度传感器位于回液管的出口处，所述风冷式散热器和第二温度传感器通过温度控制器连接。

作为本实用新型实施例的进一步改进，所述空气进气管路包括空气过滤器、空压机、第一中冷器、第一电动阀和第一加湿器，空气过滤器的出口与空压机的进口连接，空压机的出口分别与第一电动阀的进口和第一中冷器的进口连接，第一电动阀的出口和第一中冷器的出口均与第一加湿器的进气口连接，第一加湿器的出口与质子交换膜燃料电池堆连接；所述冷热电联供系统还包括空气排气管路，空气排气管路包括第一气液分离器，第一气液分离器的进口与质子交换膜燃料电池堆连接，第一气液分离器的出液口与第一加湿器的进水口连接。

作为本实用新型实施例的进一步改进，所述氢气进气管路包括压缩机、第二中冷器、第二电动阀、引射器和第二加湿器，压缩机的出口分别与第二中冷器的进口和第二电动阀的进口连接，第二中冷器的出口和第二电动阀的出口均与引射器的进口连接，引射器的出口与第二加湿器的进气口连接，第二加湿器的出口与质子交换膜燃料电池堆连接；所述冷热电联供系统还包括氢气排气管路，氢气排气管路包括第二气液分离器，第二气液分离器的进口与质子交换膜燃料电池堆连接，第二气液分离器的出液口与第二加湿器的进水口连接，第二气液分离器的出气口与引射器的进口连接。

作为本实用新型实施例的进一步改进，还包括储电模块，储电模块分别与质子交换膜燃料电池堆和供电模块连接。

作为本实用新型实施例的进一步改进，所述供热水支管包括第一阀门和供热水换热器，出液管的出口与第一阀门的进口连接，第一阀门的出口与供热水换热器的进口连接，供热水换热器的出口与回液管的进口连接；供冷支管包括第二阀门和吸收式制冷机，出液管的出口与第二阀门的进口连接，第二阀门的出口与吸收式制冷机的进口连接，吸收式制冷机的出口与回液管的进口连接；供暖支管包括第三阀门和供热换热器，出液管的出口与第三阀门的进口连接，第三阀门的出口与供热换热器的进口连接，供热换热器的出口与回液管的进口连接。

本实用新型实施例提供的基于质子交换膜燃料电池的冷热电联供系统，空气进气管路和氢气进气管路分别为质子交换膜燃料电池堆输入空气和氢气，质子交换膜燃料电池堆发生化学反应产生电能，输出给供电模块进行供电；质子交换膜燃料电池堆发生化学反应产生的热量，通过冷却液吸收输出给冷却液管路，根据用户需求，选择冷却液进入供热水支管、供暖支管或供冷支管，分别用于满足供热水需求、供暖需求和供冷需求，释放热量后的冷却液又流回质子交换膜燃料电池堆吸收热量，循环利用。本实用新型实施例的基于质子交换膜燃料电池的冷热电联供系统，为建筑提供电、冷、热和生活热水，能源综合利用效率高，可实现建筑能源自供给。

附图说明

图1是本实用新型实施例的基于质子交换膜燃料电池的冷热电联供系统的结构示意图。

图中有：

1-质子交换膜燃料电池堆；

2-供电模块；201-直流-交流转换器；202-供电母线；

3-储电模块；301-直流-直流转换器；302-蓄电池；

4-空气进气管路；401-空气过滤器；402-空压机；403-第一中冷器；404- 第一电动阀；405-第一加湿器；

5-空气排气管路；501-第一气液分离器；

6-氢气进气管路；601-压缩机；602-第二中冷器；603-第二电动阀；604- 引射器；605-第二加湿器；

7-氢气排气管路；701-第二气液分离器；

8-冷却液管路；801-出液管；802-供热水支管；803-供冷支管；804-供暖支管；805-回液管；806-第一温度传感器；807-压力传感器；808-供热水换热器；809-第一阀门；8010-吸收式制冷机；8011-第二阀门；8012-供热换热器； 8013-第三阀门；8014-温度控制器；8015-风冷式散热器；8016-过滤器；8017- 冷却泵；8018-膨胀水箱；8019-第二温度传感器。

