CN106784926A - 一种高效燃料电池冷热电联供系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效燃料电池冷热电联供系统，包括燃料电池系统、散热系统、供热系统和直流变频制冷系统，燃料电池系统生成直流电，直流电被转换成稳定直流电，稳定直流电直接输出或稳定直流电驱动直流变频制冷系统工作实现冷量输出，燃料电池系统连通所述供热系统，散热系统向燃料电池系统供水而让水吸收燃料电池系统的反应热，吸收了燃料电池系统反应热的水流至供热系统，供热系统中流入的水与空气进行换热而实现供热，供热系统连通散热系统，供热系统中换热后的水流回所述散热系统被进一步冷却，散热系统将冷却后的水循环供应给燃料电池系统。本发明能同时满足电热冷三联供的需要，提高了氢能源的利用率，经济效益大大提高。
Description
技术领域
本发明涉及热能动力技术领域，尤其涉及一种高效燃料电池冷热电联供系统。
背景技术
燃料电池(Fuel Cell)是一种将化学能直接转化为电能的发电装置，常用的燃料电池是质子交换膜燃料电池(PEMFC)。质子交换膜燃料电池具有工作温度低、启动快、比功率高、结构简单和操作方便等优点，被公认为是电动汽车、固定式发电站等的首选能源，可以说质子交换膜燃料电池是目前最有发展前途的一种燃料电池。
但是，采用质子交换膜燃料电池驱动电动汽车或发电站时，质子交换膜燃料电池的发电效率仅约50％，即只有50％的能量转化成电能输出，剩下的一半能量几乎都是以热量的形式排掉，综合能源利用效率较低，能量浪费非常大。
发明内容
有鉴于此，本发明的实施例提供了一种利用率高的高效燃料电池冷热电联供系统。
本发明的实施例提供一种高效燃料电池冷热电联供系统，包括燃料电池系统、散热系统、供热系统和直流变频制冷系统，所述燃料电池系统生成直流电，所述直流电被转换成稳定直流电，所述稳定直流电直接输出或稳定直流电驱动直流变频制冷系统实现冷量输出，所述燃料电池系统连通所述供热系统，所述散热系统向所述燃料电池系统供水而让水吸收所述燃料电池系统的反应热，吸收了燃料电池系统反应热的水流至所述供热系统，所述供热系统中流入的水与空气进行换热而实现供热，所述供热系统连通散热系统，所述供热系统中换热后的水流回所述散热系统被进一步冷却，所述散热系统将冷却后的水循环供应给所述燃料电池系统。
进一步，所述燃料电池系统包括氢气供应回路、空气供应回路、燃料电池电堆和直流-直流变换器，所述氢气供应回路和空气供应回路均连接燃料电池电堆，所述氢气供应回路供应氢气，所述空气供应回路供应空气，氢气和空气中的氧气在燃料电池电堆中发生反应生成直流电，所述散热系统向燃料电池电堆中供水而让水吸收氢气和氧气反应产生的反应热，反应后剩余的微量氢气经第一电磁阀排出到空气中，反应后的空气乏气排放到空气中，所述直流-直流变换器将燃料电池输出的直流电转换成稳定直流电。
进一步，所述氢气供应回路包括高压储氢容器、减压阀、单向阀、手动截止阀和防爆电磁阀，所述高压储氢容器、减压阀、单向阀、手动截止阀和防爆电磁阀依次连接，氢气从高压储氢容器出来，依次经过减压阀、单向阀、手动截止阀和防爆电磁阀进入燃料电池电堆；所述空气供应回路包括空气滤清器、消音器和空气压缩机，所述空气滤清器、消音器和空气压缩机依次连接，空气经过空气滤清器、消音器处理后进入空气压缩机，所述空气压缩机将空气升压，并送入燃料电池电堆。
进一步，所述燃料电池系统通过电动三通调节阀连通供热系统和散热系统，所述电动三通调节阀根据供热系统供热的负荷将从燃料电池系统流出的吸收了燃料电池系统反应热的水分流到供热系统和散热系统中。
