技术领域
[0001] 本
发明涉及
燃料电池领域，特别涉及一种燃料电池热电联供系统及装置。
背景技术
[0002] 以燃料电池为核心的分布式热电联供系统(简称：CHP)，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。
[0003] 据国际
能源署统计，加热需求约占全球能源相关二
氧化
碳排放量的30％，并且其中一半需求用于
建筑物。
[0004] 日本在燃料电池CHP系统方面走在世界前列，其推出以燃料电池为核心的CHP系统已基本实现商业化应用，目前日本部署的燃料电池CHP系统已达数万套，形成了完整的家用燃料电池系统产业链，成功为各国展示了一条清晰的发展路线。日本政府在产品购买补贴与
基础研究方面投入力度也很大，行业标准化更是保证了燃料电池热电联供系统商业化的安全稳步推进。
[0005] 我国对燃料电池相关的基础科学研究始于上世纪90年代，并取得了一定的成果，但产品性能与国际先进
水平相比还有较大差距。
[0006] 针对目前市场上燃料电池CHP系统发展缓慢，技术落后的现状，提供一种功能全面、集成度较高的燃料电池热电联供装置，实现对用电及供热市场需求。
发明内容
[0007] 本发明要解决的技术问题是为了克服
现有技术的上述
缺陷，提供一种燃料电池热电联供系统及装置。
[0008] 本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
[0009] 一种燃料电池热电联供系统，其包括：氢燃料电池电堆、空气子系统、氢气子系统、冷却子系统、储热子系统；
[0010] 所述空气子系统连接于所述氢燃料电池电堆，并用于为所述氢燃料电池电堆供应空气，所述氢气子系统连接于所述氢燃料电池电堆，并用于为所述氢气子系统供应氢气，所述冷却子系统用于为所述氢气子系统提供热量以及冷却所述氢燃料电池电堆和所述空气子系统；
[0011] 所述冷却子系统包括水冷装置，所述水冷装置包括壳体和设于所述壳体内部的冷却管，所述冷却管与所述壳体之间形成冷却通道；
[0012] 所述储热子系统包括：承压水箱和
循环水泵，所述承压水箱连通于所述冷却通道，所述循环水泵使得所述承压水箱和所述冷却通道之间形成
水循环。
[0013] 优选地，所述储热子系统还包括补水管路，所述补水管路连接于所述水循环，所述承压水箱设有出水
阀。
[0014] 优选地，所述冷却子系统还包括辅助冷却装置和
控制阀，所述控制阀用于将所述冷却子系统中的
冷却液在所述水冷装置和所述辅助冷却装置之间切换。
[0015] 优选地，所述燃料电池热电联供系统还包括
温度传感器，所述温度传感器与所述控制阀电连接，所述温度传感器用于检测流出所述氢燃料电池电堆的冷却液的温度，并所述控制阀根据所述温度传感器的检测结果进行切换。
[0016] 优选地，如果所述温度传感器检测到流出所述氢燃料电池电堆的冷却液的温度超过预定值，则所述控制阀进行切换以使得所述冷却子系统中的冷却液流入所述辅助冷却装置。
[0017] 优选地，所述控制阀为电动三通阀。
[0018] 优选地，所述辅助冷却装置为
风冷装置。
[0019] 优选地，所述冷却子系统还包括中冷器，所述中冷器用于冷却所述空气子系统的空气。
[0020] 优选地，所述冷却子系统还包括
套管换热器，所述套管换热器用于为所述氢气子系统中的氢气升温。
[0021] 一种燃料电池热电联供装置，其包括如上所述的燃料电池热电联供系统。
[0022] 本发明的积极进步效果在于：该燃料电池热电联供系统及装置利用储热子系统接收并储存了冷却子系统从空气子系统和氢燃料电池电堆获得的热量，从而对燃料电池反应产生的热量进行了有效收集和利用，减少了碳排放。
附图说明
[0023] 图1为根据本发明的优选
实施例的燃料电池热电联供系统的模
块示意图。
[0024] 图2为根据本发明的优选实施例的冷却液循环的模块示意图。
[0025] 图3为根据本发明的优选实施例的燃料电池热电联供装置的立体结构示意图。
[0026] 图4为根据本发明的优选实施例的空气子系统的结构示意图。
[0027] 图5为根据本发明的优选实施例的氢气子系统的结构示意图。
[0028] 图6为根据本发明的优选实施例的冷却子系统及储热子系统的结构示意图。
[0029] 附图标记说明：
[0030] 燃料电池热电联供系统 100
[0031] 氢燃料电池电堆 110