具体实施方式

下面对本实用新型的技术方案进行详细的说明。

本实用新型实施例提供一种基于质子交换膜燃料电池的冷热电联供系统，如图1所示，包括质子交换膜燃料电池堆1、供电模块2、空气进气管路4、氢气进气管路6和冷却液管路8。供电模块2、空气进气管路4、氢气进气管路6 和冷却液管路8均与质子交换膜燃料电池堆1连接。冷却液管路8包括出液管801、供热水支管802、供冷支管803、供暖支管804和回液管805，供热水支管 802、供冷支管803和供暖支管804并联设置在出液管801的出口和回液管805 的进口之间，出液管801的进口和回液管805的出口均与质子交换膜燃料电池堆1连接。

上述实施例的基于质子交换膜燃料电池的冷热电联供系统，空气进气管路4 和氢气进气管路6分别为质子交换膜燃料电池堆1输入空气和氢气，质子交换膜燃料电池堆1发生化学反应产生电能，输出给供电模块2进行供电。质子交换膜燃料电池堆1发生化学反应产生的热量，通过冷却液吸收输出给冷却液管路8。根据用户需求，选择冷却液进入供热水支管802、供冷支管803或供暖支管804，分别用于满足供热水需求、供冷需求和供暖需求，释放热量后的冷却液又流回质子交换膜燃料电池堆1吸收热量，循环利用。本实用新型实施例的基于质子交换膜燃料电池的冷热电联供系统，为建筑提供电、冷、热和生活热水，能源综合利用效率高，可实现建筑能源自供给。

其中，供电模块2包括直流-交流转换器201和供电母线202，直流-交流转换器201的输入端与质子交换膜燃料电池堆1连接，直流-交流转换器201的输出端与供电母线202连接。直流-交流转换器201将来自质子交换膜燃料电池堆 1产生的电能从直流电转换为交流电传输给供电母线202，用于分配电能。

优选的，回液管805上设有风冷式散热器8015和第二温度传感器8019，风冷式散热器8015位于回液管805的进口处，第二温度传感器8019位于回液管 805的出口处，风冷式散热器8015和第二温度传感器8019通过温度控制器8014 连接。回液管805上还设有过滤器8016、冷却泵8017和膨胀水箱8018，过滤器8016、冷却泵8017和膨胀水箱8018依次设置在风冷式散热器8015和第二温度传感器8019之间。冷却液进入回液管805后，风冷式散热器8015将冷却液进行再次降温，经过滤器8016过滤后，在冷却泵8017的动力下流入质子交换膜燃料电池堆1，膨胀水箱8018用于缓冲冷却液的压力波动。第二温度传感器 8019用于测量回液管805出口处的冷却液的实时温度，并将测量的温度值传输给温度控制器8014，温度控制器8014根据冷却液的温度自动调节风冷式散热器 8015的风机转速，保持进入质子交换膜燃料电池堆1的冷却液的温度在回液入口温度设定范围内。

优选的，空气进气管路4包括空气过滤器401、空压机402、第一中冷器403、第一电动阀404和第一加湿器405，空气过滤器401的出口与空压机402的进口连接，空压机402的出口分别与第一电动阀404的进口和第一中冷器403的进口连接，第一电动阀404的出口和第一中冷器403的出口均与第一加湿器405 的进气口连接，第一加湿器405的出口与质子交换膜燃料电池堆1连接。本实施例的冷热电联供系统还包括空气排气管路5，空气排气管路5包括第一气液分离器501，第一气液分离器501的进口与质子交换膜燃料电池堆1连接，第一气液分离器501的出液口与第一加湿器405的进水口连接。

上述实施例中，空气经空气过滤器401过滤掉杂质后进入空压机402，升压后分为两路：一路通过进气管路进入第一中冷器403，用于对高温空气进行降温；另一路通过旁通管路上的第一电动阀404，第一电动阀404根据质子交换膜燃料电池堆1的阴极进气口温度来调节开度，从而控制空气的进气温度。从第一中冷器403和第一电动阀404出口的空气汇集后进入第一加湿器405，用于增加空气湿度以提高发电效率，最后进入质子交换膜燃料电池堆1的阴极进气口参与反应。质子交换膜燃料电池堆1的阴极排气口排出的乏气进入第一气液分离器 501，分离后的水进入第一加湿器405，为第一加湿器405补充水分，节省水资源，分离后的气体直接排放到大气。

优选的，氢气进气管路6包括压缩机601、第二中冷器602、第二电动阀603、引射器604和第二加湿器605，压缩机601的出口分别与第二中冷器602的进口和第二电动阀603的进口连接，第二中冷器602的出口和第二电动阀603的出口均与引射器604的进口连接，引射器604的出口与第二加湿器605的进气口连接，第二加湿器605的出口与质子交换膜燃料电池堆1连接。本实施例的冷热电联供系统还包括氢气排气管路7，氢气排气管路7包括第二气液分离器701，第二气液分离器701的进口与质子交换膜燃料电池堆1连接，第二气液分离器701的出液口与第二加湿器605的进水口连接，第二气液分离器701的出气口与引射器604的进口连接。

