CN220873630U - 氢燃料电池及包含其的发电站 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种氢燃料电池及包含其的发电站，换热器和加热器分别设置在冷却液流动的第一、第二支路上，当冷却液在第一温度时，燃料电池电堆的冷却液流经过第一支路，经过加热器的加热后回流电堆；当冷却液在第二温度下，燃料电池电堆的冷却液经过第二支路后回流燃料电池电堆；第一温度不大于第二温度。冷却液出来后分为两条路径，第一条是过加热器到后再进入燃料电池电堆，主要是冬天温度低时，需要加热器把冷却液加热升高后再进入燃料电池电堆，因为进燃料电池电堆的冷却液的温度需要足够高；第二条是燃料电池电堆运行一段时间后，冷却液从燃料电池电堆流出的温度较高，将燃料电池电堆产生的热量经过冷却液带出后换热后供其他设备使用。

Description

氢燃料电池及包含其的发电站

技术领域

本实用新型涉及燃料电池领域，特别涉及一种氢燃料电池及包含其的发电站。

背景技术

新能源汽车从早期的油电混动型，到后来的纯电型，再到现在的电(燃料电池与电池)混动型，这预示着人们将越来越多的关注投向了更加清洁、环保的燃料电池车上。因此吸引了各大车厂及燃料电池界的专业技术人员对燃料电池汽车的研究与开发。

氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置。其基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阳极和阴极，氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阴极。最终产生水排出，因此具有节能、环保等优点。

传统氢燃料系统发电站所用能源的近三分之二以向大气排放热量的形式浪费掉了。在向最终用户分配电力的过程中会浪费额外的能源。通过捕获和使用原本会浪费的热量，并避免分配损失，热电联供可以实现超过90％的效率，而典型技术(即传统氢燃料电池系统)的效率为50％左右。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是为了克服现有技术中的氢燃料电池发电站的热效率较低的缺陷，提供一种氢燃料电池及包含其的发电站。

本实用新型是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种氢燃料电池，氢燃料电池包括：

燃料电池电堆，

冷却模块，冷却模块用于冷却燃料电池电堆，冷却模块包括换热器和加热器，换热器和加热器分别设置在冷却液流动的第一支路和第二支路上，

当冷却液在第一温度时，燃料电池电堆的冷却液流经过第一支路，经过加热器的加热后回流燃料电池电堆；当冷却液在第二温度下，燃料电池电堆的冷却液经过第二支路后回流燃料电池电堆；

其中，第一温度不大于第二温度。

在本方案中，从燃料电池电堆出来的冷却液，之后分为两种路径，第一种是过加热器到后再进入燃料电池电堆，流经这个路径主要是冬天温度低时，需要加热器把冷却液加热升高后再进入燃料电池电堆，因为进燃料电池电堆的温度需要足够的温度；第二支路是燃料电池电堆运行一段时间后，冷却液从燃料电池电堆流出的温度较高，冷却液经换热器后进入燃料电池电堆，将燃料电池电堆产生的热量经过换热后供其他设备使用，提高了燃料电池的热效率，同时冷却液在不同的温度下对应不同的流动路径，提高了燃料电池的热效率，避免了冷却液的在流动过程中散失热量。

较佳地，第二支路还包括热电联供装置和散热器，散热器和热电联供装置分别连接于换热器的第一输出端和第二输出端，

当换热器中的冷却液温度达到第三温度时，热电联供装置或散热器工作；当换热器的冷却液温度达到第四温度时，热电联供装置或散热器同时工作；

其中，第二温度不大于第三温度，第三温度不大于第四温度。

在本方案中，当冷却液的温度处于第三温度时，通过热电联供装置以及散热器可降低冷却液的温度，提高了燃料电池整体的热效率，提高了燃料电池电堆的产生的热量的利用率；当冷却液的温度达到第四温度时，通过热电联供装置和散热器同时工作，快速降低冷却液的温度，并同时将燃料电池电堆产生的热量快速利用，大大提高了燃料电池电堆整体的能量利用效率。

