CN218763633U - 一种燃料电池热电联供供热及热管理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于燃料电池热电联供技术领域，尤指一种燃料电池热电联供供热及热管理系统。系统包括：燃料电池系统散热水路，和与之进行热交换的储热系统水路，所述储热系统水路包括先后实现制热水目标的第一储热回路和第二储热回路，所述第一储热回路上设有第一储水装置，所述第一储水装置的出水端连通用水终端设备以供给生活用热水，所述第二储热回路上设有第二储水装置，所述第二储水装置的进水端连通冷水源以补充储热系统循环水量。通过实时监测，闭环调节循环水路中液体的流速和储水装置内补水的流速，精准控制燃料电池系统稳定运行的温度和用户的设定温度，既能满足用热需求，也能满足用电需求。

Description

一种燃料电池热电联供供热及热管理系统

技术领域

本实用新型属于燃料电池热电联供技术领域，尤指一种燃料电池热电联供供热及热管理系统。

背景技术

燃料电池是一种清洁的发电装置，它直接将燃料的化学能转化为直流电能。其工作原理是通过电化学反应把物质的化学能转化为电能，并且燃料电池进行化学反应所需的物质是由外部不断补充的，只要供应燃料，就能源源不断地输出电能和热能。

以燃料电池为核心的热电联供系统利用氢燃料电池技术产生放电反应，同时实现反应余热的梯级利用，为工业园区、商业中心、数据中心、办公楼、社区设施、住宅等提供热力和电力的联合供应服务。

现有燃料电池热电联供系统结构和原理：燃料电池的热电联供系统，通常包括：燃料电池电堆模块，控制模块，氢气系统，空气系统，供电系统和供热系统。氢气系统提供的稳定的氢气与空气系统中提供的空气中的氧气在燃料电池电堆模块中发生电化学反应，从而将化学能转化为电能经供电系统输出给用户。燃料电池热电联供系统中的供热系统主要通过热循环管理系统控制燃料电池电堆模块工作所需温度，通过回收燃料电池电堆模块工作时内部产生的热量，从而产生热水供用户使用。

目前，燃料电池热电联供系统中的存在以下不足：1.燃料电池在发热的过程中热能回收利用率不高，热能利用率需要进一步提高；2.储水箱加温启动慢，温度变化大，影响了用户的使用体验；3.现有燃料电池热电联供系统主要以供热为主，当满足用户的用热需求时，燃料电池热电联供系统会关机，会影响用户的用电需求。

实用新型内容

在一方面，本实用新型提供一种燃料电池热电联供供热系统，通过采用双储水装置先后循环加热，实现了快速升温，即提高了热回收率，又满足了用户更好的体验。

为了实现上述目的，本实用新型提供采用以下的技术方案：

一种燃料电池热电联供供热系统，包括：

燃料电池系统散热水路，和与之进行热交换的储热系统水路，

所述储热系统水路包括先后实现制热水目标的第一储热回路和第二储热回路，所述第一储热回路上设有第一储水装置，所述第一储水装置的出水端连通用水终端设备以供给生活用热水，所述第二储热回路上设有第二储水装置，所述第二储水装置的进水端连通冷水源以补充储热系统循环水量。

一些技术方案中，所述燃料电池系统散热水路包括依次连接形成第一循环散热回路的燃料电池系统、第一循环水泵、第一换热器和第一节温器；及依次连通形成第二循环散热回路的燃料电池系统、第一循环水泵、第一换热器、第一节温器和散热器。

一些技术方案中，所述第一储热回路包括顺次相接的第一换热器、第二循环水泵、第二节温器和第一储水装置；所述第二储热回路包括顺次相接的第一换热器、第二循环水泵、第二节温器和第二储水装置。

一些技术方案中，还包括地暖供热水路，所述地暖供热水路包括依次连接形成循环水路的第二换热器、第三循环水泵和地暖模块。

另一方面，本实用新型提供一种燃料电池热电联供热管理系统，通过实时监测，闭环调节循环水路中液体的流速和储水装置内补水的流速，精准控制燃料电池系统稳定运行的温度和用户的设定温度，既能满足用热需求，也能满足用电需求。

