CN218647986U - 基于双发动机的燃料电池热电联供系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了基于双发动机的燃料电池热电联供系统，系统设置有两套并联的供电装置和供热装置；供电装置设置有电锅炉、用电设备、变流器、锂电池、DCDC、集成空压机控制器、燃料电池发动机，所述变流器、锂电池分别电连接所述电锅炉、用电设备，变流器、锂电池也依次电连接所述DCDC、集成空压机控制器、燃料电池发动机，燃料电池发动机设置有供热装置，设置有主散热子系统及自来水换热子系统，本实用新型解决供热和供电相互协调的问题，解决了热电联供系统两个燃料电池发动机的协同控制问题，并能够实现自动控制，即实时响应用电和用热需求，同时满足了燃料电池发动机稳定运行的要求。

Description

基于双发动机的燃料电池热电联供系统

技术领域

本实用新型属于燃料电池技术领域，具体涉及基于双发动机的燃料电池热电联供系统。

背景技术

氢能是一种绿色可再生能源，热电联供技术是一种接近用户的高效供能技术，可以同时满足供热和供电的需求，可以用做备用电源。基于氢燃料电池发动机开发热电联供系统，相比于传统的内燃机可以减少有害气体排放，改善环境。但现有的现有基于单发动机的热电联供系统，基于氢燃料电池的热电联供方案输出功率低，并且没有具体的实现装置及控制方案，不能满足实际的应用场景，不能依靠自动控制同时精准的满足用电和用热需求。本专利解决了供热和供电相互协调的问题，提出了基于双燃料电池发动机的大功率热电联供系统，解决了两个燃料电池发动机的协同控制问题，为继续开发更大功率的燃料电池热电联供系统提供了基础。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供了基于双发动机的燃料电池热电联供系统。

基于双发动机的燃料电池热电联供系统，包括供电装置、供热装置；所述供电装置设置有市电、STS、输出线路、交流用电器、隔离变压器、储能变流器DC/AC、锂电池、24VDCDC、蓄电池、燃料电池；所述市电输出端设置有所述STS，STS分别电连接所述交流用电器、隔离变压器的输入端，STS与用电器之间设置有所述输出线路，隔离变压器的输出端电连接所述储能变流器DC/AC的交流端，储能变流器DC/AC的直流端分别电连接所述锂电池、燃料电池，锂电池和燃料电池之间设置有串联电连接的所述24VDCDC、蓄电池；锂电池和燃料电池之间设置有直接电连接的线路；当所述市电异常时，所述储能变流器DC/AC将所述锂电池和燃料电池输出的直流电转换为交流电后供交流用电器使用；

所述燃料电池设置有供热装置，所述供热装置设置有主散热子系统及自来水换热子系统、换热路出口、换热路进口；所述换热路出口、换热路进口分别设置有温度传感器，所述燃料电池连接所述主散热子系统及自来水换热子系统，主散热子系统及自来水换热子系统分别通过所述换热路出口、换热路进口连接用户用热设备，当所述燃料电池工作时，燃料电池产生的热量通过所述供热装置为用户提供热量，并基于用户需求用热量和燃料电池产生的热量控制供热装置。

具体的，所述系统设置有两套并联的供电装置和供热装置，用于协调控制供电和供热的联供，所述供电装置设置有电锅炉、用电设备、变流器、锂电池、DCDC、集成空压机控制器、燃料电池发动机，所述变流器、锂电池分别电连接所述电锅炉、用电设备，变流器、锂电池也依次电连接所述DCDC、集成空压机控制器、燃料电池发动机，燃料电池发动机设置有供热装置，所述供热装置设置有主散热子系统及自来水换热子系统。

具体的，所述主散热子系统及自来水换热子系统设置有排气管路、冷却液补水路、主水箱、去离子罐、液位传感器、第一电子节温器、第二电子节温器、热交换器、换热路出口管路、换热路进口管路、主散热器、主散热器出口温度传感器；所述主散热器设置有进口、出口、排气口、风扇，所述热交换器具有第一进口、第二进口、第一出口、第二出口；所述主水箱具有第一进气口、第二进气口、排液口；所述排气管路连接所述燃料电池发动机的排气口，所述主水箱的第一进气口连接排气管路，主水箱的排液口通过冷却液补水路连接燃料电池发动机的冷却液补水进口，主水箱设置有所述液位传感器，主水箱的第二进气口通过所述去离子罐连接所述主散热器的排气口；燃料电池发动机设置有依次相连的冷却液出口、第一电子节温器、热交换器、第二电子节温器、主散热器、主散热器出口温度传感器、冷却液进口，所述热交换器第二进口通过所述换热路进口管路连接换热路进口，热交换器第二出口通过换热路出口管路连接换热路出口。