较佳地，冷却模块还包括温控阀，第一支路和第二支路的出口连通温控阀的入口，温控阀的第一出口连通燃料电池电堆的入口。

在本方案中，在进入燃料电池电堆的冷却液的入口处设置温控阀，实现对燃料电池电堆的冷却液的稳定供应，温控阀通过调节出口流量，确定冷却液在不同温度下的流量，从而更好的满足燃料电池电堆的对冷却液的需求，实现对燃料电池更精确的温度控制，提高系统稳定性并优化能源利用效率。

较佳地，冷却模块还包括过滤器，流过散热器的冷却液经过过滤器后流入温控阀。

在本方案中，设置过滤器可以过滤冷却液中的杂质和颗粒物，减少散热器以及燃料电池电堆的冷却液在管路流动过程中发生堵塞，使得整个冷却系统保持高效运行；过滤器设置在温控阀的上游，可以防止杂质和颗粒物进入温控阀，确保温控阀的正常工作，从而保证了燃料电池电堆的正常运行，提高了系统的可靠性。

较佳地，冷却模块还包括水泵和水壶，

冷却液经过换热器的第三出口后依次流过水壶和水泵，水泵的出口连通第一支路和第二支路的入口。

在本方案中，水泵使得冷却液以更高的速度流动，冷却液在经过换热器后，一小部分流入水壶，通过增加冷却液的流动速度，可以增强冷却液循环，提高燃料电池电堆的冷却效果；水壶的作用是提供缓冲和冷却液温度稳定性。冷却液的一小部分先进入水壶，通过水壶的接触和蓄热效应，可以平衡和稳定冷却液的温度。这样可以减少温度波动对燃料电池电堆的影响，保持稳定的工作条件。通过引入水泵和水壶，该冷却模块能够增强冷却液循环、提高温度稳定性，并增加能源的回收利用，优化燃料电池系统的性能，提高能源利用效率。

较佳地，冷却模块还包括中冷器和氢气换热器，温控阀的第二出口依次连通中冷器和氢气换热器，氢气换热器的出口连通水泵。

在本方案中，加入中冷器和氢气换热器的冷却模块提升了冷却效果和热能互补利用，氢气换热器将冷却液中的热量传递至氢气，提高了燃料电池电堆的效率，整体上优化了燃料电池的性能，通过控制温度和提高能量利用效率，系统可以实现更稳定、高效的运行。

较佳地，燃料电池电堆的冷却液出口连通水泵。

在本方案中，设置水泵，可将燃料电池电堆中的冷却液快速从燃料电池电镀中流出，提高了燃料电池电堆的整体热量流动效率，从而提高了热量从燃料电池电堆冲流出的效率，将流出的热量供给其他设置使用，整体上提高了燃料电池电堆的热效率。

较佳地，氢燃料电池还包括第一温度传感器和第二温度传感器，第一温度传感器和第二温度传感器分别设置在燃料电池电堆的入口和出口，第一温度传感器和第二温度传感器分别检测燃料电池电堆的入口和出口处的冷却液的温度；或，

氢燃料电池还包括第三温度传感器，第三温度传感器设置在换热器的热电联供装置处，第三温度传感器检测热电联供装置的温度。

在本方案中，设置第一温度传感器和第二温度传感器，使得对流入燃料电池电堆的冷却液的温度进行测量，从而对流入流出的冷却液的温度进行精确控制，利用冷却液的流入流出的温度差带出燃料电池电堆产生的热量，并将带出的热量充分利用，使得燃料电池电堆产生的能量可以最大程度的被利用，并提高了对燃料电池电堆的控制精确度；

