基于全热交换器和热泵技术的燃料电池热回收及供热系统

摘要

本发明公开了一种基于全热交换器和热泵技术的燃料电池热回收及供热系统，涉及燃料电池热回收及利用领域，包括燃料电池系统、电堆余热回收系统、乏气回收系统、全热交换器、第一蒸发器、第二蒸发器、压缩机、供热系统、热泵工质、热泵工质管路、热泵工质膨胀阀及多个管路截止阀；燃料电池的电堆余热和阴极排气余热分别通过电堆余热回收系统和乏气回收系统进入两个蒸发器，使热泵工质受热后相变蒸发，在压缩机的作用下沿热泵工质管路进入供热系统，释放热量后冷凝液化，经热泵工质膨胀阀降温降压，回到蒸发器，完成热回收及供热流程，并循环往复。本发明能够回收50℃以下的余热，并通过管路截止阀的通断控制各系统的串并联工作，提高工作效率。

权利要求

1.基于全热交换器和热泵技术的燃料电池热回收及供热系统，其特征在于，包括燃料电池系统(1)、电堆余热回收系统、乏气回收系统、全热交换器(39)、第一蒸发器(29)、第二蒸发器(24)、压缩机(5)、供热系统、热泵工质(41)、热泵工质管路(20)、热泵工质膨胀阀(21)及多个管路截止阀，其中，所述燃料电池系统(1)包括电堆(2)、阴极进气管路(40)、阴极排气管路(36)、阳极氢气入口管路(3)和阳极多余氢气出口管路(4)；

所述乏气回收系统包括乏气风道(37)、环境空气补充口(27)、可变风量混合器风管、风机(22)及排气出口(23)；

所述供热系统为住宅用供热水系统(8)，或供暖系统(16)，或供热水系统(8)与供暖系统(16)综合一体化系统；

所述电堆(2)产生的热量通过所述电堆余热回收系统进入所述第一蒸发器(29)；所述阴极排气管路(36)的排气进入所述全热交换器(39)，显热和潜热被部分吸收后成为乏气，经过所述乏气风道(37)，与来自所述环境空气补充口(27)的空气混合后，进入所述可变风量混合器 风管，携带混合气余热进入所述第二蒸发器(24)，释放热量后在所述风机(22)的作用下从所述排气出口(23)排出；

所述第一蒸发器(29)和所述第二蒸发器内(24)的所述热泵工质(41)经电堆余热和混合气余热加热后相变蒸发，在所述压缩机(5)的作用下沿所述热泵工质管路(20)进入所述供热系统；释放并传递热量后冷凝液化，经所述热泵工质膨胀阀(21)后降温降压，回到所述第一蒸发器(29)和所述第二蒸发器(24)，完成一个热回收及供热流程，并循环往复；

所述多个管路截止阀设置于所述热泵工质管路(20)中，通过不同管路截止阀的打开和关闭控制所述供热系统、所述第一蒸发器(29)及所述第二蒸发器(24)的串联或并联工作模式。

2.如权利要求1所述的燃料电池热回收及供热系统，其特征在于，所述电堆余热回收系统包括电堆换热结构(34)、换热工质(31)、换热工质盘管(33)、换热工质循环泵(35)和换热工质管路(32)。

3.如权利要求1所述的燃料电池热回收及供热系统，其特征在于，所述供热水系统为高温水箱，包括水箱体、水箱进水口(11)、水箱出水口(9)、水箱换热盘管(13)和管路。

4.如权利要求1所述的燃料电池热回收及供热系统，其特征在于，所述供暖系统包括供暖工质入口(18)、供暖末端换热盘管(19)、供暖工质出口(17)和管路。

5.如权利要求1所述的燃料电池热回收及供热系统，其特征在于，所述环境空气补充口(27)设置有风量调节阀，用于调节所述可变风量混合器风管中的乏气量与空气量的比率，适应所述供热系统的负荷需求。

6.如权利要求1所述的燃料电池热回收及供热系统，其特征在于，所述全热交换器(39)为转轮式全热交换器，所述转轮涂覆有固体除湿材料，转动过程中，完成对燃料电池阴极排气的吸热吸湿和对阴极进气的释热放湿的循环处理工作。