进一步，所述供热系统包括翅片式换热器和供热风机，所述供热风机驱动空气流过翅片式换热器，所述翅片式换热器向翅片式换热器外侧的空气放热进行热量输出实现供热，所述供热的负荷大小与电动三通调节阀分流至翅片式换热器的水量呈正比，所述供热风机的转速与分流至翅片式换热器的水量呈正比。
进一步，所述散热系统包括散热器、水泵和旁通阀，所述水泵从散热器的底部抽水，并分别泵入燃料电池系统和直流变频制冷系统，泵入燃料电池系统中的水带走燃料电池系统的反应热后水温升高，升温的水通过电动三通调节阀分流，一部分回流至散热器，一部分流至供热系统，泵入直流变频制冷系统中的水带走直流变频制冷系统的放热后水温升高，升温的水直接回流至散热器，并在散热器中冷却后循环利用，所述旁通阀和散热器并联，所述旁通阀将回流的温度较低的水直接旁通到散热器出口循环利用。
进一步，所述散热系统还包括膨胀水箱、散热风机、水过滤器和分集水器，所述膨胀水箱连通散热器，所述膨胀水箱为散热器供水并提供水温变化时所需的体积膨胀空间，所述水过滤器设在水泵和散热器之间，所述分集水器分别与散热器和水泵连通，所述水泵通过分集水器将水泵入燃料电池系统和直流变频制冷系统，回流的水通过分集水器流回散热器，所述分集水器向直流变频制冷系统的供水管路上设有第二电磁阀，所述散热器中流回的水向散热器外部的空气放热，散热风机加速散热器外部空气的对流而将加热后的空气输送到需要供热的位置。
进一步，所述散热系统还连通直流变频制冷系统，所述散热系统向直流变频制冷系统供水而让水吸收直流变频制冷系统的放热，吸收了直流变频制冷系统放热的水流回散热系统被冷却，所述散热系统将冷却后的水循环供应给直流变频制冷系统。
进一步，所述直流变频制冷系统包括直流变频驱动器、直流变频制冷压缩机、冷凝器、节流元件、蒸发器和蒸发器风机，所述直流变频制冷压缩机、冷凝器、节流元件和蒸发器依次连接构成回路，所述直流变频驱动器将所述稳定直流电逆变成三相频率可调的梯形波或正弦波以驱动直流变频制冷压缩机运转，所述直流变频制冷压缩机将制冷剂气体压缩为高温高压气体，所述高温高压气进入冷凝器，所述冷凝器连通燃料电池的散热系统，高温高压气体在冷凝器中通过散热系统降温冷凝为高温高压液体，所述高温高压液体流经节流元件变为低温低压的气液混合物，所述气液混合物流入蒸发器，所述蒸发器风机驱动空气流过蒸发器，所述蒸发器中的气液混合物吸收蒸发器外侧空气的热量进行冷量输出，同时吸收热量的气液混合物再次蒸发为制冷剂气体，所述直流变频制冷压缩机的吸气口将制冷剂气体吸入直流变频制冷压缩机内，制冷剂气体在直流变频制冷压缩机内再次被压缩。
进一步，所述直流变频制冷系统还包括干燥过滤器和气液分离器，所述干燥过滤器设在冷凝器和节流元件之间，所述气液分离器设在蒸发器和直流变频制冷压缩机之间，所述干燥过滤器过滤高温高压液体中的杂质和水分，所述气液分离器将未蒸发的气液混合物进行分离，所述制冷剂气体为环保制冷剂气体。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：能同时满足电热冷三联供的需要，大大提高燃料电池产生的能量利用率，经济效益大大提高；供热和制冷互不干扰，可以实现在车辆或房间的不同部位分别进行供冷或供热，从而满足不同温区的控制要求；采用直流变频制冷压缩机，直流变频制冷压缩机的转速可以随燃料电池输出电功率的大小进行实时调节，避免直流变频制冷系统对燃料电池主动力输出的影响；在采用热电联供冷时，热量来源于燃料电池的废热，避免了余热的浪费；系统的输入能源为清洁、可再生的氢能源，具有来源广泛、零污染的特点，适应可持续发展的需求，能广泛推广使用。