设置第三温度传感器，使得换热器与热电联供装置整体的换热提供依据，使得从冷却液与热电联供装置之间的换热的热量更加精确。

一种发电站，发电站包括如上的氢燃料电池。

在本方案中，从燃料电池堆出来的冷却液，之后分为两种路径，第一种是过加热器到后再进入燃料电池电堆，流经这个路径主要是冬天温度低时，需要加热器把冷却液加热升高后再进入燃料电池电堆，因为进燃料电池电堆的温度需要足够的温度；第二支路是燃料电池电堆运行一段时间后，冷却液从燃料电池电堆流出的温度较高，冷却液经换热器后进入燃料电池电堆，将燃料电池电堆产生的热量经过换热后供其他设备使用，提高了燃料电池的热效率，同时冷却液在不同的温度下对应不同的流动路径，提高了燃料电池的热效率，避免了冷却液的在流动过程中散失热量。

较佳地，所发电站还包括集装箱，氢燃料电池设置在发电站内，至少两个氢燃料电池并列式设置；和/或，

发电站还包括集装箱，散热器设置在集装箱的顶端。

在本方案中，至少两个集装性并列设置，此集装箱的方式使得发电站可便携式移动，至少两个氢燃料电池设置在集装箱内，提高了集装箱的发电功率；

散热器布置在集装箱顶部，有利于散热器提高效率，且可把散出的热量直接排到大气中，散热器又不占用集装箱内部本身的空间，使得空间利用率更高，布置更合理。

本实用新型的积极进步效果在于：从燃料电池堆出来的冷却液，之后分为两种路径，第一种是过加热器到后再进入燃料电池电堆，流经这个路径主要是冬天温度低时，需要加热器把冷却液加热升高后再进入燃料电池电堆，因为进燃料电池电堆的温度需要足够的温度；第二支路是燃料电池电堆运行一段时间后，冷却液从燃料电池电堆流出的温度较高，冷却液经换热器后进入燃料电池电堆，将燃料电池电堆产生的热量经过换热后供其他设备使用，提高了燃料电池的热效率，同时冷却液在不同的温度下对应不同的流动路径，提高了燃料电池的热效率，避免了冷却液的在流动过程中散失热量。

附图说明

图1为本实用新型一实施例的氢燃料电池发电站原理图。

图2为本实用新型一实施例的氢燃料电池的冷却系统原理图。

图3为本实用新型一实施例的发电站的立体结构示意图。

附图标记说明

燃料电池电堆100

冷却模块200

温控阀201

加热器202

换热器203

散热器204

过滤器205

水泵206

水壶207

中冷器208

氢气换热器209

热电联供入口210

热电联供出口211

第一温度传感器T1

第二温度传感器T2

第三温度传感器T3

二通阀212

集装箱300

输出柜400

中央控制柜401

配电柜402

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本实用新型，但并不因此将本实用新型限制在的实施例范围之中。

本实施例提供一种氢燃料电池，如图2所示，氢燃料电池包括燃料电池电堆100及冷却模块200，冷却模块200用于冷却燃料电池电堆100，冷却模块200包括换热器203和加热器202，换热器203和加热器202分别设置在冷却液流动的第一支路和第二支路上；

当冷却液在第一温度时，燃料电池电堆100的冷却液流经过第一支路，经过加热器202的加热后回流燃料电池电堆100；当冷却液在第二温度下，燃料电池电堆100的冷却液经过第二支路后回流燃料电池电堆100，第一温度不大于第二温度，其中，第一温度和第二温度均为冷却液不同流动路径下对应的温度值。

其中，从燃料电池堆的水泵出来的冷却液，之后分为两种路径，第一种是过加热器202到后再进入燃料电池电堆100，流经这个路径主要是冬天温度低时，需要加热器202把冷却液加热升高后再进入燃料电池电堆100，因为进燃料电池电堆100的温度需要足够的温度；第二支路是燃料电池电堆100运行一段时间后，冷却液从燃料电池电堆100流出的温度较高，冷却液经换热器203后进入燃料电池电堆100，将燃料电池电堆100产生的热量经过换热后供其他设备使用，提高了燃料电池的热效率，同时冷却液在不同的温度下对应不同的流动路径，提高了燃料电池的热效率，避免了冷却液的在流动过程中散失热量。