为了实现上述目的，本实用新型提供采用以下的技术方案：

一种燃料电池热电联供热管理系统，包括：

电需求控制模块和热需求控制模块，

为基于电需求与热需求的优先级分别执行；

所述电需求控制模块用于控制前述的一种燃料电池热电联供供热系统的燃料电池系统散热水路的交换余热或结合散热器加速散热；

所述热需求控制模块用于控制前述的一种燃料电池热电联供供热系统的储热系统水路、地暖供热水路与燃料电池系统散热水路的余热交换。

一些技术方案中，还包括温度检测模块与阀组控制模块，

所述温度检测模块包括设于燃料电池系统出水端的第一温度传感器和进水端的第二温度传感器，设于第一换热器换前出水口的第三温度传感器和换前进水口的第四温度传感器，设于第二换热器换前进水口的第五温度传感器，设于第一换热器换后进水口的第六温度传感器和换后出水口的第七温度传感器，设于第一储水装置内的第八温度传感器及设于第二储水装置的第九温度传感器；

所述阀组控制模块包括设于地暖供热水路的地暖开关，设于第一储热回路的常开阀体和设于第二储热回路的常闭阀体，设于第一储水装置出水口的第一单向阀，及设于第二储水装置进水口的第二单向阀。

一些技术方案中，所述第二循环水泵的出口端还布设有压力传感器；和/或，

所述第一储水装置内布设有电加热组件，所述电加热组件通过配设的加热开关控制启停。

一些技术方案中，电需求控制模块运行始于用户的电需求优先级高于热需求优先级时，

被配置为通过控制第一节温器的开度为100％，开启第二循环散热回路，并通过PID调节燃料电池系统散热水路中第一循环水泵的转速和散热器的转速，控制燃料电池系统进口温度在其额定功率运行目标温度范围内。

一些技术方案中，热需求控制模块运行始于用户的热需求优先级高于电需求优先级时，

被配置为通过PID调节储水系统水路中第二循环水泵的转速和第二节温器开度比，控制燃料电池系统进口温度在其额定功率运行目标温度范围内。

一些技术方案中，燃料电池热电联供系统开始运行时，当系统进口温度低于系统额定功率运行目标温度时，通过控制第一节温器的开度为0％，开启第一循环散热系统，以使燃料电池系统快速升温到运行目标温度；

当第一储水装置和第二储水装置内的温度均未达到用户设定温度时，通过控制第一节温器的开度为0％，先开启第一循环散热系统，利用余热加热储水；

当第一储水装置和第二储水装置内的温度都已达到用户设定温度，燃料电池热电联供系统会进入待机模式，等待下一次启动指令。

本实用新型采用以上技术方案至少具有如下的有益效果：

1.采用双储水装置先后循环加热，可以通过检测第一储水装置和第二储水装置内的温度，实时切换加热模式，实现优先对第一储水装置加热，使其快速升温，达到用户设定温度，即提高了热回收率，又满足了用户更好的体验；

2.通过实时监测燃料电池系统进出口温度、热交换装置换热前后进出口温度、第一储水装置内储水温度和第二储水装置内储水温度，通过闭环调节循环水路中液体的流速和储水装置内补水的流速，精准控制燃料电池系统稳定运行的温度和用户的设定温度，既能满足用热需求，也能满足用电需求；

3.系统集成有燃料电池系统散热水路、储热系统水路和地暖供热水路，结构紧凑，余热利用充分。

附图说明

为了更清楚的说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图及其标记作简单的介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本实用新型一种燃料电池热电联供供热及热管理系统的结构示意图。

图中标注符号的含义如下：

11-燃料电池系统，12-散热器，14-第一节温器，16-第一循环水泵，17-第二换热器，18-第一换热器；

21-常开阀体，22-第二储水装置，23-常闭阀体，24-第二单向阀，25-第一储水装置，26-开热开关，27-第一单向阀，28-电加热组件；

31-第二节温器，33-第二循环水泵，34-地暖开关，35-第三循环水泵，36-地暖模块。

具体实施方式

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，下面将对照附图说明本实用新型的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与实用新型相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在本文中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