具体的，所述第一电子节温器、第二电子节温器分别具有第一进口、第二进口、出口，第一电子节温器、第二电子节温器的第二进口分别连接所述主散热器出口温度传感器的出口，所述燃料电池发动机的冷却液出口、冷却液进口分别设置有温度传感器。

具体的，所述第二电子节温器的第一进口、出口分别设置有温度传感器。

基于双燃料电池发动机的燃料电池热电联供系统，解决供热和供电相互协调的问题，解决了两个燃料电池发动机的协同控制问题，并能够实现自动控制，满足不同场景的用电和用热需求，为继续开发更大功率的燃料电池热电联供系统提供了基础。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了本实用新型实施例中的基于双发动机的燃料电池热电联供系统的整体示意图。

图2示出了本实用新型实施例中的燃料电池热电联供系统的系统架构。

图3示出了本实用新型实施例中的基于双发动机的燃料电池热电联供系统的第一主散热子系统及自来水换热子系统；

图4示出了本实用新型实施例中的基于双发动机的燃料电池热电联供系统的第二主散热子系统及自来水换热子系统；

附图标记：1-市电；2-STS；3-380V输出线路；4-隔离变压器；5-交流用电器；6-储能变流器DC/AC；7-锂电池；8-24VDCDC；9-24V蓄电池；10-氢燃料电池；11-电锅炉；12-用电设备；13-变流器和锂电池；14-第一DCDC；15-第一集成空压机控制器；16第一主散热子系统及自来水换热子系统；17-第二DCDC；18-第二集成空压机控制器；19第二主散热子系统及自来水换热子系统；20-换热路出口；21-换热路进口；22-第一燃料电池发动机；23-第二燃料电池发动机；161-第一排气管路；162-第一冷却液补水路；163-第一主水箱；164-第一去离子罐；165-第一液位传感器；166-第一电子节温器；167-第一热交换器；168-第一换热路出口管路；169-第二电子节温器；170-第一主散热器出口温度传感器；171-第一主散热器；172-第一换热路进口管路；191-第二排气管路；192-第二冷却液补水路；193-第二主水箱；194-第二去离子罐；195-第二液位传感器；196-第三电子节温器；197-第二热交换器；198-第二换热路出口管路；199-第四电子节温器；200-第二主散热器出口温度传感器；201-第二主散热器；202-第二换热路进口管路。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“连接”、“连通”表示直接或通过其他组件间接的连接或连通。术语“第一”、“第二”等可以指代不同的或相同的对象，但并不直接表示先后顺序或重要程度的不同。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。

本专利缩略语和关键术语定义：

燃料电池：燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。

热电联供：燃料电池热电联供，是利用燃料电池发电技术同时向用户供给电能和热能的生产方式。用燃料电池运行过程中产生的余热供热，可提高能源的利用效率，而且减少二氧化碳和其他有害气体的排放。

逆变器：逆变器是把直流电能（电池、蓄电瓶）转变成定频定压或调频调压交流电（一般为220V，50Hz正弦波）的转换器。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。

DC/DC：将直流电转化为直流电。

DC/AC：将直流电转化为交流电。

AC/DC：将交流电转化为直流电。

STS：静态转换开关，即电源切换开关（含进线开关）。

PI的闭环控制：PI控制指根据给定值与实际输出值构成的控制偏差，将偏差的比例和积分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。

闭环控制指作为被控的输出量以一定方式返回到作为控制的输入端，并对输入端施加控制影响的一种控制关系。带有反馈信息的系统控制方式。

如图1所示，本实用新型实施例提供了基于双发动机的燃料电池热电联供系统的整体示意图；

基于双发动机的燃料电池热电联供系统，设置有电锅炉11、用电设备12、变流器和锂电池13、第一DCDC14、第一集成空压机控制器15、第一燃料电池发动机22、第一主散热子系统及自来水换热子系统16、第二DCDC17、第二集成空压机控制器18、第二燃料电池发动机23、第二主散热子系统及自来水换热子系统19、换热路出口20、换热路进口21；所述变流器和锂电池13分别连接所述电锅炉11、用电设备12，变流器和锂电池13分别依次连接所述第一DCDC14、第一集成空压机控制器15、第一燃料电池发动机22和所述第二DCDC17、第二集成空压机控制器18、第二燃料电池发动机23、第二主散热子系统及自来水换热子系统19，所述第一燃料电池发动机22具有所述第一主散热子系统及自来水换热子系统16，所述第二燃料电池发动机23具有所述第二主散热子系统及自来水换热子系统19，第一主散热子系统及自来水换热子系统16、第二主散热子系统及自来水换热子系统19分别连接所述换热路出口20、换热路进口21。