在本实施例中，第二支路还包括热电联供装置和散热器204，散热器204和热电联供装置分别连接于换热器203的第一输出端和第二输出端，当换热器203中的冷却液温度达到第三温度时，热电联供装置或散热器204工作；当换热器203的冷却液温度达到第四温度时，热电联供装置或散热器204同时工作，第二温度不大于第三温度，第三温度不大于第四温度，其中，第三温度和第四温度均为冷却液在不同的流动路径下对应的温度值。

具体地，当冷却液的温度处于第三温度时，通过热电联供装置以及散热器204可降低冷却液的温度，提高了燃料电池整体的热效率，提高了燃料电池电堆100的产生的热量的利用率；当冷却液的温度达到第四温度时，通过热电联供装置和散热器204同时工作，快速降低冷却液的温度，并同时将燃料电池电堆100产生的热量快速利用，大大提高了燃料电池电堆100整体的能量利用效率。

其中，散热器204和换热器203之间可通过程序来实时调节工作，当需要换热器203工作时候，程序可发送指令给散热器204停止工作，当换热器203散热能力不足以支撑整个电站的散热功率时，控制器发送指令给散热器204，此时散热器204可以开始逐步启动工作，让发电效率发挥到最佳；目前氢燃料电池发电站最大发电效率约为50％，应用了该燃料电池的热电联供系统通过能量回收总效率可达到90％以上，极大的提高了氢燃电的发电效率。

在本实施例中，冷却模块200还包括温控阀201，第一支路和第二支路的出口连通温控阀201的入口，温控阀201的第一出口连通燃料电池电堆100的入口。

具体地，在进入燃料电池电堆100的冷却液的入口处设置温控阀201，实现对燃料电池电堆100的冷却液的稳定供应，温控阀201通过调节出口流量，确定冷却液在不同温度下的流量，从而更好的满足燃料电池电堆100的对冷却液的需求，实现对燃料电池更精确的温度控制，提高系统稳定性并优化能源利用效率。

在本实施例中，冷却模块200还包括过滤器205，流过散热器204的冷却液经过过滤器205后流入温控阀201。设置过滤器205可以过滤冷却液中的杂质和颗粒物，减少散热器204以及燃料电池电堆100的冷却液在管路流动过程中发生堵塞，使得整个冷却系统保持高效运行；过滤器205设置在温控阀201的上游，可以防止杂质和颗粒物进入温控阀201，确保温控阀201的正常工作，从而保证了燃料电池电堆100的正常运行，提高了系统的可靠性。

其中，冷却模块200还包括水泵206和水壶207，冷却液经过换热器203的第三出口后依次流过水壶207和水泵206，水泵206的出口连通第一支路和第二支路的入口。水泵206使得冷却液以更高的速度流动，冷却液在经过换热器203后，冷却液中的小部分流入水壶207，通过增加冷却液的流动速度，可以增强冷却液循环，提高燃料电池电堆100的冷却效果；水壶207的作用是提供缓冲和冷却液温度稳定性。冷却液的小部分进入水壶207，通过水壶207的接触和蓄热效应，可以平衡和稳定冷却液的温度。这样可以减少温度波动对燃料电池电堆100的影响，保持稳定的工作条件。通过引入水泵206和水壶207，该冷却模块200能够增强冷却液循环、提高温度稳定性，并增加能源的回收利用，优化燃料电池系统的性能，提高能源利用效率。

具体地，冷却模块200还包括中冷器208和氢气换热器209，温控阀201的第二出口依次连通中冷器208和氢气换热器209，氢气换热器209的出口连通水泵206，加入中冷器208和氢气换热器209的冷却模块200提升了冷却效果和热能互补利用，氢气换热器209将冷却液中的热量传递至氢气，提高了燃料电池电堆100的效率，整体上优化了燃料电池的性能，通过控制温度和提高能量利用效率，系统可以实现更稳定、高效的运行。

