CN219321389U - 燃料电池热电联供系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种燃料电池热电联供系统，包括储热系统，用于存储热能；换热装置，与所述储热系统连接，用于利用所述热能对输入能源进行预热处理；燃料电池，与所述换热装置连接，用于将所述换热装置进行预热处理之后的输入能源转换为电能；储电系统，与所述燃料电池连接，用于在供电系统的负荷需求低于所述燃料电池的产电功率的情况下，存储所述燃料电池的电能。本申请解决了现有技术中燃料电池供热效率较低的问题。

Description

燃料电池热电联供系统

技术领域

本申请涉及能源技术领域，具体而言，涉及一种燃料电池热电联供系统。

背景技术

燃料电池可利用氢气、天然气等燃料产电，是一种高效、绿色的能量转换装置，尤其是随着氢能的利用逐渐增加，燃料电池作为主要的用氢设备，重要性日益凸显。

现有燃料电池的用能过程中，通常需要耦合储能电池，解决燃料电池产电功率与用电负荷之间的供需矛盾，保证燃料电池工作在合理的范围。然而，在燃料电池工作过程中，会产生大量的热量，热量通常采用如冷却塔或直接排至环境，大量的余热被浪费，从而导致燃料电池综合效率偏低。

其次，燃料电池工作过程需要维持合适的工作温度，需要依赖以风冷、液冷为主的热管理方式进行控温，该过程将带走大部分的热量，如何有效回收热管理的热量对提高燃料电池综合效率具有重要的意义。特别的，针对既有供电、又有供热需求的场合，由于燃料电池工作过程的热电比例固定，供电与供热具有强耦合特性，仅依靠储电无法同时满足热电负荷的匹配。

实用新型内容

本申请的主要目的在于提供一种燃料电池热电联供系统，以解决现有技术中燃料电池供热效率较低的问题。

为了实现上述目的，本申请提供了一种储热系统，用于存储热能；换热装置，与所述储热系统连接，用于利用所述热能对输入能源进行预热处理；燃料电池，与所述换热装置连接，用于将所述换热装置进行预热处理之后的输入能源转换为电能；储电系统，与所述燃料电池连接，用于在供电系统的负荷需求低于所述燃料电池的产电功率的情况下，存储所述燃料电池的电能，以供所述供电系统使用。

在一个示例中，所述储电系统还用于：在所述供电系统的负荷需求大于所述燃料电池的产电功率的情况下，将所存储的电能补充给所述供电系统。

在一个示例中，所述储热系统还与所述燃料电池连接，用于对所述燃料电池进行热管理，维持所述燃料电池工作在预设的温度，并回收所述燃料电池的出口尾气作为余热进行储存。

在一个示例中，所述联供系统还包括供热系统，所述供热系统与所述储热系统连接，用于利用所述储热系统中的所述热能进行供热。

在一个示例中，所述联供系统还包括逆变器，所述逆变器与所述燃料电池的产电输出端以及所述储电系统连接，用于将所述燃料电池输出的直流电或者所述储电系统输出的直流电转换为所述供电系统所需的交流电。

在一个示例中，所述输入能源包括以下至少之一：燃料、液态水、和空气。

在一个示例中，所述换热装置包括：第一换热器，与所述燃料电池的阳极连接，用于对所述燃料和所述液态水进行所述预热处理，并将预热处理后的所述燃料和所述液态水输入到所述燃料电池；第二换热器，与所述燃料电池的阴极连接，用于对所述空气进行所述预热处理，并将预热处理后的所述空气输入到所述燃料电池。

在一个示例中，所述联供系统包括：预催化重整器，与所述第一换热器连接，用于对所述液态水或所述燃料进行催化重整处理；纯化装置，与所述预催化重整器连接，用于对催化重整处理后的所述液态水或所述燃料进行纯化处理。

在一个示例中，所述燃料电池包括低温质子交换膜燃料电池、高温质子交换膜燃料电池、或固体氧化物燃料电池。

在一个示例中，所述储热系统采用显热储热材料或相变储热材料来储热，其中，所述显热储热材料包括热水、导热油、或熔融盐；所述相变储热材料包括石蜡或无机水合盐。

应用本申请的技术方案，解决了现有技术中燃料电池供热效率较低的问题，具有可以充分利用燃料电池工作过程中的产热、回收燃料电池尾气余热、有效提高燃料电池利用率、并实现燃料电池供能过程的热电解耦的有益效果。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是本申请实施例公开的一种燃料电池热电联供系统的结构示意图；

图2是本申请实施例公开的另一种燃料电池热电联供系统的结构示意图；

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、燃料；2、液态水；3、空气；4、第一换热器；5、第二换热器；6、燃料电池；7、储热系统；8、逆变器；9、储电系统；10、供电系统；11、供热系统；12、预催化重整器；13、纯化装置。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