7.如权利要求6所述的燃料电池热回收及供热系统，其特征在于，所述固体除湿材料为硅胶或分子筛。

8.如权利要求1所述的燃料电池热回收及供热系统，其特征在于，所述第一蒸发器(29)为套管换热器或板式换热器。

9.如权利要求1所述的燃料电池热回收及供热系统，其特征在于，所述第二蒸发器(24)为管翅式换热器。

10.一种根据权利要求1‑9任一项所述的燃料电池热回收及供热系统的运行方法，其特征在于，所述运行方法包括8种运行模式，分别为：a、两个蒸发器串联的供热水模式；

b、两个蒸发器并联的供热水模式；

c、两个蒸发器串联的供暖模式；

d、两个蒸发器并联的供暖模式；

e、两个蒸发器串联、两个供热系统串联的同时供热水和供暖模式；

f、两个蒸发器并联、两个供热系统串联的同时供热水和供暖模式；

g、两个蒸发器串联、两个供热系统并联的同时供热水和供暖模式；

h、两个蒸发器并联、两个供热系统并联的同时供热水和供暖模式。

说明书

基于全热交换器和热泵技术的燃料电池热回收及供热系统

技术领域

[0001] 本发明涉及燃料电池热回收及利用领域，尤其涉及一种基于全热交换器和热泵技术的燃料电池热回收及供热系统。

背景技术

[0002] 大力发展氢能技术，是实现“碳达峰”、“碳中和”的重要手段。在诸多的氢能利用技术中，燃料电池具有零碳排放、运行平稳等特点，在能源动力领域，尤其是车用动力电池领域发展迅速，但在住宅热电联供等其他领域的规模化高效利用较为有限。从能量转化的角度看，燃料电池产生电能的过程中必然伴随着热能的产生，如将此部分热量加以高效回收与利用，通过燃料电池开发住宅用电、热综合供能系统，不仅可以实现零碳排放，还可以通过热、电的综合调节和利用，实现能源的高效利用，大幅提升燃料电池系统的整体效率。

[0003] 但是，将燃料电池系统作为住宅用综合供能系统实现热、电能量的全面利用，还面临着众多技术上的难题。目前，国内还没有住宅用燃料电池热电联供产品，仅有少量的科研开发活动。适合于住宅用能场景的燃料电池微型热电联供系统主要集中于日本、欧盟等少数国家和地区。日本是燃料电池微型热电联产应用最成功的国家，但主要以固体氧化物、聚合物电解质燃料电池为主，氢燃料电池并未得到大量应用；欧盟燃料电池及氢能合作组织(FCHJU)长期支持燃料电池微型热电联产的发展，并取得了较大发展。在日本和欧盟的燃料电池微型热电联产系统中，余热的主要处理方式仅仅是直接回收供生活热水，无法满足多方面的供热需求。

[0004] 这是因为，燃料电池综合供能系统一般以电堆余热和阴极排气余热的回收利用为基础，但余热回收难度大、效率低。以质子交换膜燃料电池为例，其工作温度约在80℃左右，现阶段只能高效回收50～80℃温区内的余热，50℃以下的余热回收率很小，造成低温度区段热量的浪费，使整个燃料电池余热回收系统效率低下。另外，因为住宅用能位置分散、不同时段用能波动性大的特点，又使得使用燃料电池回收余热的供能系统的供热不够稳定，使得燃料电池发电‑产热与住宅用电‑用热的匹配性能降低。

[0005] 因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于全热交换器和热泵技术的燃料电池热回收及供热系统。

发明内容

[0006] 有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种燃料电池高效热回收及供热系统，尤其能够高效回收50℃以下低温区的余热，提高燃料电池整体余热回收效率，提高产热温度，取消电辅热技术，简化供热系统；同时利用此回收余热的供热系统供热性能稳定，解决住宅用能波动性大导致供热不稳定的问题，提高燃料电池的发电‑产热与住宅用电‑用热的匹配性能。

[0007] 为实现上述目的，本发明提供了一种基于全热交换器和热泵技术的燃料电池热回收及供热系统。

[0008] 本发明通过以下技术方案实现：基于全热交换器和热泵技术的燃料电池热回收及供热系统，包括燃料电池系统、电堆余热回收系统、乏气回收系统、全热交换器、第一蒸发器、第二蒸发器、压缩机、供热系统、热泵工质、热泵工质管路、热泵工质膨胀阀及多个管路截止阀，其中，

[0009] 所述燃料电池系统包括电堆、阴极进气管路、阴极排气管路、阳极氢气入口管路、阳极多余氢气出口管路；所述乏气回收系统包括乏气风道、环境空气补充口、可变风量混合器风管、风机及排气出口；所述供热系统为住宅用供热水系统，或供暖系统，或供热水与供暖综合系统。

