CN217983416U - 一种热电联供燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种热电联供燃料电池系统，涉及燃料电池技术领域，热电联供燃料电池系统包括：燃料电池电堆；变压装置，其输入端连接于燃料电池的电能输出端，变压装置的输出端用于连接用户或电网；空气系统，用于为燃料电池电堆提供空气，空气系统设置有压缩空气的空压机；氢气系统，用于为燃料电堆提供氢气；冷却系统，用于为燃料电池电堆提供冷却液，冷却液与空气系统中空压机压缩后的空气具有热交换；供热系统，利用燃料电池电堆的尾排热量加热冷介质，以输出热介质。本实用新型提供的热电联供燃料电池系统不仅有效利用了燃料电池电堆的尾排中的热量，还有效利用了空压机压缩后的空气的热量，提高了热电联供燃料电池系统的热量的利用率。

Description

一种热电联供燃料电池系统

技术领域

本实用新型涉及燃料电池技术领域，更具体地说，涉及一种热电联供燃料电池系统。

背景技术

燃料电池是一种既产生电又产生热的装置，因为电的应用更加广泛，目前很多场景下燃料电池以纯电输出为主，并没有利用燃料电池尾排中的热量，但是只输出电会降低燃料电池使用的经济性，造成燃料电池中热量的浪费。

现有技术中存在将燃料电池中尾排的热空气与水箱里冷水进行热交换的方案，以进行余热利用，通常情况下燃料电池系统与居民供水系统不是一个系统，将燃料电池的尾排接入居民供水系统不便于实施。

综上所述，如何提高燃料电池中热量的利用率，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的是提供一种热电联供燃料电池系统，既可以回收燃料电池电堆的尾排热量，又可以回收空压机压缩后的空气的热量，提高了热量的回收利用率。

为了实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种热电联供燃料电池系统，包括：

燃料电池电堆，其内部发生燃料电池的化学反应；

变压装置，其输入端连接于所述燃料电池的电能输出端，所述变压装置的输出端用于连接用户或电网；

空气系统，用于为所述燃料电池电堆提供空气，所述空气系统设置有压缩空气的空压机；

氢气系统，用于为所述燃料电堆提供氢气；

冷却系统，用于为所述燃料电池电堆提供冷却液，所述冷却液与所述空气系统中所述空压机压缩后的空气具有热交换；

供热系统，利用所述燃料电池电堆的反应热和尾排热量加热冷介质，以输出热介质。

可选地，所述冷却系统包括连接于所述燃料电池电堆的水泵、所述水泵连接的第一控制阀，所述水泵、所述第一控制阀以及所述燃料电池电堆内的冷却液流路组成循环回路。

可选地，所述冷却系统还包括连接于所述水泵的输出端的散热器、与所述散热器连接的第二控制阀，所述第二控制阀与所述第一控制阀连接；

所述水泵、所述散热器、所述第二控制阀、所述第一控制阀以及所述燃料电池电堆内的冷却液流路组成散热器回路。

可选地，所述冷却系统还包括连接于水泵的输出端并与所述散热器并联的第一手阀以及第二手阀；

所述水泵、所述第一手阀、所述第二手阀、所述第二控制阀、所述第一控制阀以及所述燃料电池电堆内的冷却液流路组成换热回路；

所述第一手阀与所述第二手阀之间的管路连接所述供热系统；所述燃料电池电堆内流出的冷却液与所述供热系统热交换，以加热所述冷介质。

可选地，所述循环回路、所述散热器回路和所述换热回路共用同一膨胀水箱，所述膨胀水箱的出水口连接于所述水泵的进口端。

可选地，所述空气系统包括依次连接的空气过滤器、流量计、所述空压机、第二热交换器以及第一电动阀，所述第一电动阀连接所述燃料电池电堆；

所述第一控制阀与所述燃料电池电堆之间设置有流向所述第二热交换器的支路，以使所述冷却液与压缩后的空气热交换。

可选地，所述供热系统包括设置于燃料电池电堆的输出端的混排点以及连接所述混排点的第三热交换器，所述氢气系统与所述燃料电池电堆反应后的尾排生成物、所述空气系统与所述燃料电池电堆反应后的尾排生成物均排放至所述混排点，冷介质经所述第三热交换器后由所述供热系统的出口端排出。