上述实施例中，氢气经压缩机601升压后分为两路：一路通过进气管路进入第二中冷器602，用于对高温氢气进行降温；另一路通过旁通管路上的第二电动阀603，第二电动阀603根据质子交换膜燃料电池堆1的阳极进气口处的温度来调节开度，从而控制氢气的进气温度。从第二中冷器602和第二电动阀603 出口的氢气汇集后进入引射器604，与引射来的低压氢气混合后进入第二加湿器 605，用于增加氢气湿度，最后进入质子交换膜燃料电池堆1的阳极进气口参与反应。质子交换膜燃料电池堆1的阳极排气口排出的未反应氢气进入第二气液分离器701，分离后的水进入第二加湿器605供其补充水分，分离后的低压氢气进入引射器604，与高压氢气混合再次参与反应，节省水资源和氢气资源。

优选的，本实施例的基于质子交换膜燃料电池的冷热电联供系统还包括储电模块3，储电模块3分别与质子交换膜燃料电池堆1和供电模块2连接。蓄电池302处于充电状态时，直流-直流转换器301将来自质子交换膜燃料电池堆1 产生的电能进行电压变换和稳定输出，传输给蓄电池302储存起来。蓄电池302 处于放电状态时，直流-直流转换器301将来自蓄电池302的稳定电压传输给供电模块2。

优选的，出液管801上设有第一温度传感器806和压力传感器807，分别用于监测从质子交换膜燃料电池堆1流出的冷却液的温度和压力。

供热水支管802包括第一阀门809和供热水换热器808，出液管801的出口与第一阀门809的进口连接，第一阀门809的出口与供热水换热器808的进口连接，供热水换热器808的出口与回液管805的进口连接。供热水换热器808 用于吸收冷却液的热量，为用户提供生活热水。

供冷支管803包括第二阀门8011和吸收式制冷机8010，出液管801的出口与第二阀门8011的进口连接，第二阀门8011的出口与吸收式制冷机8010的进口连接，吸收式制冷机8010的出口与回液管805的进口连接。吸收式制冷机8010 通过吸收冷却液的余热为建筑提供冷量。

供暖支管804包括第三阀门8013和供热换热器8012，出液管801的出口与第三阀门8013的进口连接，第三阀门8013的出口与供热换热器8012的进口连接，供热换热器8012的出口与回液管805的进口连接。供热换热器8012用于吸收冷却液的热量，为用户提供采暖热水。

上述优选实施例的基于质子交换膜燃料电池的冷热电联供系统的工作流程如下：

空气经空压机402升压之后进入质子交换膜燃料电池堆1，氢气经压缩机 601升压之后进入质子交换膜燃料电池堆1，发生化学反应产生电能。当质子交换膜燃料电池堆1在功率设定值运行所产生的电能大于实时用电负荷时，优先通过直流-交流转换器201供给供电母线202分配，剩余电能通过直流-直流转换器301传输给蓄电池302，此时蓄电池302处于充电状态，将剩余的电能储存。当质子交换膜燃料电池堆1在功率设定值运行所产生的电能小于实时用电负荷时，产生的电能全部通过直流-交流转换器201供给供电母线202分配，此时蓄电池302处于放电状态，放出的电能通过直流-直流转换器301和直流-交流转换器201供给供电母线202，承担剩余的用电负荷。

空气和氢气发生化学反应的同时会放出大量的热量，这部分余热通过冷却液管路8被高效利用。

当用户有生活热水需求时，开启第一阀门809。冷却液通过供热水换热器 808，将热量传递给供热水换热器808内待加热的水，用于满足生活热水需求。

当用户有供冷需求时，开启第二阀门8011。冷却液流出质子交换膜燃料电池堆1，进入吸收式制冷机8010，作为吸收式制冷机8010的驱动热源，吸收式制冷机8010产生的冷量用于满足建筑的供冷需求。