[0010] 所述电堆产生的热量通过所述电堆余热回收系统进入所述第一蒸发器；所述阴极排气管路的排气进入所述全热交换器，显热和潜热被部分吸收后成为乏气，经过所述乏气风道，与来自环境空气补充口的空气混合后，进入所述可变风量混合气风管，携带混合气余热进入所述第二蒸发器，释放热量后在所述风机的作用下从所述排气出口排出。

[0011] 所述第一蒸发器和所述第二蒸发器内的液态所述热泵工质经电堆余热和混合气余热加热后相变蒸发，在所述压缩机的作用下沿所述热泵工质管路进入所述供热系统；气态所述热泵工质在所述供热系统释放并传递热量后冷凝液化，经所述热泵工质膨胀阀后降温降压，回到所述第一蒸发器和所述第二蒸发器，完成一个热回收及供热流程，并循环往复。

[0012] 所述多个管路截止阀设置于所述热泵工质管路中，通过不同管路截止阀的打开和关闭控制所述供热系统、所述第一蒸发器及所述第二蒸发器的串联或并联工作模式。

[0013] 进一步地，所述电堆余热回收系统包括电堆换热结构、换热工质、换热工质盘管、换热工质循环泵、换热工质管路。

[0014] 进一步地，所述供热水系统为高温水箱，包括水箱体、水箱进水口、水箱出水口、水箱换热盘管和管路。

[0015] 优选地，所述水箱体添加相变球，采用相变材料的包裹实现蓄热密度和保温性能的提升。

[0016] 进一步地，所述供暖系统包括供暖工质入口、供暖末端换热盘管、供暖工质出口和管路。

[0017] 进一步地，所述环境空气补充口设置有风量调节阀，用于调节所述可变风量混合器风管中的乏气量与空气量的比率，适应所述供热系统的负荷需求。

[0018] 进一步地，所述全热交换器为转轮式全热交换器，所述转轮涂覆有固体除湿材料，转动过程中，完成对燃料电池阴极排气的吸热吸湿和对阴极进气的释热放湿的循环处理工作。

[0019] 进一步地，所述固体除湿材料为硅胶或分子筛。

[0020] 进一步地，所述第一蒸发器为套管换热器或板式换热器。

[0021] 进一步地，所述第二蒸发器为管翅式换热器。

[0022] 进一步地，所述压缩机为变频压缩机。

[0023] 进一步地，所述风机为轴流风机。

[0024] 进一步地，所述热泵工质为R134A或R410A。

[0025] 进一步地，所述热泵工质膨胀阀为电子膨胀阀，将热泵工质从高压状态节流至低压状态。

[0026] 本发明还提供了上述基于全热交换器和热泵技术的燃料电池热回收及供热系统的运行方法，一共包括8种运行模式，分别为：

[0027] a、两个蒸发器串联的供热水模式；

[0028] b、两个蒸发器并联的供热水模式；

[0029] c、两个蒸发器串联的供暖模式；

[0030] d、两个蒸发器并联的供暖模式；

[0031] e、两个蒸发器串联、两个供热系统串联的同时供热水和供暖模式；

[0032] f、两个蒸发器并联、两个供热系统串联的同时供热水和供暖模式；

[0033] g、两个蒸发器串联、两个供热系统并联的同时供热水和供暖模式；

[0034] h、两个蒸发器并联、两个供热系统并联的同时供热水和供暖模式。

[0035] 本发明具有以下有益效果：

[0036] 1)采用全热交换器对燃料电池阴极排气进行处理，对其进行提质并提高使用效能，采用热泵技术，将电堆余热和阴极排气余热分别通过电堆余热回收系统和乏气回收系统实现梯级回收，充分回收燃料电池系统的热量；通过双蒸发器中热泵工质的相变蒸发可回收低于50℃的余热。同时热泵技术还可以高效替代传统燃料电池热回收供热方式中的必备的电辅热技术，将产热温度由50℃左右提升至80℃左右，采用高温水箱，减小水箱体积和占地面积，节省住宅空间。

[0037] 2)通过在系统中设置多个管路截止阀并调节其通断，实现两个蒸发器的串联或并联，也可实现供热水系统和供暖系统的串联或并联或只接入其一，可根据不同的用能场合选择不同的接入方式和运行模式。

[0038] 3)通过变频压缩机和可变风量混合器风管，可根据热水和采暖负荷的变化、余热条件等调节压比、转速等运行参数，配合调节乏气和环境空气混合气中环境空气的量，实现热电联供系统热电输出与住宅热电用能的良好匹配。