另外，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

根据本实用新型的其一方面，提供一种燃料电池热电联供供热系统，请参阅图1，系统集成有燃料电池系统散热水路、储热系统水路和地暖供热水路，燃料电池系统散热水路分别与储热系统水路和地暖供热水路进行余热交换。

燃料电池系统散热水路包括依次连接形成第一循环散热回路的燃料电池系统11、第一循环水泵16、第一换热器18和第一节温器14；及依次连通形成第二循环散热回路的燃料电池系统11、第一循环水泵16、第一换热器18、第一节温器14和散热器12。其中，第一循环水泵16主要用于散热水路的循环；第一换热器18主要用于燃料电池系统散热水路和储热系统水路之间的温度换热，把燃料电池系统散热水路中的高温水路换热到储热系统水路中，保证用户生活用水用热需求；第一节温器14主要用于控制第一循环散热回路和第二循环散热回路的转换，满足用户的选择模式；散热器12主要用于燃料电池系统的散热，保证燃料电池系统稳定运行，满足用户的用电需求。

储热系统水路包括先后实现制热水目标的第一储热回路和第二储热回路，第一储热回路上设有第一储水装置25，第一储水装置25的出水端连通用水终端设备以供给生活用热水，第二储热回路上设有第二储水装置22，第二储水装置22的进水端连通冷水源以补充储热系统循环水量。第一储热回路包括顺次相接的第一换热器18、第二循环水泵33、第二节温器31和第一储水装置25；第二储热回路包括顺次相接的第一换热器18、第二循环水泵33、第二节温器31和第二储水装置22。其中，第二储水装置22、第一换热器18、第二循环水泵33、第二节温器31及第一储水装置25连通形成用于储水系统的补水流路。

地暖供热水路包括依次连接形成循环水路的第二换热器17、第三循环水泵35和地暖模块36。

本案提供的一种燃料电池热电联供供热系统通过采用双储水装置先后循环加热，实现了快速升温，即提高了热回收率，又满足了用户更好的体验。

根据本实用新型的另一方面，提供一种燃料电池热电联供热管理系统，包括：电需求控制模块和热需求控制模块，为基于用户电需求与热需求的优先级分别执行。

为了动态检测系统各处水温，该系统还配设有温度检测模块，及为了单独控制各水路循环的运行，同时配设有阀组控制模块。

在一具体实施方式中，温度检测模块包括设于燃料电池系统出水端的第一温度传感器和进水端的第二温度传感器，设于第一换热器18换前出水口的第三温度传感器和换前进水口的第四温度传感器，设于第二换热器17换前进水口的第五温度传感器，设于第一换热器18换后进水口的第六温度传感器和换后出水口的第七温度传感器，设于第一储水装置25内的第八温度传感器及设于第二储水装置22的第九温度传感器，此外，还包括布设与第二循环水泵33出口端的压力传感器。

在另一具体实施方式中，阀组控制模块包括设于地暖供热水路的地暖开关34，设于第一储热回路的常开阀体21和设于第二储热回路的常闭阀体23，设于第一储水装置25出水口的第一单向阀27，及设于第二储水装置22进水口的第二单向阀24。此外，第一储水装置25内布设有电加热组件28，电加热组件28通过配设的开热开关26控制启停。

本案热管理系统的具体控制方式阐述如下：

用户可选择的模式有用热优先和用电优先。

当用户选择用热优先时，燃料电池热电联供系统开始运行时，当系统进口温度低于系统额定功率运行目标温度时，通过控制第一节温器14的开度为0％，开启第一循环散热回路，保证燃料电池系统快速升温到运行目标温度，并通过PID调节储水系统水路中第二循环水泵33的转速和第二节温器31开度比，保证燃料电池进口温度在燃料电池系统额定功率运行目标温度范围内；当第一储水装置25和第二储水装置22内的温度都已达到用户设定温度，燃料电池热电联供系统会进入待机模式，等待下一次启动指令。