当用户有供热需求时，开启第三阀门8013，冷却液通过供热换热器8012，将热量传递给供热换热器8012内待加热的水，用于满足建筑的供热需求。

当第二温度传感器8019检测的实时温度超出回液入口温度设定范围时，实时温度值变换为电信号被输送至温度控制器8014，温度控制器8014调节风冷式散热器8015的风机转速，改变散热量。冷却液通过风冷式散热器8015进一步降低温度后，经过滤器8016过滤掉杂质，由冷却泵8017提供动力，重新流入质子交换膜燃料电池堆1吸收热量。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本实用新型不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种基于质子交换膜燃料电池的冷热电联供系统，其特征在于，包括质子交换膜燃料电池堆(1)、供电模块(2)、空气进气管路(4)、氢气进气管路(6)和冷却液管路(8)，所述供电模块(2)、空气进气管路(4)、氢气进气管路(6)和冷却液管路(8)均与质子交换膜燃料电池堆(1)连接；所述冷却液管路(8)包括出液管(801)、供热水支管(802)、供冷支管(803)、供暖支管(804)和回液管(805)，所述供热水支管(802)、供冷支管(803)和供暖支管(804)并联设置在出液管(801)的出口和回液管(805)的进口之间，出液管(801)的进口和回液管(805)的出口均与质子交换膜燃料电池堆(1)连接。

2.根据权利要求1所述的基于质子交换膜燃料电池的冷热电联供系统，其特征在于，所述回液管(805)上设有风冷式散热器(8015)和第二温度传感器(8019)，所述风冷式散热器(8015)位于回液管(805)的进口处，所述第二温度传感器(8019)位于回液管(805)的出口处，所述风冷式散热器(8015)和第二温度传感器(8019)通过温度控制器(8014)连接。

3.根据权利要求1所述的基于质子交换膜燃料电池的冷热电联供系统，其特征在于，所述空气进气管路(4)包括空气过滤器(401)、空压机(402)、第一中冷器(403)、第一电动阀(404)和第一加湿器(405)，空气过滤器(401)的出口与空压机(402)的进口连接，空压机(402)的出口分别与第一电动阀(404)的进口和第一中冷器(403)的进口连接，第一电动阀(404)的出口和第一中冷器(403)的出口均与第一加湿器(405)的进气口连接，第一加湿器(405)的出口与质子交换膜燃料电池堆(1)连接；所述冷热电联供系统还包括空气排气管路(5)，空气排气管路(5)包括第一气液分离器(501)，第一气液分离器(501)的进口与质子交换膜燃料电池堆(1)连接，第一气液分离器(501)的出液口与第一加湿器(405)的进水口连接。

4.根据权利要求1所述的基于质子交换膜燃料电池的冷热电联供系统，其特征在于，所述氢气进气管路(6)包括压缩机(601)、第二中冷器(602)、第二电动阀(603)、引射器(604)和第二加湿器(605)，压缩机(601)的出口分别与第二中冷器(602)的进口和第二电动阀(603)的进口连接，第二中冷器(602)的出口和第二电动阀(603)的出口均与引射器(604)的进口连接，引射器(604)的出口与第二加湿器(605)的进气口连接，第二加湿器(605)的出口与质子交换膜燃料电池堆(1)连接；所述冷热电联供系统还包括氢气排气管路(7)，氢气排气管路(7)包括第二气液分离器(701)，第二气液分离器(701)的进口与质子交换膜燃料电池堆(1)连接，第二气液分离器(701)的出液口与第二加湿器(605)的进水口连接，第二气液分离器(701)的出气口与引射器(604)的进口连接。

5.根据权利要求1所述的基于质子交换膜燃料电池的冷热电联供系统，其特征在于，还包括储电模块(3)，储电模块(3)分别与质子交换膜燃料电池堆(1)和供电模块(2)连接。

6.根据权利要求1所述的基于质子交换膜燃料电池的冷热电联供系统，其特征在于，所述供热水支管(802)包括第一阀门(809)和供热水换热器(808)，出液管(801)的出口与第一阀门(809)的进口连接，第一阀门(809)的出口与供热水换热器(808)的进口连接，供热水换热器(808)的出口与回液管(805)的进口连接；供冷支管(803)包括第二阀门(8011)和吸收式制冷机(8010)，出液管(801)的出口与第二阀门(8011)的进口连接，第二阀门(8011)的出口与吸收式制冷机(8010)的进口连接，吸收式制冷机(8010)的出口与回液管(805)的进口连接；供暖支管(804)包括第三阀门(8013)和供热换热器(8012)，出液管(801)的出口与第三阀门(8013)的进口连接，第三阀门(8013)的出口与供热换热器(8012)的进口连接，供热换热器(8012)的出口与回液管(805)的进口连接。

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