如图2所示，本实用新型实施例提供了燃料电池热电联供系统的系统架构；包括供电装置、供热装置。

供电装置包括：市电1；STS2；380V输出线路3；隔离变压器4；交流用电器5；储能变流器DC/AC6；锂电池7；24VDCDC8；24V蓄电池9；氢燃料电池10；所述市电1设置有所述STS2，即电源切换开关（含进线开关），STS2分别电连接所述交流用电器5、隔离变压器4的输入端，STS2与交流用电器5之间设置有所述380V输出线路3，隔离变压器4的输出端电连接所述储能变流器DC/AC6的交流端，储能变流器DC/AC6的直流端分别电连接所述锂电池7、氢燃料电池10，锂电池7和氢燃料电池10之间设置有电连接串联的所述24VDCDC8、24V蓄电池9；锂电池7和氢燃料电池10之间设置有直接连接的线路。

此氢燃料电池应急电源装置，在电网断电时候，可快速响应为负载供电；当无电网时可由此装置独立持续为负载供电；在客户使用电网功率不足时可进行功率补充，并且按需实现离网和并网的切换。燃料电池设置有供热装置，在发电的同时将燃料电池产生的热量进行供暖。电锅炉即交流用电器5，接在交流负载处，由三相电供电。

如图3所示：本实用新型实施例中的基于双发动机的燃料电池热电联供系统的第一主散热子系统及自来水换热子系统；

第一主散热子系统及自来水换热子系统16设置有第一排气管路161、第一冷却液补水路162、第一主水箱163、第一去离子罐164、第一液位传感器165、第一电子节温器166、第二电子节温器169、第一热交换器167、第一换热路出口管路168、第一换热路进口管路172、第一主散热器171、第一主散热器出口温度传感器170；所述第一主散热器171设置有进口、出口、排气口、风扇，所述第一热交换器167具有第一进口、第二进口、第一出口、第二出口；所述第一主水箱163具有第一进气口、第二进气口、排液口；所述第一排气管路161连接所述第一燃料电池发动机22的排气口，所述第一主水箱163的第一进气口连接第一排气管路161，第一主水箱163的排液口通过第一冷却液补水路162连接第一燃料电池发动机22的冷却液补水进口，第一主水箱163设置有所述第一液位传感器165，第一主水箱163的第二进气口通过第一去离子罐164连接所述第一主散热器171的排气口；第一燃料电池发动机22设置有依次相连的冷却液出口、第一电子节温器166、第一热交换器167、第二电子节温器169、第一主散热器171、第一主散热器出口温度传感器170、冷却液进口，所述第一热交换器167第二进口通过所述第一换热路进口管路172连接换热路进口21，第一热交换器167第二出口通过第一换热路出口管路168连接换热路出口20，所述第一电子节温器166、第二电子节温器169分别具有第一进口、第二进口、出口，第一电子节温器166、第二电子节温器169的第二进口分别连接所述第一主散热器出口温度传感器170的出口。

如图4所示：本实用新型实施例中的基于双发动机的燃料电池热电联供系统的第二主散热子系统及自来水换热子系统；

第二主散热子系统及自来水换热子系统19设置有第二排气管路191、第二冷却液补水路192、第二主水箱193、第二去离子罐194、第二液位传感器195、第三电子节温器196、第四电子节温器199、第二热交换器197、第二换热路出口管路198、第二换热路进口管路202、第二主散热器201、第二主散热器出口温度传感器200；所述第二主散热器201设置有进口、出口、排气口、风扇，所述第二热交换器197具有第一进口、第二进口、第一出口、第二出口；所述第二主水箱193具有第一进气口、第二进气口、排液口；所述第二排气管路191连接所述第二燃料电池发动机23的排气口，所述第二主水箱193的第一进气口连接第二排气管路191，第二主水箱193的排液口通过第二冷却液补水路192连接第二燃料电池发动机23的冷却液补水进口，第二主水箱193设置有所述第二液位传感器195，第二主水箱193的第二进气口通过第二去离子罐194连接所述第二主散热器201的排气口；第二燃料电池发动机23设置有依次相连的冷却液出口、第三电子节温器196、第二热交换器197、第四电子节温器199、第二主散热器201、第二主散热器出口温度传感器200、冷却液入口，所述第二热交换器197的第二进口通过所述第二换热路进口管路202连接换热路进口21，第二热交换器197的第二出口通过第二换热路出口管路198连接换热路出口20，所述第三电子节温器196、第四电子节温器199分别具有第一进口、第二进口、出口，第三电子节温器196、第四电子节温器199的第二进口分别连接所述第二主散热器出口温度传感器200的出口。