[0039] 以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

[0040] 图1是本发明的一个较佳实施例的供热水模式的流程图；

[0041] 图2是本发明的一个较佳实施例的供暖模式的流程图；

[0042] 图3是本发明的一个较佳实施例的两个供热系统串联的同时供热水和供暖模式的流程图；

[0043] 图4是本发明的一个较佳实施例的两个供热系统并联的同时供热水和供暖模式的流程图；

[0044] 图5是本发明的一个较佳实施例的两个蒸发器串联工作的局部流程图；

[0045] 图6是本发明的一个较佳实施例的两个蒸发器并联工作的局部流程图。

[0046] 附图中：1‑燃料电池系统，2‑电堆，3‑阳极氢气入口管路，4‑阳极多余氢气出口管路，5‑压缩机，6‑管路截止阀一，7‑管路截止阀二，8‑供热水系统，9‑水箱出水口，10‑热水出水，11‑水箱进水口，12‑进水，13‑水箱换热盘管，14‑管路截止阀三，15‑管路截止阀四，16‑供暖系统，17‑供暖工质出口，18‑供暖工质入口，19‑供暖末端换热盘管，20‑热泵工质管路，21‑热泵工质膨胀阀，22‑风机，23‑排气出口，24‑第二蒸发器，25‑管路截止阀五，26‑管路截止阀六，27‑环境空气补充口，28‑管路截止阀七，29‑第一蒸发器，30‑管路截止阀八，31‑换热工质，32‑换热工质管路，33‑换热工质盘管，34‑电堆换热结构，35‑换热工质循环泵，36‑阴极排气管路，37‑乏气风道，38‑阴极进气，39‑全热交换器，40‑阴极进气管路，41‑热泵工质。

[0047] 附图中虚线部分表示该部分的系统、管路及管路截止阀未参与工作。

具体实施方式

[0048] 以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

[0049] 在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。

[0050] 本发明提供了一种基于全热交换器和热泵技术的燃料电池热回收及供热系统，包括燃料电池系统1、电堆余热回收系统、乏气回收系统、全热交换器39、第一蒸发器29、第二蒸发器24、压缩机5、供热系统、热泵工质41、热泵工质管路20、热泵工质膨胀阀21及多个管路截止阀，其中，

[0051] 燃料电池系统1包括电堆2、阴极进气管路40、阴极排气管路36、阳极氢气入口管路3和阳极多余氢气出口管路4；

[0052] 电堆余热回收系统包括电堆余热回收换热结构34、换热工质31、换热工质盘管33、换热工质循环泵35和换热工质管路32；

[0053] 乏气回收系统包括乏气风道37、环境空气补充口27、可变风量混合器风管、风机22及排气出口23；

[0054] 供热系统为住宅用供热水系统8，或供暖系统16，或供热水系统8与供暖系统16综合一体化系统，供热水系统8为高温水箱，包括水箱体、水箱进水口11、水箱出水口9、水箱换热盘管13和管路；供暖系统16包括供暖工质入口18、供暖末端换热盘管19、供暖工质出口17和管路。

[0055] 电堆2产生的热量通过电堆余热回收系统进入第一蒸发器29；阴极排气管路36的排气进入全热交换器39，显热和潜热被部分吸收后成为乏气，经过乏气风道37，与来自环境空气补充口27的空气混合后，进入可变风量混合气风管，携带混合气余热进入第二蒸发器24，释放热量后在风机22的作用下从排气出口23排出；

[0056] 第一蒸发器29和第二蒸发器24内液态的热泵工质41经电堆余热和混合气余热加热后相变蒸发成为气态的热泵工质41，在压缩机5的作用下沿热泵工质管路20进入供热系统；

[0057] 气态的热泵工质41在供热系统释放并传递热量后冷凝液化，经热泵工质膨胀阀21后降温降压，回到第一蒸发器29和第二蒸发器24，完成一个热回收及供热流程，并循环往复。

[0058] 多个管路截止阀设置于热泵工质管路20中，通过不同管路截止阀的打开和关闭控制供热系统、第一蒸发器29及第二蒸发器24的串联或并联工作，不同的串联和并联布置一共可形成8种不同的工作模式。