附图说明
图1是本发明一实施例的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1，本发明的实施例提供了一种高效燃料电池冷热电联供系统，包括燃料电池系统1、散热系统2、供热系统3和直流变频制冷系统4。
燃料电池系统1包括氢气供应回路12、空气供应回路11、燃料电池电堆13和直流-直流变换器14，氢气供应回路12和空气供应回路11均连接燃料电池电堆13。
氢气供应回路12供应氢气，氢气供应回路12包括高压储氢容器121、减压阀122、单向阀123、手动截止阀124和防爆电磁阀125，高压储氢容器121、减压阀122、单向阀123、手动截止阀124和防爆电磁阀125依次连接，氢气从高压储氢容器121出来，依次经过减压阀122、单向阀123、手动截止阀124和防爆电磁阀125进入燃料电池电堆13。
空气供应回路11供应空气，空气供应回路11包括空气滤清器111、消音器112和空气压缩机113，空气滤清器111、消音器112和空气压缩机113依次连接，空气经过空气滤清器111和消音器112处理后进入空气压缩机113，空气压缩机113将空气升压，并送入燃料电池电堆13。
输入到燃料电池电堆13中氢气和空气中的氧气在燃料电池电堆13中发生电化学反应生成直流电，氢气和空气中的氧气在燃料电池电堆13中发生反应生成直流电，散热系统2向燃料电池电堆13中供水而让水吸收氢气和氧气反应产生的反应热，反应后剩余的微量氢气经第一电磁阀126排出到空气中，反应后的空气乏气排放到空气中。
直流电经直流-直流变换器14被转换成稳定直流电，稳定直流电直接输出或经过直流变频驱动器40后逆变成三相频率可调的梯形波或正弦波，以驱动直流变频制冷系统4的直流变频制冷压缩机41工作实现冷量输出，直流变频制冷系统4连通散热系统2，散热系统2向直流变频制冷系统4供水而让水吸收直流变频制冷系统4的放热，吸收了直流变频制冷系统4放热的水流回散热系统2被冷却，散热系统2将冷却后的水循环供应给直流变频制冷系统4。
直流变频制冷系统4包括直流变频驱动器40、直流变频制冷压缩机41、冷凝器42、节流元件43、蒸发器44和蒸发器风机45，直流变频制冷压缩机41、冷凝器42、节流元件43和蒸发器44依次连接构成回路，直流变频驱动器40将稳定直流电逆变成三相频率可调的梯形波或正统波以驱动直流变频制冷压缩机41运转，直流变频制冷压缩机41将制冷剂气体压缩为高温高压气体，高温高压气体进入冷凝器42，冷凝器42连通散热系统2，高温高压气体在冷凝器42中通过散热系统2降温冷凝为高温高压液体，高温高压液体流经节流元件43变为低温低压的气液混合物，气液混合物流入蒸发器44，蒸发器风机45驱动空气流过蒸发器44，蒸发器44中的气液混合物吸收蒸发器44外侧的空气，被吸收了热量的空气被输送到需要降温的位置而进行冷量输出，同时吸收热量的气液混合物再次蒸发为制冷剂气体，直流变频制冷压缩机41的吸气口将制冷剂气体吸入直流变频制冷压缩机41内，制冷剂气体在直流变频制冷压缩机41内再次被压缩，如此循环往复。
在一实施例中，直流变频制冷系统4还包括干燥过滤器46和气液分离器47，干燥过滤器46设在冷凝器42和节流元件43之间，气液分离器47设在蒸发器44和直流变频制冷压缩机41之间，干燥过滤器46过滤高温高压液体中的杂质和水分，有效避免直流变频制冷系统4的管路中的污物堵塞或水分结冰，气液分离器47将未蒸发的气液混合物进行分离，避免损坏直流变频制冷压缩机41，制冷剂气体为环保制冷剂气体。
