一种燃料电池热电联供系统及运行方法

摘要

本发明提供的一种燃料电池热电联供系统及运行方法，该燃料电池热电联供系统包括：燃料电池及热回收水箱，其中，燃料电池内部设置有氢气管路及空气管路，氢气管路的输入端与外部氢气罐连接，空气管路的输入端与外部空气相通；热回收水箱的输入端与外部冷水管连接，热回收水箱内部设置有气体分散装置，气体分散装置沉于热回收水箱冷水液位以下，气体分散装置的输入端与燃料电池的空气管路的输出端连接，用于获取燃料电池内部电极化学反应后的空气侧剩余气体，并将剩余气体与热回收水箱中的冷水进行接触式热交换，以对燃料电池内部电堆排气废热进行回收。通过实施本发明，弥补了热回收系统效率低的缺点。

权利要求

1.一种燃料电池热电联供系统，其特征在于，包括：燃料电池、热回收水箱及换热器，其中，所述燃料电池内部设置有氢气管路及空气管路，所述氢气管路的输入端与外部氢气罐连接，用于获取外部氢气，所述空气管路的输入端与外部空气相通，用于获取外部空气，所述氢气与所述空气在所述燃料电池内部进行电极化学反应，将化学能转化为电能，为外部负载供电；

所述热回收水箱的输入端与外部冷水管连接，用于获取外部冷水，所述热回收水箱内部设置有气体分散装置，所述气体分散装置沉于所述热回收水箱冷水液位以下，所述气体分散装置的输入端与所述燃料电池的空气管路的输出端连接，用于获取所述燃料电池内部电极化学反应后空气侧的剩余气体，并将所述剩余气体与所述热回收水箱中的冷水进行接触式热交换，以对所述燃料电池内部电堆排气废热进行回收；

所述换热器的第一输入端与所述燃料电池的内循环水管路的第一输出端连接，所述换热器的第一输出端与所述燃料电池的内循环水管路的第一输入端连接，所述换热器的第二输入端与所述热回收水箱的输出端连接，用于获取所述热回收水箱流入的冷水，利用所述热回收水箱流入的冷水与所述燃料电池的内循环水管路中的内循环水进行热交换，以冷却所述燃料电池流出的内循环水，所述换热器的第二输出端与外部热水需求端连接，用于将热交换后升温的水作为热水供应外部热水需求端。

2.根据权利要求1所述的燃料电池热电联供系统，其特征在于，所述气体分散装置沉于所述热回收水箱冷水的深度可调。

3.根据权利要求1所述的燃料电池热电联供系统，其特征在于，所述热回收水箱顶部开有多个通气小孔，所述热回收水箱通过多个所述通气小孔与大气联通。

4.根据权利要求1所述的燃料电池热电联供系统，其特征在于，还包括：氢气循环泵，所述氢气循环泵的输入端与所述氢气管路的输出端连接，所述氢气循环泵的输出端与所述氢气管路的输入端连接，用于将所述燃料电池排出的过量氢气再循环入所述燃料电池的氢气管路。

5.根据权利要求1所述的燃料电池热电联供系统，其特征在于，还包括：空压机，所述空压机的输入端与外部空气相通，所述空压机的输出端与所述空气管路的输入端连接，用于获取外部空气，将所述空气进行压缩，并将压缩后的空气输入至所述燃料电池内部电堆。

6.根据权利要求1所述的燃料电池热电联供系统，其特征在于，所述气体分散装置包括底盘，所述底盘开设有气体通孔及多个透气孔，所述气体通孔与所述空气管路的输出端连接。

7.根据权利要求1所述的燃料电池热电联供系统，其特征在于，所述燃料电池为质子交换膜燃料电池。

8.一种燃料电池热电联供运行方法，其特征在于，应用于如权利要求1‑7任一项所述的燃料电池热电联供系统，所述燃料电池热电联供运行方法包括：获取所述燃料电池热电联供系统运行参数，根据所述运行参数判断所述燃料电池热电联供系统运行状态；