实施例1

现有燃料电池利用过程中存在的两个技术难点。

难点一是如何实现燃料电池产电产热与用户供电供热负荷需求之间的匹配，该难点一方面是因为燃料电池难以进行快速的负荷调节，同时，燃料电池变负荷过程比热导致无法工作在高效率运行区间，同时降低燃料电池电堆的寿命；另一方面是因为燃料电池工作过程的热电比是固定的，而用户的热电负荷需求通常是无关联的，为此，亟需通过储能平衡燃料电池产电产热与用户供电供热负荷。

难点二是燃料电池高效利用，燃料电池过程的产电比例通常在30-50％，燃料产电过程同时伴随着大量的产热，若不充分利用这部分产热，将导热燃料电池综合效率低，同时，燃料电池工作过程中，入口气体的预处理、电堆的热管理都需要消耗大量的热，将辅助用热与电堆产热进行高效匹配，是提高燃料电池综合利用率的有效方式。

为了解决以上问题，本申请实施例提供了一种燃料电池热电联供系统，该系统引入储电、储热复合储能至燃料电池，其中，储电用于调节燃料电池产电功率，匹配用户供电负荷需求，储热用于燃料电池热管理，回收燃料电池尾气余热，匹配用户供热负荷需求。

在燃料电池工作过程中，燃料、水、空气等通入燃料电池，储热可用于维持燃料、水的预处理用热、空气的预热等需求，同时，储热可用于维持燃料电池电堆工作在合适的温度，可用于其启动时预热，运行时控温。

储电维持燃料电池工作在恒定功率，当用户供电负荷需求低于燃料电池产电功率，燃料电池产电储存在储电中；当用户供电负荷需求高于燃料电池产电功率时，储电存储的电能补充用户供电负荷需求。同时，燃料电池出口尾气的余热可被储热储存，储热可用于满足用于供热负荷需求。

图1是根据本申请实施例的含热电复合储能的燃料电池热电联供系统，如图1所示，该含热电复合储能的燃料电池热电联供系统包括燃料1、液态水2、空气3、第一换热器4、第二换热器5、燃料电池6、储热系统7、逆变器8、储电系统9、供电系统10、供热系统11。

燃料1与液态水2连接第二换热器5后与燃料电池6的阳极相连，空气3连接第一换热器4后与燃料电池6的阴极相连，储热系统7的一侧连接第一换热器4、第二换热器5和燃料电池6，另一侧与供热系统11相连，燃料电池6与逆变器8、储电系统9相连，逆变器8还与储电系统9以及供电系统10相连。

在燃料电池工作过程中，燃料1、液态水2、空气3等经过第一换热器4和第二换热器5通入燃料电池6，储热系统7通过第一换热器4和第二换热器5可用于维持燃料、水的预处理用热、空气的预热等需求。

储热系统7还可用于燃料电池6的热管理，维持燃料电池6工作在合适的温度，可用于其启动时预热，运行时控温，同时，燃料电池6的出口尾气经过储热系统7，将余热储存至储热系统7。

燃料电池6的产电输出端连接至逆变器8，可直接输出至用户10。同时，燃料电池6连接至储电系统9，储电系统9可平抑燃料电池6和供电系统10的瞬时不匹配，维持燃料电池6工作在恒定功率。当用户供电负荷需求低于燃料电池产电功率，燃料电池6产电储存在储电系统9中；当用户供电负荷需求高于燃料电池产电功率时，储电系统9存储的电能补充用户供电负荷需求。此外，储热系统7可用于供热系统11，满足用户供热负荷需求。

本实施例提供的燃料电池热电联供系统具有以下有益效果：

采用储热系统同时实现燃料电池的热管理和热回收利用，这样，既可以保证燃料电池安全可靠工作，同时又可以充分回收燃料电池产热，实现燃料电池高效运行；

采用热电复合储能，可以实现燃料电池产电产热独立储存，独立匹配用户供电供热需求，实现燃料电池热电解耦，提高燃料电池的适应性。

实施例2

本申请实施例提供了又一种燃料电池热电联供系统。如图2所示，该含热电复合储能的燃料电池热电联供系统包括燃料1、液态水2、空气3、第一换热器4、第二换热器5、燃料电池6、储热系统7、逆变器8、储电系统9、供电系统10、供热系统11、预催化重整器12、和纯化装置13。

图2中的燃料电池热电联供系统和图1中的燃料电池热电联供系统基本类似，不同之处在于，当燃料1为非氢气时，第二换热器5与燃料电池6之间包含预催化重整器12和纯化装置13。这样，燃料1和液态水2经过第二换热器5后，还可以经预催化重整器12和纯化装置13进行预加氢催化重整和纯化处理。这样，可以进一步提高燃料1和液态水2的利用率。