燃料电池系统1连通供热系统3，散热系统3向燃料电池系统1供水而让水吸收所述燃料电池系统1的反应热，吸收了燃料电池系统1反应热的水流至供热系统3，供热系统3中流入的水与空气进行换热而实现供热，供热系统3连通散热系统2，供热系统3中换热后的水流回散热系统2被进一步冷却，散热系统2将冷却后的水循环供应给燃料电池系统1。在一实施例中，燃料电池系统1通过电动三通调节阀7连通供热系统3和散热系统2，供热系统3通过热量输出实现供热，电动三通调节阀7根据供热的负荷将从燃料电池系统1流出的吸收了燃料电池系统反应热的水分流至供热系统3和散热系统2。
供热系统3包括翅片式换热器31和供热风机32，供热风机32驱动空气流过翅片式换热器31，翅片式换热器31向翅片式换热器31外侧的空气放热，使空气的温度升高，温度升高的空气被输送到需要升温的位置而进行热量输出实现供热，供热的负荷大小与电动三通调节阀7分流至翅片式换热器31的水量呈正比，还与供热风机32的转速与分流至翅片式换热器31的水量呈正比，供热的负荷大，电动三通调节阀7分流至翅片式换热器31的水量大，供热风机32的转速快，供热的负荷小，电动三通调节阀7分流至翅片式换热器31的循环水的水量小，供热风机32的转速慢。
散热系统2包括散热器21、水泵23和旁通阀24，水泵23从散热器21的底部抽水，并分别泵入燃料电池系统1的循环水路14和直流变频制冷系统4的冷凝器42，泵入燃料电池系统1中的水带走燃料电池系统1的反应热后水温升高，升温的水通过电动三通调节阀7分流后，一部分回流至散热器21，一部分流至供热系统3的翅片式换热器31；泵入直流变频制冷系统4中的水带走直流变频制冷系统4冷凝器42的放热后水温升高，升温的水直接回流至散热器21，并在散热器21中冷却后循环利用，旁通阀24和散热器21并联，旁通阀24将回流的温度较低的水直接旁通到散热器21出口循环利用。在一实施例中，散热系统2还包括膨胀水箱25、散热风机22、水过滤器26和分集水器27，膨胀水箱25连通散热器21，膨胀水箱25为散热器21供水并提供水温变化时所需的体积膨胀空间，水过滤器26设在水泵23和散热器21之间，分集水器27分别与散热器21和水泵23连通，便于接管和维修，水泵23通过分集水器27将水泵入燃料电池系统1和直流变频制冷系统4，回流的水通过分集水器27流回散热器21，分集水器27向直流变频制冷系统4的供水管路上设有第二电磁阀8，散热器21中流回的水向散热器21外部的空气放热，散热风机22加速散热器21外部空气的对流，增强换热效果，而将加热后的空气输送到需要供热的位置。
工作过程：氢气和空气中的氧气分别进入燃料电池电堆13中，氢气和空气中的氧气在燃料电池电堆13发生电化学反应，同时散热系统2向燃料电池电堆13供水而让水吸收氢气和氧气反应产生的反应热，散热器21通过水泵23向分集水器27中供水，燃料电池电堆13通过电动三通调节阀7分别连通翅片式换热器31和分集水器27，燃料电池电堆13中流出的带走燃料电池电堆13反应热的水通过电动三通调节阀7，电动三通调节阀7根据供热的负荷进行分流，一部分流入翅片式换热器31进行热量输出，一部分通过分集水器27回流至散热器21，在散热器21中经过冷却后循环利用；燃料电池电堆13通过化学反应产生直流电，直流电经直流-直流变换器14转换成稳定直流电，稳定直流电直接输出，或经过直流变频驱动器40后逆变成三相梯形波或正弦波，三相梯形