可选地，所述供热系统还包括第一热交换器以及设置于所述供热系统出口端的第三手阀，所述第三手阀连接所述第一热交换器，所述第一热交换器与所述第三热交换器并联，所述冷介质依次流经所述第三热交换器、所述第三手阀，并由所述供热系统的出口端排出；或所述冷介质依次流经所述第一热交换器、所述第三手阀，并由所述供热系统的出口端排出。

可选地，所述供热系统还包括第一热交换器以及设置于所述供热系统出口端的第三手阀，所述第三手阀连接所述第一热交换器，所述第一热交换器的入口连接所述第三热交换器的出口；所述冷介质依次流经所述第三热交换器、所述第一热交换器、所述第三手阀，并由所述供热系统的出口端排出。

可选地，所述第三热交换器中冷介质的输入端设置有第四手阀。

在使用本实用新型提供的热电联供燃料电池系统的过程中，需要通过空气系统向燃料电池电堆提供空气，氢气系统向燃料电池电堆提供氢气，空气在控制系统中被空压机压缩，压缩后的空气具有一定的热量，开机时，如果冷却系统中冷却液的温度低于压缩后空气的温度，冷却液与空气系统中空压机压缩后的空气具有热交换，压缩后的空气对冷却液进行加热，冷却液对空气进行冷却，有效利用空压机压缩后空气中的热量，从而实现快速启动。燃料电池电堆中反应后的反应热和尾排具有一定的热量，供热系统利用燃料电池电堆的反应热和尾排热量加热冷介质，以输出热介质，有效利用尾排中的热量。

在使用的过程中，本实用新型提供的热电联供燃料电池系统的电能输出端通过变压装置向用户或电网输送电能，热电联供燃料电池系统的供热系统可以向外界输出热介质；可以同时向外界输出电能和热介质，也可以仅输出热介质或仅输出电能。

相比于现有技术，本实用新型提供的热电联供燃料电池系统不仅有效利用了燃料电池电堆的尾排中的热量，还有效利用了空压机压缩后的空气的热量，从而提高了热电联供燃料电池系统的热量的利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本实用新型所提供的热电联供燃料电池系统的具体实施例一的结构示意图；

图2为本实用新型所提供的热电联供燃料电池系统的具体实施例二的结构示意图。

图1-2中：

1为用户或电网、2为变压装置、3为氢气系统、4为燃料电池电堆、5为电磁阀、6为第五手阀、7为第二电动阀、8为混排点、9为第三热交换器、10为第四手阀、11为水泵、12为第一控制阀、13为散热器、14为第二控制阀、15为第一手阀、16为第二手阀、17为第一热交换器、18为第三手阀、19为第二去离子器、20为膨胀水箱、21为第一去离子器、22为第一电动阀、23为第二热交换器、24为空压机、25为流量计、26为空气过滤器。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的核心是提供一种热电联供燃料电池系统，既可以回收燃料电池电堆的尾排热量，又可以回收空压机压缩后的空气的热量，提高了热量的回收利用率。

请参考图1和图2。

本具体实施例公开了一种热电联供燃料电池系统，包括：

燃料电池电堆4，其内部发生燃料电池的化学反应；

变压装置2，其输入端连接于燃料电池的电能输出端，变压装置2的输出端用于连接用户或电网1；

空气系统，用于为燃料电池电堆4提供空气，空气系统设置有压缩空气的空压机24；

氢气系统3，用于为燃料电堆提供氢气；

冷却系统，用于为燃料电池电堆4提供冷却液，冷却液与空气系统中空压机24压缩后的空气具有热交换；

供热系统，利用燃料电池电堆4的反应热和尾排热量加热冷介质，以输出热介质。

本具体实施例中提到的冷介质可以是水，热介质可以是热水，或者是其它介质，具体根据实际情况确定，在此不做赘述。

在使用本具体实施例提供的热电联供燃料电池系统的过程中，需要通过空气系统向燃料电池电堆4提供空气，氢气系统3向燃料电池电堆4提供氢气，空气在控制系统中被空压机24压缩，压缩后的空气具有一定的热量，开机时，如果冷却系统中冷却液的温度低于压缩后空气的温度，冷却液与空气系统中空压机24压缩后的空气具有热交换，压缩后的空气对冷却液进行加热，冷却液对空气进行冷却，有效利用空压机24压缩后空气中的热量，从而实现快速启动。燃料电池电堆4中反应后的反应热和尾排具有一定的热量，供热系统利用燃料电池电堆4的反应热和尾排热量加热冷介质，以输出热介质，有效利用反应热和尾排中的热量。