燃料电池热电联供系统的具体操作如下：

燃料1与液态水2连接第二换热器5后与燃料电池6阳极相连，空气3连接第一换热器4后与燃料电池6阴极相连，储热系统7连接第一换热器4、第二换热器5和燃料电池6，后与供热系统11相连，燃料电池6与逆变器8、储电系统9相连，逆变器8与储电系统9相连，逆变器8与供电系统10相连。

在本实施例中，燃料电池热电联供系统可以为含热电复合储能的燃料电池热电联供系统，燃料电池不限于低温质子交换膜燃料电池、高温质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池等。

在本实施例中，燃料电池热电联供系统的储热系统7可以采用热水、导热油、熔融盐等显热储热，也可以采用石蜡、无机水合盐等相变储热材料，储热系统7可由不同温度的储热组成。

在燃料电池工作过程中，燃料1、液态水2、空气3等经过第一换热器4和第二换热器5通入燃料电池6，储热系统7通过第一换热器4和第二换热器5可用于维持燃料、水的预处理用热、空气的预热等需求。

储热系统7可用于燃料电池6的热管理，维持燃料电池6工作在合适的温度，可用于其启动时预热，运行时控温，同时，燃料电池6的出口尾气经过储热系统7，将余热储存至储热系统7。本实施例中，储热系统7为匹配不同品位的热需求时，可采用多个温区的储热系统组成。

燃料电池6的产电输出端连接至逆变器8，可直接输出至供电系统10，同时，燃料电池6连接至储电系统9，储电系统9可平抑燃料电池6和供电系统10的瞬时不匹配，维持燃料电池6工作在恒定功率。

当用户供电负荷需求低于燃料电池产电功率，燃料电池6产电储存在储电系统9中；当用户供电负荷需求高于燃料电池产电功率时，储电系统9存储的电能补充用户供电负荷需求，储热系统7可用于供热系统11，满足用户供热负荷需求。

本实施例中的其他部件和图1中的部件结构和功能相似，此处不再赘述。

本实施例提供的燃料电池热电联供系统具有以下有益效果：提出了储热替代燃料电池热管理方案，可以充分利用燃料电池工作过程中的产热；提出了储热回收燃料电池尾气余热，可有效提高燃料电池利用率；提出了储热储电耦合的复合储能方式，实现燃料电池供能过程的热电解耦。

综上所述，本实施例所提出的一种含热电复合储能的燃料电池热电联供系统可实现燃料电池热电联供和高效利用。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种燃料电池热电联供系统，其特征在于，包括：

储热系统，用于存储热能；

换热装置，与所述储热系统连接，用于利用所述热能对输入能源进行预热处理；

燃料电池，与所述换热装置连接，用于将预热处理后的所述输入能源转换为电能；

储电系统，与所述燃料电池连接，用于在供电系统的负荷需求低于所述燃料电池的产电功率的情况下，存储所述燃料电池的电能。

2.根据权利要求1所述的联供系统，其特征在于，所述储电系统还用于：在所述供电系统的负荷需求大于所述燃料电池的产电功率的情况下，将所存储的电能补充给所述供电系统。

3.根据权利要求1所述的联供系统，其特征在于，所述储热系统还与所述燃料电池连接，用于对所述燃料电池进行热管理，维持所述燃料电池工作在预设的温度，并回收所述燃料电池的出口尾气作为余热进行储存。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的联供系统，其特征在于，所述联供系统还包括供热系统，所述供热系统与所述储热系统连接，用于利用所述储热系统中的所述热能进行供热。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的联供系统，其特征在于，所述联供系统还包括逆变器，所述逆变器与所述燃料电池的产电输出端以及所述储电系统连接，用于将所述燃料电池输出的直流电或者所述储电系统输出的直流电转换为所述供电系统所需的交流电。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的联供系统，其特征在于，所述输入能源包括以下至少之一：燃料、液态水、和空气。

7.根据权利要求6所述的联供系统，其特征在于，所述换热装置包括：

第一换热器，与所述燃料电池的阳极连接，用于对所述燃料和所述液态水进行所述预热处理，并将预热处理后的所述燃料和所述液态水输入到所述燃料电池；

第二换热器，与所述燃料电池的阴极连接，用于对所述空气进行所述预热处理，并将预热处理后的所述空气输入到所述燃料电池。

8.根据权利要求7所述的联供系统，其特征在于，所述联供系统包括：

预催化重整器，与所述第一换热器连接，用于对所述液态水或所述燃料进行催化重整处理；

纯化装置，与所述预催化重整器连接，用于对催化重整处理后的所述液态水或所述燃料进行纯化处理。

9.根据权利要求1所述的联供系统，其特征在于，所述燃料电池包括低温质子交换膜燃料电池、高温质子交换膜燃料电池、或固体氧化物燃料电池。

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