波或正弦波驱动直流变频制冷压缩机41将制冷剂气体压缩为高温高压气体，高温高压气体进入冷凝器42，冷凝器42和分集水器27连通，高温高压气体放出热量后冷凝为高温高压液体，与之相应地，分集水器27流出的水吸收热量，温度升高，升温的水再经分集水器27返回散热器21，在散热器21中冷却后循环利用，高温高压液体流经节流元件43变为低温低压的气液混合物，气液混合物流入蒸发器44，蒸发器风机45驱动空气流过蒸发器44，蒸发器44中的气液混合物吸收蒸发器44外侧空气的热量，使空气温度降低，再将降温的空气输送到需要降温的位置进行冷量输出，同时吸收了热量的气液混合物再次蒸发为制冷剂气体，直流变频制冷压缩机41的吸气口将制冷剂气体吸入直流变频制冷压缩机41内，制冷气在直流变频制冷压缩机41内再次被压缩，如此循环往复。
本发明能同时实现供电、供热和供冷，通过电热冷三联供大大提高燃料电池产生的能量利用率，经济效益大大提高；供热和制冷互不干扰，可以实现在车辆的不同部位分别进行供冷或供热，从而满足不同温区的控制要求；采用直流变频制冷压缩机，直流变频制冷压缩机的转速可以随燃料电池输出电功率的大小进行实时调节，避免直流变频制冷系统对燃料电池主动力的影响；在采用热电联供冷时，热量来源于燃料电池的废热，避免了余热的浪费；系统的输入能源为清洁、可再生的氢能源，具有来源广泛、零污染的特点，适应可持续发展的需求，能广泛推广使用。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高效燃料电池冷热电联供系统，其特征在于，包括燃料电池系统、散热系统、供热系统和直流变频制冷系统，所述燃料电池系统生成直流电，所述直流电被转换成稳定直流电，所述稳定直流电直接输出或稳定直流电驱动直流变频制冷系统实现冷量输出，所述燃料电池系统连通所述供热系统，所述散热系统向所述燃料电池系统供水而让水吸收所述燃料电池系统的反应热，吸收了燃料电池系统反应热的水流至所述供热系统，所述供热系统中流入的水与空气进行换热而实现供热，所述供热系统连通散热系统，所述供热系统中换热后的水流回所述散热系统被进一步冷却，所述散热系统将冷却后的水循环供应给所述燃料电池系统。
2.根据权利要求1所述的高效燃料电池冷热电联供系统，其特征在于，所述燃料电池系统包括氢气供应回路、空气供应回路、燃料电池电堆和直流-直流变换器，所述氢气供应回路和空气供应回路均连接燃料电池电堆，所述氢气供应回路供应氢气，所述空气供应回路供应空气，氢气和空气中的氧气在燃料电池电堆中发生反应生成直流电，所述散热系统向燃料电池电堆中供水而让水吸收氢气和氧气反应产生的反应热，反应后剩余的微量氢气经第一电磁阀排出到空气中，反应后的空气乏气排放到空气中，所述直流-直流变换器将燃料电池输出的直流电转换成稳定直流电。
3.根据权利要求2所述的高效燃料电池冷热电联供系统，其特征在于，所述氢气供应回路包括高压储氢容器、减压阀、单向阀、手动截止阀和防爆电磁阀，所述高压储氢容器、减压阀、单向阀、手动截止阀和防爆电磁阀依次连接，氢气从高压储氢容器出来，依次经过减压阀、单向阀、手动截止阀和防爆电磁阀进入燃料电池电堆；所述空气供应回路包括空气滤清器、消音器和空气压缩机，所述空气滤清器、消音器和空气压缩机依次连接，空气经过空气滤清器、消音器处理后进入空气压缩机，所述空气压缩机将空气升压，并送入燃料电池电堆。
4.根据权利要求1所述的高效燃料电池冷热电联供系统，其特征在于，所述燃料电池系统通过电动三通调节阀连通供热系统和散热系统，所述电动三通调节阀根据供热系统供热的负荷将从燃料电池系统流出的吸收了燃料电池系统反应热的水分流到供热系统和散热系统中。