当用户选择用电优先时，当第一储水装置25和第二储水装置22内的温度均未达到用户设定温度时，通过控制第一节温器14的开度为0％，先开启第一循环散热回路，按用热优先模式运行控制；当第一储水装置25和第二储水装置22内的温度都已达到用户设定温度时，通过控制第一节温器14的开度为100％，开启第二循环散热回路，通过PID调节燃料电池系统散热水路中第一循环水泵16的转速和散热器12的转速，控制燃料电池进口温度在燃料电池系统额定功率运行目标温度范围内。其中，燃料电池系统散热水路中第一节温器14主要用于控制第一循环散热回路和第二循环散热回路的转换，满足用户的选择模式：用热优先或用电优先；燃料电池系统散热水路中第一循环水泵16主要用于散热水路的循环，通过PID调节可以稳定燃料电池系统进出口温差在系统安全稳定范围之内；燃料电池系统散热水路中第二换热器17主要用于燃料电池系统主循环回路水路和地暖供热水路之间的温度换热，把燃料电池系统散热水路中的高温水路换热到地暖供热水路中，通过PID调节地暖供热水路中第三循环水泵35的转速，控制地暖开关34状态，保证用户电暖的用热需求；燃料电池系统散热水路中第一换热器18主要用于燃料电池系统散热水路和储水系统水路之间温度换热，把燃料电池系统散热水路中的高温水路换热到储水系统水路中，通过PID调节储水系统水路中第二循环水泵33的转速和第二节温器31的开度，控制常开阀体21或常闭阀体23状态，保证用户生活用水用热需求；燃料电池系统散热水路中散热器12主要用于燃料电池系统的散热，保证用户选择用电优先时，燃料电池系统稳定的运行，满足用户的用电需求。

储热系统运行原理为：当第一储水装置25内的温度低于用户设定的温度时，常开阀体21开启，常闭阀体23关闭，运行第一储热回路，通过实时监测第一换热器18进出口温度，PID调节储水系统水路中第二循环水泵33的转速和第二节温器31的开度，对第二储水装置22进行水路加热同时控制燃料电池系统进口温度在燃料电池系统额定功率运行目标温度范围内；当第一储水装置25内的温度等于或大于用户设定的温度时，常开阀体21关闭，常闭阀体23开启，运行第二储热回路，通过实时监测第一换热器18进出口温度，PID调节储水系统水路中第二循环水泵33的转速和第二节温器31的开度，对第一储水装置25进行水路加热同时控制燃料电池系统进口温度在燃料电池系统额定功率运行目标温度范围内；当第一储水装置25和第二储水装置22的温度都已达到用户设定的温度，储水系统水路中第一储热回路和第二储热回路都停止循环；当第一储水装置25和第二储水装置22内某一温度低于用户设定温度，第一储热回路或第二储热回路开启循环；通过补水系统对第二储水装置22进行补水。

地暖供热水路运行原理：通过实时监测第二换热器17进出口温度，PID调节地暖供热水路中第三循环水泵35的转速，控制地暖开关34状态，保证用户电暖的用热需求同时控制燃料电池系统进口温度在燃料电池系统额定功率运行目标温度范围内。

本案提供的一种燃料电池热电联供热管理系统，通过实时监测，闭环调节循环水路中液体的流速和储水装置内补水的流速，精准控制燃料电池系统稳定运行的温度和用户的设定温度，既能满足用热需求，也能满足用电需求。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种燃料电池热电联供供热系统，其特征在于，包括：

燃料电池系统散热水路，和与之进行热交换的储热系统水路，

所述储热系统水路包括先后实现制热水目标的第一储热回路和第二储热回路，所述第一储热回路上设有第一储水装置，所述第一储水装置的出水端连通用水终端设备以供给生活用热水，所述第二储热回路上设有第二储水装置，所述第二储水装置的进水端连通冷水源以补充储热系统循环水量。