其中，燃料电池电堆100的冷却液出口连通水泵206，设置水泵206，可将燃料电池电堆100中的冷却液快速从燃料电池电镀中流出，提高了燃料电池电堆100的整体热量流动效率，从而提高了热量从燃料电池电堆100冲流出的效率，将流出的热量供给其他设置使用，整体上提高了燃料电池电堆100的热效率。

其中，氢燃料电池还包括第一温度传感器T1和第二温度传感器T2，第一温度传感器T1和第二温度传感器T2分别设置在燃料电池电堆100的入口和出口，第一温度传感器T1和第二温度传感器T2分别检测燃料电池电堆100的入口和出口处的冷却液的温度；

氢燃料电池还包括第三温度传感器T3，第三温度传感器T3设置在换热器203的热电联供装置处，第三温度传感器T3检测热电联供装置的温度。

其中，设置第一温度传感器T1和第二温度传感器T2，使得对流入燃料电池电堆100的冷却液的温度进行测量，从而对流入流出的冷却液的温度进行精确控制，利用冷却液的流入流出的温度差带出燃料电池电堆100产生的热量，并将带出的热量充分利用，使得燃料电池电堆100产生的能量可以最大程度的被利用，并提高了对燃料电池电堆100的控制精确度；

设置第三温度传感器T3，使得换热器203与热电联供装置整体的换热提供依据，使得从冷却液与热电联供装置之间的换热的热量更加精确。

具体地，当燃料电池电堆100系统开始启动时，因为燃料电池电堆100冷却液的进口需要一定的温度，此时系统正在升温阶段，第一温度传感器T1检测到电堆入口温度较低，例如一般出口温度低于70℃、入口温度低于60℃时，发送指令给热电联供控制器，因此换热器203热电联供功能也关闭；当升到一定温度后，例如，当燃料电池电堆100的入口温度达到60℃时，热电联供装置开始介入工作，控制器发送指令使得二通阀212打开，换热功能开始工作。正常情况下，换热器203提供热电联供功能时，第三温度传感器T3的温度始终小于第二温度传感器T2的温度，第一温度传感器的温度T1不小于第三温度传感器T3的温度，第一温度传感器T1的温度不大于第二温度传感器T2的温度。

本实施例还提供一种发电站，发电站包括如上的氢燃料电池，从燃料电池堆出来的冷却液，之后分为两种路径，第一种是过加热器202到后再进入燃料电池电堆100，流经这个路径主要是冬天温度低时，需要加热器202把冷却液加热升高后再进入燃料电池电堆100，因为进燃料电池电堆100的温度需要足够的温度；第二支路是燃料电池电堆100运行一段时间后，冷却液从燃料电池电堆100流出的温度较高，冷却液经换热器203后进入燃料电池电堆100，将燃料电池电堆100产生的热量经过换热后供其他设备使用，提高了燃料电池的热效率，同时冷却液在不同的温度下对应不同的流动路径，提高了燃料电池的热效率，避免了冷却液的在流动过程中散失热量。

其中，所发电站还包括集装箱300，氢燃料电池设置在发电站内，至少两个氢燃料电池并列式设置；在本方案中，至少两个集装性并列设置，此集装箱300的方式使得发电站可便携式移动，至少两个氢燃料电池设置在集装箱300内，提高了集装箱300的发电功率。

具体地，发电站还包括集装箱300，散热器204设置在集装箱300的顶端。散热器204布置在集装箱300顶部，有利于散热器204提高效率，且可把散出的热量直接排到大气中，散热器204又不占用集装箱300内部本身的空间，使得空间利用率更高，布置更合理。

本实施例中，集装箱300燃电系统布局紧凑，10个氢燃料电池系统并排排列在集装箱300一侧，集装箱300中间留有一小走廊调试及检修，空间利用率达到最大化，整个集装箱300发电站占地面积小，移动方便。可随时作为中大型备用发电站。