在使用的过程中，本具体实施例提供的热电联供燃料电池系统的电能输出端通过变压装置2向用户或电网1输送电能，热电联供燃料电池系统的供热系统可以向外界输出热介质；可以同时向外界输出电能和热介质，也可以仅输出热介质或仅输出电能。

相比于现有技术，本具体实施例提供的热电联供燃料电池系统不仅有效利用了燃料电池电堆4的尾排中的热量，还有效利用了空压机24压缩后的空气的热量，从而提高了热电联供燃料电池系统的热量的利用率。

在一具体实施例中，如图1所示，冷却系统包括循环回路、散热器13回路以及换热回路，其中循环回路包括连接于燃料电池电堆4的水泵11、水泵11连接的第一控制阀12，水泵11、第一控制阀12以及燃料电池电堆4内的冷却液流路组成循环回路。

在热电联供燃料电池系统开机时，冷却系统中冷却液的温度小于燃料电池工作温度，此时第一控制阀12打开，控制循环回路中冷却液的循环开启，燃料电池电堆4反应过程中产生的废热可用于加热冷却液，从而实现热电联供燃料电池系统的快速开启。

第一控制阀12可以是电控三通阀，电控三通阀的一接口与水泵11连接，另一接口与燃料电池电堆4连接，还有一接口与第二控制阀14连接。

如图1所示，空气系统包括依次连接的空气过滤器26、流量计25、空压机24、第二热交换器23以及第一电动阀22，第一电动阀22连接燃料电池电堆4；

第一控制阀12与燃料电池电堆4之间设置有流向第二热交换器23的支路，以使冷却液与压缩后的空气热交换。

在使用的过程中，热电联供燃料电池系统开机时，如果由第一控制阀12流出的冷却液的温度高于第二热交换器23中压缩空气的温度，则冷却液在第二热交换器23内对压缩空气进行加热；如果由第一控制阀12流出的冷却液的温度低于第二热交换器23中压缩空气的温度，则压缩空气在第二热交换器23内对冷却液进行加热，冷却液将压缩空气冷却，使冷却液与压缩空气的温度接近，实现热电联供燃料电池系统的快速启动。

第二热交换器23主要用于冷却液与压缩空气的热交换，空气经空压机24压缩后温度升高，第二热交换器23可以通过冷却液将压缩空气中的热量带出，实现压缩空气中热量的回收利用。

如图1所示，流经第二热交换器23的冷却液在与压缩空气热交换后温度升高，温度升高后的冷却液可以流入燃料电池电堆4，也可以经第五手阀6流出，热介质为冷介质与尾排热量交换后的介质。

在一具体实施例中，冷却系统还包括连接于述水泵11的输出端的散热器13、与散热器13连接的第二控制阀14，第二控制阀14与第一控制阀12连接；

水泵11、散热器13、第二控制阀14、第一控制阀12以及燃料电池电堆4内的冷却液流路组成散热器13回路。

热电联供燃料电池系统完成启动后，如果需求侧只有电力需求，没有供热需求，此时散热回路开启，第二控制阀14打开，冷却液流经燃料电池电堆4后，带走燃料电池电堆4内的热量，接着流经水泵11、散热器13，在散热器13内冷却液将热量散失，温度降低后的冷却液接着依次流经第二控制阀14、第一控制阀12，并回流至燃料电池电堆4，如此循环，实现单独只输出电能。

第二控制阀14可以是电控三通阀，第二控制阀14的一接口与散热器13连接，另一接口与第一控制阀12连接，还有一接口与第二手阀16连接。

在一具体实施例中，冷却系统还包括连接于水泵11的输出端并与散热器13并联的第一手阀15以及第二手阀16；

水泵11、第一手阀15、第二手阀16、第二控制阀14、第一控制阀12以及燃料电池电堆4内的冷却液流路组成换热回路；

第一手阀与所述第二手阀之间的管路连接所述供热系统；所述燃料电池电堆内流出的冷却液与所述供热系统热交换，以加热所述冷介质。

具体的，此处可以使第一手阀与所述第二手阀之间的管路连接第一热交换器17，当有供热需求时，开启换热回路，冷却液在流经燃料电池电堆4时带走燃料电池电堆4内的热量，使冷却液温度升高，温度升高后的冷却液由燃料电池电堆4流出后，依次流经水泵11、第一手阀15、第一热交换器17、第二手阀16、第二控制阀14、第一控制阀12，如图1所示，冷介质依次进入第三热交换器9、第一热交换器17，分别将尾排中的热量和燃料电池电堆4的反应热带走；如图2所示，冷介质同时进入第三热交换器9和第一热交换器17将尾排中的热量和燃料电池电堆4反应热带走。