根据所述运行状态启动相应的运行策略；

所述根据所述运行状态启动相应的运行策略，包括：

当所述运行状态为所述燃料电池电堆启动或低载运行时，上移气体分散装置入水深度，或使气体分散装置完全浮出水面；

当所述运行状态为所述燃料电池电堆高负荷运行时，下移气体分散装置入水深度直至热回收水箱底部。

说明书

一种燃料电池热电联供系统及运行方法

技术领域

[0001] 本发明涉及能源动力领域，具体涉及一种燃料电池热电联供系统及运行方法。

背景技术

[0002] 近年来，氢能在能源与化工产业中占据了愈发重要的地位，氢能的应用已经从传统的化工原料气和保护气拓展延伸到交通动力、能源电力与电网储能等诸多领域。尤其是综合能源供给方面，利用燃料电池建设分布式能源供给站提供热电气供给，可以大幅改善能源消费与温室气体排放，对于优化能源布局、促进节能减排、保护生态环境具有重要意义。

[0003] 质子交换膜燃料电池(PEMFC)系统是一种基于燃料电池的可供电供热的系统设计，作为新一代高效无碳的清洁能源供应技术，具有可低温启动、能量密度高、响应迅速等优点。通常电堆运行温度在65℃‑70℃，运行期间系统可将氢气化学能近似对半转化为电能和热能，其中电能经调压稳定后直接输出直流电。然而目前质子交换膜燃料电池系统设计中存在较多热量废弃，造成燃料电池系统热能回收效率不高。

发明内容

[0004] 因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中燃料电池系统热能回收效率不高的缺陷，从而提供一种燃料电池热电联供系统及运行方法。

[0005] 为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

[0006] 第一方面，本发明实施例提供一种燃料电池热电联供系统，包括：燃料电池及热回收水箱，其中，所述燃料电池内部设置有氢气管路及空气管路，所述氢气管路的输入端与外部氢气罐连接，用于获取外部氢气，所述空气管路的输入端与外部空气相通，用于获取外部空气，所述氢气与所述空气在所述燃料电池内部进行电极化学反应，将化学能转化为电能，为外部负载供电；所述热回收水箱的输入端与外部冷水管连接，用于获取外部冷水，所述热回收水箱内部设置有气体分散装置，所述气体分散装置沉于所述热回收水箱冷水液位以下，所述气体分散装置的输入端与所述燃料电池的空气管路的输出端连接，用于获取所述燃料电池内部电极化学反应后空气侧的剩余气体，并将所述剩余气体与所述热回收水箱中的冷水进行接触式热交换，以对所述燃料电池内部电堆排气废热进行回收。

[0007] 可选地，所述气体分散装置沉于所述热回收水箱冷水的深度可调。

[0008] 可选地，燃料电池热电联供系统还包括：换热器，所述换热器的第一输入端与所述燃料电池的内循环水管路的第一输出端连接，所述换热器的第一输出端与所述燃料电池的内循环水管路的第一输入端连接，所述换热器的第二输入端与所述热回收水箱的输出端连接，用于获取所述热回收水箱流入的冷水，利用所述热回收水箱流入的冷水与所述燃料电池的内循环水管路中的内循环水进行热交换，以冷却所述燃料电池流出的内循环水，所述换热器的第二输出端与外部热水需求端连接，用于将热交换后升温的水作为热水供应外部热水需求端。

[0009] 可选地，所述热回收水箱顶部开有多个通气小孔，所述热回收水箱通过多个所述通气小孔与大气联通。

[0010] 可选地，燃料电池热电联供系统还包括：氢气循环泵，所述氢气循环泵的输入端与所述氢气管路的输出端连接，所述氢气循环泵的输出端与所述氢气管路的输入端连接，用于将所述燃料电池排出的过量氢气再循环入所述燃料电池的氢气管路。

[0011] 可选地，燃料电池热电联供系统还包括：空压机，所述空压机的输入端与外部空气相通，所述空压机的输出端与所述空气管路的输入端连接，用于获取外部空气，将所述空气进行压缩，并将压缩后的空气输入至所述燃料电池内部电堆。