燃料电池发动机将化学能转化为电能，用户根据需求供热热量进而改变流经所述热交换器的流量，主散热子系统小循环时，所述第一主散热器171的风扇停止；小循环关闭至大循环未完全开启过程中即掺混时，所述第一电子节温器166与所述第一主散热器171共同控制保证温度不高于目标温度；主散热子系统大循环时，控制第一主散热器171的风扇转速，使第一主散热器171出口实际温度稳定在目标温度±2范围内，第一电子节温器166和第一主散热器171控制目标均为所述燃料电池发动机冷却液进口温度传感器的入堆水温，根据所述入堆水温温度的实际值和目标值的差值进行控制，采用PI的闭环控制，使温度实际值接近目标值，所述第二电子节温器169控制目标为第一主散热器171散发热量，当换热量大于燃料电池发动机正常运行所需的热量时，关闭所述第二电子节温器169，之后根据燃料电池发动机冷却液进口温度传感器的水温调节第一电子节温器166开度，用于使入堆水温达到目标值。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (5)

1.基于双发动机的燃料电池热电联供系统，其特征在于，包括供电装置、供热装置；所述供电装置设置有市电、STS、输出线路、交流用电器、隔离变压器、储能变流器DC/AC、锂电池、24VDCDC、蓄电池、燃料电池；所述市电输出端设置有所述STS，STS分别电连接所述交流用电器、隔离变压器的输入端，STS与用电器之间设置有所述输出线路，隔离变压器的输出端电连接所述储能变流器DC/AC的交流端，储能变流器DC/AC的直流端分别电连接所述锂电池、燃料电池，锂电池和燃料电池之间设置有串联电连接的所述24VDCDC、蓄电池；锂电池和燃料电池之间设置有直接电连接的线路；

所述燃料电池设置有供热装置，所述供热装置设置有主散热子系统及自来水换热子系统、换热路出口、换热路进口；所述换热路出口、换热路进口分别设置有温度传感器，所述燃料电池连接所述主散热子系统及自来水换热子系统，主散热子系统及自来水换热子系统分别通过所述换热路出口、换热路进口连接用户用热设备。

2.根据权利要求1所述的基于双发动机的燃料电池热电联供系统，其特征在于，所述系统设置有两套并联的供电装置和供热装置，所述供电装置设置有电锅炉、用电设备、变流器、锂电池、DCDC、集成空压机控制器、燃料电池发动机，所述变流器、锂电池分别电连接所述电锅炉、用电设备，变流器、锂电池也依次电连接所述DCDC、集成空压机控制器、燃料电池发动机，燃料电池发动机设置有供热装置，所述供热装置设置有主散热子系统及自来水换热子系统。

3.根据权利要求2所述的基于双发动机的燃料电池热电联供系统，其特征在于，所述主散热子系统及自来水换热子系统设置有排气管路、冷却液补水路、主水箱、去离子罐、液位传感器、第一电子节温器、第二电子节温器、热交换器、换热路出口管路、换热路进口管路、主散热器、主散热器出口温度传感器；所述主散热器设置有进口、出口、排气口、风扇，所述热交换器具有第一进口、第二进口、第一出口、第二出口；所述主水箱具有第一进气口、第二进气口、排液口；所述排气管路连接所述燃料电池发动机的排气口，所述主水箱的第一进气口连接排气管路，主水箱的排液口通过冷却液补水路连接燃料电池发动机的冷却液补水进口，主水箱设置有所述液位传感器，主水箱的第二进气口通过所述去离子罐连接所述主散热器的排气口；燃料电池发动机设置有依次相连的冷却液出口、第一电子节温器、热交换器、第二电子节温器、主散热器、主散热器出口温度传感器、冷却液进口，所述热交换器第二进口通过所述换热路进口管路连接换热路进口，热交换器第二出口通过换热路出口管路连接换热路出口。

4.根据权利要求3所述的基于双发动机的燃料电池热电联供系统，其特征在于，所述第一电子节温器、第二电子节温器分别具有第一进口、第二进口、出口，第一电子节温器、第二电子节温器的第二进口分别连接所述主散热器出口温度传感器的出口，所述燃料电池发动机的冷却液出口、冷却液进口分别设置有温度传感器。

5.根据权利要求4所述的基于双发动机的燃料电池热电联供系统，其特征在于，所述第二电子节温器的第一进口、出口分别设置有温度传感器。

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