[0032] 空气子系统 120
[0034] 空压机 122
[0035] 流量计 123
[0036] 增湿器 124
[0038] 尾排管 126
[0039] 氢气子系统 130
[0040] 氢气瓶 131
[0041] 过滤器 132
[0043] 组合减压阀 134
[0044] 三通阀 135
[0045] 氢流量计 136
[0046] 稳压阀 137
[0047] 进氢电磁阀 138
[0049] 冷却子系统 140
[0050] 水泵 141
[0051] 控制阀 142
[0052] Y型过滤器 143
[0053] 风冷装置 144
[0054] 水冷装置 145
[0055] 套管换热器 146
[0056] 中冷器 147
[0057] 去离子器 148
[0058] 储热子系统 150
[0059] 过滤稳压阀 151
[0060] 承压水箱 152
[0061] 膨胀罐 153
[0062] 手阀 154
[0063] 储热水泵 155
[0064] 止回阀 156
具体实施方式
[0066] 下面结合附图，通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在下述的实施例范围之中。
[0067] 如图1-6所示，燃料电池热电联供系统100包括：氢燃料电池电堆110、空气子系统120、氢气子系统130、冷却子系统140、储热子系统150。
[0068] 空气子系统120连接于氢燃料电池电堆110，并用于为氢燃料电池电堆110供应空气，氢气子系统130连接于氢燃料电池电堆110，并用于为氢气子系统130供应氢气，冷却子系统140用于为氢气子系统130提供热量以及冷却氢燃料电池电堆110和空气子系统120。
[0069] 冷却子系统140包括水冷装置145，水冷装置145包括壳体和设于壳体内部的冷却管，冷却管与壳体之间形成冷却通道。
[0070] 储热子系统150包括：承压水箱152和循环水泵141，承压水箱152连通于冷却通道，循环水泵141使得承压水箱152和冷却通道之间形成水循环。
[0071] 该燃料电池热电联供系统100及装置利用储热子系统150接收并储存了冷却子系统140从空气子系统120和氢燃料电池电堆110获得的热量，从而对燃料电池反应产生的热量进行了有效收集和利用，减少了碳排放。
[0072] 冷却子系统140中流通冷却液，该冷却液流经燃料电池系统中的各个待换热装置，例如空气子系统120中的中冷器147、氢气子系统130中的套管换热器146、氢燃料电池电堆110、DC升压器等等。
[0073] 储热子系统150中流通生活用水，生活用水在冷却子系统140中被加热后提供给用户使用。储热子系统150中的
流体与冷却子系统140中的流体不互通。
[0074] 储热子系统150还包括补水管路，补水管路连接于水循环，承压水箱152设有出水阀。
[0075] 用户使用的热水从出水阀中流出，当用户使用了热水后，补水管路会补充等量的热水进入储热子系统150。
[0076] 如图2所示，冷却子系统140还包括辅助冷却装置和控制阀142，控制阀142用于将冷却子系统140中的冷却液在水冷装置145和辅助冷却装置之间切换。
[0077] 由于用户对热水的需求是不固定的，如果用户一段时间内不使用热水，储热子系统150中的热水不被消耗，其通过自然
散热，温度下降缓慢，这时水冷装置145对冷却液冷却效率下降，因此，冷却子系统140还设置辅助冷却装置，当水冷装置145对冷却液的冷却效率下降时，可以将冷却液切换到辅助冷却装置以对冷却液进行有效冷却。
[0078] 燃料电池热电联供系统100还包括温度传感器，温度传感器与控制阀142电连接，温度传感器用于检测流出氢燃料电池电堆110的冷却液的温度，并控制阀142根据温度传感器的检测结果进行切换。
[0079] 氢燃料电池电堆110的发热量是最大的，如果流出燃料电池电堆的冷却液的温度上升则表示储热子系统150中的水冷装置145对冷却液的冷却效率不足，需要启动辅助冷却装置。
[0080] 如果温度传感器检测到流出氢燃料电池电堆110的冷却液的温度超过预定值，则控制阀142进行切换以使得冷却子系统140中的冷却液流入辅助冷却装置。
[0081] 控制阀142为电动三通阀，该电动三通阀可以通过电控切换流道。这种类型的三通阀在现有技术中已经被广泛应用，市面上也有很多，在此不再赘述。