5.根据权利要求4所述的的高效燃料电池冷热电联供系统，其特征在于，所述供热系统包括翅片式换热器和供热风机，所述供热风机驱动空气流过翅片式换热器，所述翅片式换热器向翅片式换热器外侧的空气放热进行热量输出实现供热，所述供热的负荷大小与电动三通调节阀分流至翅片式换热器的水量呈正比，所述供热风机的转速与分流至翅片式换热器的水量呈正比。
6.根据权利要求4所述的高效燃料电池冷热电联供系统，其特征在于，所述散热系统包括散热器、水泵和旁通阀，所述水泵从散热器的底部抽水，并分别泵入燃料电池系统和直流变频制冷系统，泵入燃料电池系统中的水带走燃料电池系统的反应热后水温升高，升温的水通过电动三通调节阀分流，一部分回流至散热器，一部分流至供热系统，泵入直流变频制冷系统中的水带走直流变频制冷系统的放热后水温升高，升温的水直接回流至散热器，并在散热器中冷却后循环利用，所述旁通阀和散热器并联，所述旁通阀将回流的温度较低的水直接旁通到散热器出口循环利用。
7.根据权利要求6所述的高效燃料电池冷热电联供系统，其特征在于，所述散热系统还包括膨胀水箱、散热风机、水过滤器和分集水器，所述膨胀水箱连通散热器，所述膨胀水箱为散热器供水并提供水温变化时所需的体积膨胀空间，所述水过滤器设在水泵和散热器之间，所述分集水器分别与散热器和水泵连通，所述水泵通过分集水器将水泵入燃料电池系统和直流变频制冷系统，回流的水通过分集水器流回散热器，所述分集水器向直流变频制冷系统的供水管路上设有第二电磁阀，所述散热器中流回的水向散热器外部的空气放热，散热风机加速散热器外部空气的对流而将加热后的空气输送到需要供热的位置。
8.根据权利要求1所述的高效燃料电池冷热电联供系统，其特征在于，所述散热系统还连通直流变频制冷系统，所述散热系统向直流变频制冷系统供水而让水吸收直流变频制冷系统的放热，吸收了直流变频制冷系统放热的水流回散热系统被冷却，所述散热系统将冷却后的水循环供应给直流变频制冷系统。
9.根据权利要求1所述的高效燃料电池冷热电联供系统，其特征在于，所述直流变频制冷系统包括直流变频驱动器、直流变频制冷压缩机、冷凝器、节流元件、蒸发器和蒸发器风机，所述直流变频制冷压缩机、冷凝器、节流元件和蒸发器依次连接构成回路，所述直流变频驱动器将所述稳定直流电逆变成三相频率可调的梯形波或正弦波以驱动直流变频制冷压缩机运转，所述直流变频制冷压缩机将制冷剂气体压缩为高温高压气体，所述高温高压气进入冷凝器，所述冷凝器连通燃料电池的散热系统，高温高压气体在冷凝器中通过散热系统降温冷凝为高温高压液体，所述高温高压液体流经节流元件变为低温低压的气液混合物，所述气液混合物流入蒸发器，所述蒸发器风机驱动空气流过蒸发器，所述蒸发器中的气液混合物吸收蒸发器外侧空气的热量进行冷量输出，同时吸收热量的气液混合物再次蒸发为制冷剂气体，所述直流变频制冷压缩机的吸气口将制冷剂气体吸入直流变频制冷压缩机内，制冷剂气体在直流变频制冷压缩机内再次被压缩。
10.根据权利要求9所述的高效燃料电池冷热电联供系统，其特征在于，所述直流变频制冷系统还包括干燥过滤器和气液分离器，所述干燥过滤器设在冷凝器和节流元件之间，所述气液分离器设在蒸发器和直流变频制冷压缩机之间，所述干燥过滤器过滤高温高压液体中的杂质和水分，所述气液分离器将未蒸发的气液混合物进行分离，所述制冷剂气体为环保制冷剂气体。
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