[0012] 可选地，所述气体分散装置包括底盘，所述底盘开设有气体通孔及多个透气孔，所述气体通孔与所述空气管路的输出端连接。

[0013] 可选地，所述燃料电池为质子交换膜燃料电池。

[0014] 第二方面，本发明实施例提供一种燃料电池热电联供运行方法，应用于本发明实施例第一方面所述的燃料电池热电联供系统，所述燃料电池热电联供运行方法包括：获取所述燃料电池热电联供系统运行参数，根据所述运行参数判断所述燃料电池热电联供系统运行状态；根据所述运行状态启动相应的运行策略。

[0015] 可选地，所述根据所述运行状态启动相应的运行策略，包括：当所述运行状态为所述燃料电池电堆启动或低载运行时，上移气体分散装置入水深度，或使气体分散装置完全浮出水面；当所述运行状态为所述燃料电池电堆高负荷运行时，下移气体分散装置入水深度直至热回收水箱底部。

[0016] 本发明技术方案，具有如下优点：

[0017] 本发明提供的燃料电池热电联供系统，包括：燃料电池及热回收水箱，其中，燃料电池内部设置有氢气管路及空气管路，氢气管路的输入端与外部氢气罐连接，空气管路的输入端与外部空气相通；热回收水箱的输入端与外部冷水管连接，热回收水箱内部设置有气体分散装置，气体分散装置沉于热回收水箱冷水液位以下，气体分散装置的输入端与燃料电池的空气管路的输出端连接，用于获取燃料电池内部电极化学反应后的空气侧剩余气体，并将剩余气体与热回收水箱中的冷水进行接触式热交换，以对燃料电池内部电堆排气废热进行回收。通过在燃料电池的空气侧尾气端加入开式热回收水箱，从而利用外循环水对排气进行热回收，弥补了热回收系统效率低的缺点。

[0018] 本发明提供的燃料电池热电联供运行方法，包括：获取燃料电池热电联供系统运行参数，根据运行参数判断燃料电池热电联供系统运行状态；根据运行状态启动相应的运行策略。通过根据燃料电池热电联供系统不同的运行状态启用相应的运行策略，在保障燃料电池热电联供系统运行安全的前提下，提升了系统热回收效率。

附图说明

[0019] 为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。

[0020] 图1为本发明实施例中燃料电池热电联供系统的一个具体示例的原理框图；

[0021] 图2为本发明实施例中气体分散装置的一个具体示例图；

[0022] 图3为本发明实施例中燃料电池热电联供系统运行方法的一个具体示例的流程图。

具体实施方式

[0023] 下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

[0024] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

[0025] 在本发明的描述中，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，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。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发明中的具体含义。

[0026] 此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

[0027] 本发明实施例提供一种燃料电池热电联供系统，如图1所示，包括：燃料电池1及热回收水箱2，其中，燃料电池1内部设置有氢气管路及空气管路，氢气管路的输入端与外部氢气罐连接，用于获取外部氢气，空气管路的输入端与外部空气相通，用于获取外部空气，氢气与空气在燃料电池1内部进行电极化学反应，将化学能转化为电能，为外部负载供电；热回收水箱2的输入端与外部冷水管连接，用于获取外部冷水，热回收水箱2内部设置有气体分散装置3，气体分散装置3沉于热回收水箱2冷水液位以下，气体分散装置3的输入端与燃料电池的空气管路的输出端连接，用于获取燃料电池1内部电极化学反应后空气侧的剩余气体，并将剩余气体与热回收水箱2中的冷水进行接触式热交换，以对燃料电池1内部电堆排气废热进行回收。

[0028] 在一具体实施例中，氢气通过氢气管路进入燃料电池1中的阳极，进入阳极的氢气在催化剂作用发生氧化反应产生氢离子和电子。电子经外电路转移到阴极时就产生了直流电，为外电路中的负载供电。此时燃料电池的阳极即电源负极，阴极为电源正极。氢离子则经质子交换膜到达阴极，同时空气通过空气管路进入燃料电池1中的阴极，进入阴极的空气在催化剂作用与氢离子及电子发生还原反应生成水分子。其中产生的水不会稀释电解质，而是随着燃料电池1内部电极化学反应后的剩余气体，通过气体管道5从空气管路的输出端排出至热回收水箱2内部气体分散装置3的输入端。在本发明实施例中，燃料电池1为质子交换膜燃料电池。