[0082] 辅助冷却装置为风冷装置144。风冷装置144不需要冷却液，不会存在冷却液温度升高的风险，可以确保稳定的冷却效率。
[0083] 如图3所示，燃料电池热电联供装置包括燃料电池热电联供系统100。该装置根据系统原理将各个子系统进行有机的结合，各个子系统集成在一个柜体之内，完成系统整体功能。
[0084] 如图4所示，空气子系统120包括
空气过滤器121、空压机122、流量计123、增湿器124、电磁阀125、尾排管126及所连接的管路。
[0085] 空气经过滤器132过滤后，经过空压机122进行压缩，再经流量计123统计流量数据后至中冷器147进行降温，之后进入增湿器124加湿，然后进入燃料电池电堆与氢气进行反应，之后经电磁阀125控制进入尾排管126排除系统；空气系统管路上分别若干个温
湿度传感器实施检测空气压力及温度数据。
[0086] 如图5所示，氢气子系统130包括：氢气瓶131、过滤器132、单向阀133、组合减压阀134、三通阀135、氢流量计136、稳压阀137、进氢电磁阀138、氢循环泵139及连接管路等。
[0087] 打开氢气瓶131(在本实施例中为氢气瓶131，但是本发明并不局限于此，也可以是外接起源)的
开关，氢气进入过滤器132初步过滤，经单向阀133后进入组合减压阀134降低压力，之后经三通阀135进入氢流量计136统计流量，进稳压阀137进一步稳定压力，再通过套管换热器146进行一定的升温，在电磁阀125控制下进入燃料电池电堆，与空气中的氧气反应后，一部分经氢循环泵139返回电堆进行再次利用，另一部分在电磁阀125控制下进入尾排管126与空气混合后排出系统；氢气系统管路上分别若干个温湿度传感器实施检测氢气压力及温度数据。
[0088] 如图6所示，冷却子系统140包括：水泵141、控制阀142、Y型过滤器143、风冷装置144、水冷装置145、套管换热器146(用于为氢气子系统130中的氢气升温)、中冷器147(用于冷却空气子系统120的空气)、去离子器148及连接管路。
[0089] 冷却液经电堆后会带走热量使自身温度升高，经水泵141加压后进入水冷装置145进行热交换，温度降低后的水液经过滤器132过滤后，一路回到氢燃料电池电堆110，实现主路循环；另一路经限流阀后进入DC升压器为其降温，之后水路连接至中冷器147对空气子系统120的空气进行冷却，再流入至套管换热器146为氢气子系统130的氢气加热，使其适当升温，最后水路返回
膨胀水箱，最后返回水泵141，实现小循环。一旦水冷装置145的冷却效率下降，则控制阀142切换，冷却液加压后进入风冷装置144进行散热。
[0090] 储热子系统150包括：过滤稳压阀151、承压水箱152、膨胀罐153、手阀154、储热水泵155、止回阀156、安全阀157及连接管路等。
[0091] 冷水自承压水箱152通过手阀154进入储热水泵155，加压后进入水冷装置145进行热交换，温度升高后的热水通过止回阀156返回承压水箱152，实现水路循环。用户可以通过出水阀使用热水，系统可以通过补水管路对消耗掉的水进行补偿。
[0092] 燃料电池热电联供系统100还包括电气控制系统，电气控制系统通过各独立模块及控制机柜对燃料电池热电联供系统100进行总体控制。
[0093] 该电气控制系统包括：低压供电单元、PDU、DC升压器、逆变器、工控机、显示器等。
[0094] 在工控机控制下系统实时采集温度及压力数据，将燃料电池发出的电力在DC升压后通过逆变器返回至
电网或被用户使用。
[0095] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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，除非文中另有说明。
[0096] 虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明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发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或
修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