当热电联供燃料电池系统的需求侧仅存在部分热需求时，可以调节第二控制阀14的开度，使部分温度升高后的冷却液或部分升温后的热介质经第一热交换器17、第二手阀16、第二控制阀14、第一控制阀12回流至燃料电池电堆4，其余温度升高后的冷却液经过散热器13、第二控制阀14、第一控制阀12回流至燃料电池电堆4。

在具体使用的过程中，当第一手阀15和第二手阀16均处于关闭状态时，可以方便第一热交换器17的拆卸和维护；当热电联供燃料电池系统无供热需求时，可以取消设置第一热交换器17。

在一具体实施例中，循环回路、散热器13回路和换热回路共用同一膨胀水箱20，膨胀水箱20的出水口连接于水泵11的进口端。膨胀水箱20主要用于热电联供燃料电池系统中冷却液的加注，以及冷却液因温度体积变化的补偿。

循环回路、散热器13回路和换热回路共用同一膨胀水箱20，可以有效减少膨胀水箱20的数量，使热电联供燃料电池系统的连接关系简化，降低设备成本。

需要进行说明的是，膨胀水箱20连接第一去离子器21和第二去离子器19，第一去离子器21和第二去离子器19用于去除冷却液中的金属导电离子。

在一具体实施例中，供热系统包括设置于燃料电池电堆4的输出端的混排点8以及连接混排点8的第三热交换器9，氢气系统3与燃料电池电堆4反应后的尾排生成物、空气系统与燃料电池电堆4反应后的尾排生成物均排放至混排点8，冷介质经第三热交换器9后由供热系统的出口端排出。

氢气系统3与燃料电池电堆4反应后的尾排生成物、空气系统与燃料电池电堆4反应后的尾排生成物的温度较高，具有较高的热量，通过第三热交换器9，可以利用氢气系统3与燃料电池电堆4反应后的尾排生成物、空气系统与燃料电池电堆4反应后的尾排生成物的热量对冷介质进行加热，实现混排点8处尾排中热量的回收利用。

本申请中提到的尾排热量包括氢气系统3与燃料电池电堆4反应后的尾排生成物的热量和空气系统与燃料电池电堆4反应后的尾排生成物的热量。

如图1所示，氢气系统3与燃料电池电堆4反应后的尾排生成物经电磁阀5排出至混排点8，氢气系统3与燃料电池电堆4反应后的尾排生成物包括未完全反应的氢气、空气侧渗透过来的氮气、反应生产水(既包括水蒸气也包括液态水)；空气系统与燃料电池电堆4反应后的尾排生成物包括反应后的空气、反应生产水(既包括水蒸气也包括液态水)经第二电动阀7排出至混排点8。

如图1所示，第一热交换器17与第三热交换器9串联设置，第一热交换器17的入口连接第三热交换器9的出口，供热系统的出口端设置有第三手阀18，第三手阀18连接第一热交换器17，冷介质依次流经第三热交换器9、第一热交换器17、第三手阀18，并由供热系统的出口端排出。

如图2所示，第一热交换器17与第三热交换器9并联设置，供热系统的出口端设置有第三手阀18，第三手阀18连接第一热交换器17，冷介质流经第三热交换器9、第三手阀18，并由供热系统的出口端排出，或冷介质流经第一热交换器17、第三手阀18，并由供热系统的出口端排出。

第三热交换器9中冷介质的输入端设置有第四手阀10，通过打开或关闭第四手阀10，可以控制冷介质的进入或切断冷介质的进入。

本具体实施例中，如图1、图2所示，供热系统的出口端为第三手阀18的出口端。

本申请文件中提到的第一手阀15、第二手阀16、第三手阀18、第四手阀10和第五手阀6，第一热交换器17、第二热交换器23和第三热交换器9，第一控制阀12和第二控制阀14，第一电动阀22和第二电动阀7，第一去离子器21和第二去离子器19中的“第一”、“第二”、“第三”、“第四”和“第五”仅仅是为了区分位置的不同，并没有先后顺序之分。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。本实用新型所提供的所有实施例的任意组合方式均在此实用新型的保护范围内，在此不做赘述。

以上对本实用新型所提供的热电联供燃料电池系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种热电联供燃料电池系统，其特征在于，包括：