[0059] 如图1所示，为本发明的一个较佳实施例的供热水模式的流程图。燃料电池系统1的电堆余热通过电堆换热结构34传递给换热工质31，换热工质31在换热工质循环泵35的作用下沿着换热工质管路32循环流动，并通过换热工质盘管33将热量传递给第一蒸发器29中的热泵工质41，热泵工质41相变蒸发。燃料电池的阴极排气管路36中的排气流经全热交换器39的吸热吸湿区，显热和水蒸气的相变潜热被一定程度回收，产生的乏气经乏气风道37，与来自环境空气补充口27的空气混合后，在风机23的驱动下，流经第二蒸发器24，传递热量给热泵工质41，使其相变蒸发，产生的排气从排气出口23排出系统。阴极进气38流经全热交换器39的释热放湿区，被加热加湿，经阴极进气管路40进入燃料电池。第二蒸发器24和第一蒸发器29中相变蒸发的气态的热泵工质41进入压缩机5，被压缩后产生高温高压蒸汽，流经水箱换热盘管13；供热水系统8的进水12由水箱进水口11进入水箱体，吸收热泵工质41的冷凝热量后产生热水出水10，从水箱出水口9引出，供住宅使用。气态的热泵工质41冷凝后流经热泵工质膨胀阀21后降温降压，产生的低温低压热泵工质41回到第一蒸发器29和第二蒸发器24，完成吸热和相变蒸发过程，如此循环往复。此模式下管路截止阀二7和管路截止阀四15打开，管路截止阀一6和管路截止阀三14关闭。

[0060] 如图2所示，为本发明的一个较佳实施例的供暖模式的流程图。与图1相比，不同之处在于供热水系统8不参与工作，而供暖系统16进入工作循环，其它系统的工作过程与图1相同。供暖系统16的工作过程为：压缩机5产生的高温高压气态热泵工质41流经供暖末端换热盘管19，将热量传递给来自供暖工质入口18的回水或回风，进行供暖后从供暖工质出口17出水或出风。此模式下管路截止阀一6打开，管路截止阀二7、管路截止阀三14和管路截止阀四15关闭。

[0061] 如图3所示，为本发明两个供热系统串联的同时供热水和供暖模式的流程图。与图1和图2相比，不同之处在于供热水系统8和供暖系统16一起参与工作循环，且以串联的方式运行。区别之处的工作流程如下：压缩机5产生的高温高压气态热泵工质41先流经水箱换热盘管13，释放热量给水箱体中的水，产生热水出水10，气态热泵工质41初步冷凝，接着流经供暖末端换热盘管19，将热量传递给来自供暖工质入口18的回水或回风，进行供暖后从供暖工质出口17出水或出风，气态热泵工质41经过两次冷凝后流经热泵工质膨胀阀21后降温降压，产生的低温低压热泵工质41回到第一蒸发器29和第二蒸发器24，完成吸热和相变蒸发过程，如此循环往复。此模式下管路截止阀二7和管路截止阀三14打开，管路截止阀一6和管路截止阀四15关闭。

[0062] 如图4所示，为本发明两个供热系统并联的同时供热水和供暖模式的流程图。与图3相比，不同之处在于供热水系统8和供暖系统16以并联的方式运行。区别之处的工作流程如下：压缩机5产生的高温高压气态热泵工质41一部分流经水箱换热盘管13，释放热量给水箱体中的水，产生热水出水10，此部分气态热泵工质41冷凝；压缩机5产生的其余气态热泵工质41流经供暖末端换热盘管19，将热量传递给来自供暖工质入口18的回水或回风，进行供暖后从供暖工质出口17出水或出风，此部分气态热泵工质41冷凝。两部分冷凝后的热泵工质41混合，流经热泵工质膨胀阀21后降温降压，产生的低温低压热泵工质41回到第一蒸发器29和第二蒸发器24，完成吸热和相变蒸发过程，如此循环往复。此模式下管路截止阀一
6、管路截止阀二7和管路截止阀四15打开，管路截止阀三14关闭。

[0063] 如图5所示，为本发明中两个蒸发器串联工作的局部流程图。热泵工质41先流经第二蒸发器24，吸收来自环境空气补充口27的空气和乏气风道37的乏气的混合气热量后，完成部分蒸发过程，接着流经第一蒸发器29，吸收换热工质31回收的电堆余热后完成蒸发过程，产生的气态热泵工质41随后进入压缩机5，完成后续的供热过程。此流程中管路截止阀五25和管路截止阀七28打开，管路截止阀六26和管路截止阀八30关闭。

[0064] 如图6所示，为本发明中两个蒸发器并联工作的局部流程图。热泵工质41一部分流经第二蒸发器24，吸收来自环境空气补充口27的空气和乏气风道37的乏气的混合气热量后，完成蒸发过程；热泵工质41的其余部分流经第一蒸发器29，吸收换热工质31回收的电堆余热后完成蒸发过程。两个蒸发过程产生的气态热泵工质41混合后进入压缩机5，完成后续过程。此流程中管路截止阀五25、管路截止阀六26和管路截止阀八30打开，管路截止阀七28关闭。

[0065] 以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。