2.根据权利要求1所述的一种燃料电池热电联供供热系统，其特征在于，所述燃料电池系统散热水路包括依次连接形成第一循环散热回路的燃料电池系统、第一循环水泵、第一换热器和第一节温器；及依次连通形成第二循环散热回路的燃料电池系统、第一循环水泵、第一换热器、第一节温器和散热器。

3.根据权利要求1所述的一种燃料电池热电联供供热系统，其特征在于，所述第一储热回路包括顺次相接的第一换热器、第二循环水泵、第二节温器和第一储水装置；所述第二储热回路包括顺次相接的第一换热器、第二循环水泵、第二节温器和第二储水装置。

4.根据权利要求1所述的一种燃料电池热电联供供热系统，其特征在于，还包括地暖供热水路，所述地暖供热水路包括依次连接形成循环水路的第二换热器、第三循环水泵和地暖模块。

5.一种燃料电池热电联供热管理系统，其特征在于，包括：

电需求控制模块和热需求控制模块，

为基于电需求与热需求的优先级分别执行；

所述电需求控制模块用于控制前述权利要求1-4任一所述的一种燃料电池热电联供供热系统的燃料电池系统散热水路的交换余热或结合散热器加速散热；

所述热需求控制模块用于控制前述权利要求1-4任一所述的一种燃料电池热电联供供热系统的储热系统水路、地暖供热水路与燃料电池系统散热水路的余热交换。

6.根据权利要求5所述的一种燃料电池热电联供热管理系统，其特征在于，还包括温度检测模块与阀组控制模块，

所述温度检测模块包括设于燃料电池系统出水端的第一温度传感器和进水端的第二温度传感器，设于第一换热器换前出水口的第三温度传感器和换前进水口的第四温度传感器，设于第二换热器换前进水口的第五温度传感器，设于第一换热器换后进水口的第六温度传感器和换后出水口的第七温度传感器，设于第一储水装置内的第八温度传感器及设于第二储水装置的第九温度传感器；

所述阀组控制模块包括设于地暖供热水路的地暖开关，设于第一储热回路的常开阀体和设于第二储热回路的常闭阀体，设于第一储水装置出水口的第一单向阀，及设于第二储水装置进水口的第二单向阀。

7.根据权利要求6所述的一种燃料电池热电联供热管理系统，其特征在于，所述第一储热回路包括顺次相接的第一换热器、第二循环水泵、第二节温器和第一储水装置；所述第二储热回路包括顺次相接的第一换热器、第二循环水泵、第二节温器和第二储水装置；

所述第二循环水泵的出口端还布设有压力传感器；和/或，

所述第一储水装置内布设有电加热组件，所述电加热组件通过配设的加热开关控制启停。

8.根据权利要求5所述的一种燃料电池热电联供热管理系统，其特征在于，

电需求控制模块运行始于用户的电需求优先级高于热需求优先级时，

被配置为通过控制第一节温器的开度为100％，开启第二循环散热回路，并通过PID调节燃料电池系统散热水路中第一循环水泵的转速和散热器的转速，控制燃料电池系统进口温度在其额定功率运行目标温度范围内。

9.根据权利要求8所述的一种燃料电池热电联供热管理系统，其特征在于，

热需求控制模块运行始于用户的热需求优先级高于电需求优先级时，

被配置为通过所述PID调节储水系统水路中第二循环水泵的转速和第二节温器开度比，控制燃料电池系统进口温度在其额定功率运行目标温度范围内。

10.根据权利要求8或9所述的一种燃料电池热电联供热管理系统，其特征在于，

燃料电池热电联供系统开始运行时，当系统进口温度低于系统额定功率运行目标温度时，通过控制第一节温器的开度为0％，开启第一循环散热系统，以使燃料电池系统快速升温到运行目标温度；

当第一储水装置和第二储水装置内的温度均未达到用户设定温度时，通过控制第一节温器的开度为0％，先开启第一循环散热系统，利用余热加热储水；

当第一储水装置和第二储水装置内的温度都已达到用户设定温度，燃料电池热电联供系统会进入待机模式，等待下一次启动指令。

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