燃料电池电堆(4)，其内部发生燃料电池的化学反应；

变压装置(2)，其输入端连接于所述燃料电池的电能输出端，所述变压装置(2)的输出端用于连接用户或电网(1)；

空气系统，用于为所述燃料电池电堆(4)提供空气，所述空气系统设置有压缩空气的空压机(24)；

氢气系统(3)，用于为所述燃料电堆提供氢气；

冷却系统，用于为所述燃料电池电堆(4)提供冷却液，所述冷却液与所述空气系统中所述空压机(24)压缩后的空气具有热交换；

供热系统，利用所述燃料电池电堆(4)的反应热和尾排热量加热冷介质，以输出热介质。

2.根据权利要求1所述的热电联供燃料电池系统，其特征在于，所述冷却系统包括连接于所述燃料电池电堆(4)的水泵(11)、所述水泵(11)连接的第一控制阀(12)，所述水泵(11)、所述第一控制阀(12)以及所述燃料电池电堆(4)内的冷却液流路组成循环回路。

3.根据权利要求2所述的热电联供燃料电池系统，其特征在于，所述冷却系统还包括连接于所述水泵(11)的输出端的散热器(13)、与所述散热器(13)连接的第二控制阀(14)，所述第二控制阀(14)与所述第一控制阀(12)连接；

所述水泵(11)、所述散热器(13)、所述第二控制阀(14)、所述第一控制阀(12)以及所述燃料电池电堆(4)内的冷却液流路组成散热器(13)回路。

4.根据权利要求3所述的热电联供燃料电池系统，其特征在于，所述冷却系统还包括连接于水泵(11)的输出端并与所述散热器(13)并联的第一手阀(15)、以及第二手阀(16)；

所述水泵(11)、所述第一手阀(15)、所述第二手阀(16)、所述第二控制阀(14)、所述第一控制阀(12)以及所述燃料电池电堆(4)内的冷却液流路组成换热回路；

所述第一手阀(15)与所述第二手阀(16)之间的管路连接所述供热系统；所述燃料电池电堆(4)内流出的冷却液与所述供热系统热交换，以加热所述冷介质。

5.根据权利要求4所述的热电联供燃料电池系统，其特征在于，所述循环回路、所述散热器(13)回路和所述换热回路共用同一膨胀水箱(20)，所述膨胀水箱(20)的出水口连接于所述水泵(11)的进口端。

6.根据权利要求2所述的热电联供燃料电池系统，其特征在于，所述空气系统包括依次连接的空气过滤器(26)、流量计(25)、所述空压机(24)、第二热交换器(23)以及第一电动阀(22)，所述第一电动阀(22)连接所述燃料电池电堆(4)；

所述第一控制阀(12)与所述燃料电池电堆(4)之间设置有流向所述第二热交换器(23)的支路，以使所述冷却液与压缩后的空气热交换。

7.根据权利要求4所述的热电联供燃料电池系统，其特征在于，所述供热系统包括设置于燃料电池电堆(4)的输出端的混排点(8)以及连接所述混排点(8)的第三热交换器(9)，所述氢气系统(3)与所述燃料电池电堆(4)反应后的尾排生成物、所述空气系统与所述燃料电池电堆(4)反应后的尾排生成物均排放至所述混排点(8)，冷介质经所述第三热交换器(9)后由所述供热系统的出口端排出。

8.根据权利要求7所述的热电联供燃料电池系统，其特征在于，所述供热系统还包括第一热交换器(17)以及设置于所述供热系统出口端的第三手阀(18)，所述第三手阀(18)连接所述第一热交换器(17)，所述第一热交换器(17)与所述第三热交换器(9)并联，所述冷介质依次流经所述第三热交换器(9)、所述第三手阀(18)，并由所述供热系统的出口端排出；或所述冷介质依次流经所述第一热交换器(17)、所述第三手阀(18)，并由所述供热系统的出口端排出。

9.根据权利要求7所述的热电联供燃料电池系统，其特征在于，所述供热系统还包括第一热交换器(17)以及设置于所述供热系统出口端的第三手阀(18)，所述第三手阀(18)连接所述第一热交换器(17)，所述第一热交换器(17)的入口连接所述第三热交换器(9)的出口；所述冷介质依次流经所述第三热交换器(9)、所述第一热交换器(17)、所述第三手阀(18)，并由所述供热系统的出口端排出。

10.根据权利要求7所述的热电联供燃料电池系统，其特征在于，所述第三热交换器(9)中冷介质的输入端设置有第四手阀(10)。

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