[0029] 具体地，燃料电池1内部电极化学反应后的剩余气体从燃料电池1中排出并流经止逆阀4进入气体管道5。气体管道5后接热回收水箱2内的气体分散装置3，气体分散装置3沉于液位以下，其没入高度由气体管道5长短依照需求实时调节。期间不断有冷水从外部流入热回收水箱2，并不断有水从热回收水箱2流出，达到与剩余气体进行热交换的目的，以对燃料电池1内部电堆排气废热进行回收。在本发明实施例中，热回收水箱2冷水进水口与出水口对角布置，用于提高出水水温并降低水流含气量。通过在燃料电池1的空气侧尾气端加入开式热回收水箱2，从而利用外循环水对排气进行热回收，弥补了热回收系统效率低的缺点。

[0030] 本发明提供的燃料电池热电联供系统，包括：燃料电池及热回收水箱，其中，燃料电池设置内部有氢气管路及空气管路，氢气管路的输入端与外部氢气罐连接，用于获取外部氢气，空气管路的输入端与外部空气相通，用于获取外部空气，氢气与空气在燃料电池内部进行电极化学反应，将化学能转化为电能，为外部负载供电；热回收水箱的输入端与外部冷水管连接，用于获取外部冷水，热回收水箱内部设置有气体分散装置，气体分散装置沉于热回收水箱冷水液位以下，气体分散装置的输入端与空气管路的输出端连接，用于获取燃料电池内部电极化学反应后的剩余气体，并将剩余气体与热回收水箱中的冷水进行热交换，以对燃料电池内部电堆排气废热进行回收。通过在燃料电池的空气侧尾气端加入开式热回收水箱，从而利用外循环水对排气进行热回收，弥补了热回收系统效率低的缺点。

[0031] 在一实施例中，气体分散装置3沉于热回收水箱2冷水的深度可调。

[0032] 在一具体实施例中，气体分散装置3入水深度依照系统需要进行调节。具体地，在电堆启动或低载运行时，上移气体分散装置3入水深度以降低电堆运行背压，保障燃料电池热电联供系统运行安全。在电堆高负荷运行时，下移气体分散装置3入水深度直至热回收水箱2底部，在加大燃料电池排气背压的同时，实现了电堆排气废热的回收，提升了系统热回收效率。在本发明实施例中，除了伸缩气体管道5外，还可通过在气体分散装置3上装设可升降装置或调节热回收水箱2水位或改用数控阀门等方式，均可实现调节气体分散装置3沉于热回收水箱2冷水的深度的目的。

[0033] 在一实施例中，燃料电池热电联供系统还包括：换热器6，换热器6的第一输入端与燃料电池1的内循环水管路的第一输出端连接，换热器6的第一输出端与燃料电池1的内循环水管路的第一输入端连接，换热器6的第二输入端与热回收水箱2的输出端连接，用于获取热回收水箱2流入的冷水，利用热回收水箱2流入的冷水与燃料电池1的内循环水管路中的内循环水进行热交换，以冷却燃料电池1流出的内循环水，换热器6的第二输出端与外部热水需求端连接，用于将热交换后升温的水作为热水供应外部热水需求端。

[0034] 在一具体实施例中，热回收水箱2中与燃料电池1内部电极化学反应后的剩余气体进行热交换后的水，流入换热器6用于冷却燃料电池1流出的内循环水，从换热器6流出的水温度有所升高，即作为热水供应外部热水需求端。其中，内循环水路与外循环水路经过换热器6进行非接触式热交换。外循环水先流经热回收水箱2预热，再流入换热器6，作为冷流，对内循环水路进行降温，实现冷水梯级吸热，增大系统总热回收量。