氢燃料发电站采用10个氢燃料电池系统并联发电，产生的热量利用热电联供给工业用水进行加热，加热的同时又给系统冷却循环水进行了降温，这样直接提高系统的发电效率，最大效率能达90％以上。在不需要热电联供时，或者当热电联供冷却功率满足不了系统的散热需求时，系统开始启动散热器204进行工作，来保证整个燃料电池系统正常冷却，使其正常发电。

如图1、图3所示，输出柜400、中央控制柜401以及配电柜402设置在集装箱300的左侧区，10个燃料电池电堆100沿着集装箱300的延伸方向并列设置。

虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本实用新型的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本实用新型的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种氢燃料电池，其特征在于，所述氢燃料电池包括：

燃料电池电堆，

冷却模块，所述冷却模块用于冷却所述燃料电池电堆，所述冷却模块包括换热器和加热器，所述换热器和所述加热器分别设置在冷却液流动的第一支路和第二支路上，

当所述冷却液在第一温度时，所述燃料电池电堆的冷却液流经过所述第一支路，经过所述加热器的加热后回流所述燃料电池电堆；当所述冷却液在第二温度下，所述燃料电池电堆的冷却液经过所述第二支路后回流所述燃料电池电堆；

其中，所述第一温度不大于所述第二温度。

2.如权利要求1所述的氢燃料电池，其特征在于，所述第二支路还包括热电联供装置和散热器，所述散热器和所述热电联供装置分别连接于所述换热器的第一输出端和第二输出端，

当所述换热器中的冷却液温度达到第三温度时，所述热电联供装置或所述散热器工作；当所述换热器的冷却液温度达到第四温度时，所述热电联供装置或所述散热器同时工作；

其中，所述第二温度不大于所述第三温度，所述第三温度不大于所述第四温度。

3.如权利要求2所述的氢燃料电池，其特征在于，所述冷却模块还包括温控阀，所述第一支路和所述第二支路的出口连通所述温控阀的入口，所述温控阀的第一出口连通所述燃料电池电堆的入口。

4.如权利要求3所述的氢燃料电池，其特征在于，所述冷却模块还包括过滤器，流过所述散热器的冷却液经过所述过滤器后流入所述温控阀。

5.如权利要求3所述的氢燃料电池，其特征在于，所述冷却模块还包括水泵和水壶，

所述冷却液经过所述换热器的第三出口后依次流过所述水壶和所述水泵，所述水泵的出口连通所述第一支路和所述第二支路的入口。

6.如权利要求5所述的氢燃料电池，其特征在于，所述冷却模块还包括中冷器和氢气换热器，所述温控阀的第二出口依次连通所述中冷器和所述氢气换热器，所述氢气换热器的出口连通所述水泵。

7.如权利要求5所述的氢燃料电池，其特征在于，所述燃料电池电堆的冷却液出口连通所述水泵。

8.如权利要求1所述的氢燃料电池，其特征在于，所述氢燃料电池还包括第一温度传感器和第二温度传感器，所述第一温度传感器和所述第二温度传感器分别设置在所述燃料电池电堆的入口和出口，所述第一温度传感器和所述第二温度传感器分别检测所述燃料电池电堆的入口和出口处的冷却液的温度；或，

所述氢燃料电池还包括第三温度传感器，所述第三温度传感器设置在所述换热器的热电联供装置处，所述第三温度传感器检测所述热电联供装置的温度。

9.一种发电站，其特征在于，所述发电站包括如权利要求1-8中任一项所述的氢燃料电池。

10.如权利要求9所述的发电站，其特征在于，所述发电站还包括集装箱，所述氢燃料电池设置在所述发电站内，至少两个所述氢燃料电池并列式设置；和/或，

所述发电站还包括集装箱，散热器设置在所述集装箱的顶端。