[0035] 在一实施例中，热回收水箱2顶部开有多个通气小孔，热回收水箱2通过多个通气小孔与大气联通。

[0036] 在一具体实施例中，热回收水箱2顶部开有多个通气小孔7，热回收水箱2通过多个通气小孔7与大气联通，保障气体管路5内气体从气体分散装置3内流出后，冒出水面并从通气小孔7排出热回收水箱5。

[0037] 在一实施例中，燃料电池热电联供系统还包括：氢气循环泵8，氢气循环泵8的输入端与氢气管路的输出端连接，氢气循环泵8的输出端与氢气管路的输入端连接，用于将燃料电池1排出的过量氢气再循环入燃料电池1的氢气管路。

[0038] 在一具体实施例中，氢气通入燃料电池1作为反应气源，部分过量氢气排出燃料电池1后可通过氢气循环泵8再循环入燃料电池1氢气管路入口，以提高氢气利用率。在其他实施例中，可无需设置氢气循环泵8，直接将过量氢气排向大气。

[0039] 在一实施例中，燃料电池热电联供系统还包括：空压机9，空压机9的输入端与外部空气相通，空压机9的输出端与空气管路的输入端连接，用于获取外部空气，将空气进行压缩，并将压缩后的空气输入至燃料电池1内部电堆。

[0040] 在一具体实施例中，空气经空压机9压缩加压后输入至燃料电池1参与燃料电池1内部电堆反应。通过对进堆空气进行增压，可以提高燃料电池的功率密度和效率，减小燃料电池热电联供系统的尺寸。

[0041] 在一实施例中，如图2所示，气体分散装置3包括底盘31，底盘开设有气体通孔32及多个透气孔33，气体通孔32与空气管路的输出端连接。

[0042] 在一具体实施例中，通过将气体分散装置3的底盘31设置多个透气孔，提高了电堆排气与水接触的面积，提高了换热效果。在其他实施例中，可将气体分散装置3的底盘31设置为空心型或扁平型。需要指出的是，气体分散装置3的结构在此不作具体限制，该装置主要目的即分散气体流出确保充分的气水接触，只要能保障气体管路5内气体分散即可，如网孔行、碟形、多管型等结构设计。

[0043] 本发明实施例还提供一种燃料电池热电联供运行方法，应用于上述燃料电池热电联供系统，该燃料电池热电联供运行方法包括如下步骤：

[0044] 步骤S1：获取燃料电池热电联供系统运行参数，根据运行参数判断燃料电池热电联供系统运行状态。

[0045] 在一具体实施例中，获取燃料电池当前功率等参数，根据当前功率参数判断燃料电池热电联供系统处于电堆启动或低载运行，还是处于燃料电池电堆高负荷运行。具体地，当当前功率大于预设功率值时，判定燃料电池热电联供系统处于燃料电池电堆高负荷运行，否则判定燃料电池热电联供系统处于电堆启动或低载运行状态。

[0046] 步骤S2：根据运行状态启动相应的运行策略。

[0047] 在一具体实施例中，当运行状态为燃料电池电堆启动或低载运行时，上移气体分散装置入水深度，或使气体分散装置完全浮出水面。当运行状态为燃料电池电堆高负荷运行时，下移气体分散装置入水深度直至热回收水箱底部。

[0048] 在本发明实施例中，在燃料电池热电联供系统处于电堆启动或低载运行状态时，上移气体分散装置入水深度以降低电堆运行背压，保障燃料电池热电联供系统运行安全。在燃料电池热电联供系统处于燃料电池电堆高负荷运行时，下移气体分散装置入水深度直至热回收水箱底部，在加大燃料电池排气背压的同时，实现了电堆排气废热的回收，提升了系统热回收效率。

[0049] 本发明提供的燃料电池热电联供运行方法，包括：获取燃料电池热电联供系统运行参数，根据运行参数判断燃料电池热电联供系统运行状态；根据运行状态启动相应的运行策略。通过根据燃料电池热电联供系统不同的运行状态启用相应的运行策略，在保障燃料电池热电联供系统运行安全的前提下，提升了系统热回收效率。

[0050] 显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。