一种基于燃料电池的多能互补冷热电联产系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于燃料电池的多能互补冷热电联产系统，属于能源利用领域，包括：PEMFC单元、热管理单元、电力单元和控制单元，PEMFC单元包括质子交换膜燃料电池、氢气源和空气源、第一管路、第二管路；热管理单元包括低温空气热源泵、相变蓄热器、第三管路、第四管路和第五管路；电力单元包括储电模块、DC/DC转换模块和DC/AC转换模块；控制单元分别与PEMFC单元、热管理单元、电力单元电连接。本发明专利技术充分利用PEMFC余热的低品位特性，将其与低温空气源热泵、高效储热、高密度储电及高效供能末端有机集成，合理的利用了PEMFC余热热能，实现燃料电池的热电联产，能源综合利用效率可达75～95％。

【技术实现步骤摘要】
一种基于燃料电池的多能互补冷热电联产系统
本专利技术属于能源利用
，具体涉及种基于燃料电池的多能互补冷热电联产系统。
技术介绍
燃料电池将燃料和氧化剂的化学能直接转换为直流电能，是氢能转换为电能的有效装备和能源枢纽，是静止的能量转换装置，其效率不受卡诺循环效率限制，具有能量转换效率高、负荷响应时间快、污染物排放低、环境友好、噪音水平低、可靠性高等显著优势。燃料电池中燃料化学能转化为电能是放热反应，必须采取有效散热措施，否则电池堆温度将不断升高，电解质膜脱水、收缩甚至破裂，严重影响电池性能和系统安全。现有技术中，PEMFC电堆采用的冷却方式主要是空气冷却和冷却液循环排热，PEMFC余热约占电池输入总能量的40～60％，但是排放预热并没有得到合理的利用。因此，急需一种能够合理利用PEMFC余热热能的电联产系统。
技术实现思路
为了提供一种能够合理利用PEMFC余热热能的电联产系统，本专利技术采取了如下技术方案：一种基于燃料电池的多能互补冷热电联产系统，包括：PEMFC单元、热管理单元、电力单元和控制单元，所述PEMFC单元包括质子交换膜燃料电池、为所述质子交换膜燃料电池提供燃料的氢气源和提供电化学反应所需空气的空气源、第一管路、第二管路；所述氢气源通过所述第一管路与所述质子交换膜燃料电池的阳极连通；所述空气源通过所述第二管路与所述质子交换膜燃料电池的阴极连通；所述热管理单元包括低温空气热源泵、相变蓄热器、第三管路、第四管路和第五管路，所述相变蓄热器用于提供生活热水和采暖季供暖负荷；所述低温空气热源泵的蒸发端通过所述第三管路与所述质子交换膜燃料电池的排气端连通；所述低温空气热源泵通过所述第四管路与所述相变蓄热器连通；所述质子交换膜燃料电池的冷却装置通过所述第五管路与所述相变蓄热器连通；所述电力单元包括储电模块、DC/DC转换模块和DC/AC转换模块，所述质子交换膜燃料电池通过DC/DC转换模块与所述储电模块电连接，所述储电模块、所述DC/DC转换模块通过所述DC/AC转换模块为用户提供电能；所述控制单元分别与所述PEMFC单元、所述热管理单元、所述电力单元电连接，用于对所述PEMFC单元、所述热管理单元、所述电力单元的实时控制。进一步地，所述第一管路包括循环管路和供气管路，所述循环管路分别与所述质子交换膜燃料电池的阳极氢气进口端、阳极氢气出口端连通；所述循环管路上设置有氢气循环泵、调节供气压力的第一调压阀和控制回路通断的第一电磁阀，所述第一调压阀设置于所述氢气循环泵与所述第一电磁阀之间，所述第一电磁阀设置于靠近所述阳极氢气出口端；所述供气管路的一端与所述氢气源连通，另一端与位于所述第一调压阀、所述第一电磁阀之间的所述循环管路连通；所述供气管路上设置有控制所述供气管路通断的第二电磁阀。进一步地，在所述循环管路上，所述第一电磁阀与所述第一调压阀之间设置有第一流量传感器、第一温度传感器，所述第一调压阀与所述氢气循环泵之间设置有第一压力传感器、第二流量传感器，所述氢气循环泵与所述阳极氢气进口端之间设置第二温度传感器；所述第二管路上依次设置有空气过滤器、阴极送风机、增湿器以及控制所述第二管路通断供气的第三电磁阀，其中，所述空气过滤器设置在靠近所述空气源的一端。进一步地，在所述第二管路上，所述第三电磁阀与所述质子交换膜燃料电池旳阴极进气端之间设置第三流量传感器、第三温度传感器；所述阴极送风机与所述增湿器之间设置有第二压力传感器；所述空气过滤器与所述空气源之间设置有第四温度传感器。进一步地，所述第三管路上设置有调节排气压力的第二调压阀；所述第四管路上设置有控制所述第四管路通断的第四电磁阀和用于气体循环的空气循环泵；其中，所述第四管路包括相变蓄热器进气管和相变蓄热器出气管，所述相变蓄热器进气管的一端与所述低温空气热源泵连通，另一端与所述相变蓄热器的进气口连通；所述相变蓄热器出气管的一端与所述低温空气热源泵连通，另一端与所述相变蓄热器的出气口连通；所述空气循环泵设置在所述相变蓄热器进气管上；所述第四电磁阀设置在所述相变蓄热器出气管上。进一步地，所述质子交换膜燃料电池的冷却装置包括冷却管路，所述冷却管路上依次设置有控制所述冷却管路通断的第五电磁阀、恒温阀、冷却器和冷却泵，所述冷却泵设置在靠近所述质子交换膜燃料电池的冷却液入口端；所述第五管路包括进液管和回液管，所述进液管的一端与所述恒温阀连通，另一端与所述相变蓄热器的散热器进液口连通；所述回液管的一端与所述相变蓄热器的散热器出液口连通，另一端与所述冷却泵的进液口连通。进一步地，在所述第三管路上，所述第二调压阀与所述低温空气热源泵的蒸发端设置有第五温度传感器，所述低温空气热源泵与所述第四电磁阀之间设置有第四流量传感器；所述相变蓄热器进气管和所述相变蓄热器出气管分别设置有第六温度传感器和第七温度传感器；所述第五电磁阀与所述恒温阀之间设置有第五流量传感器、第八温度传感器；所述进液管和所述回液管上分别设置有第九温度传感器和第十温度传感器；所述冷却泵与所述质子交换膜燃料电池的冷却液入口端之间设置有第十一温度传感器。进一步地，所述质子交换膜燃料电池与所述DC/DC转换模块之间设置有第一电流传感器和电压传感器，其中，所述第一电流传感器用于测试所述质子交换膜燃料电池的输出电流，所述电压传感器用于监测所述质子交换膜燃料电池的输出电压；所述储电模块与所述DC/AC转换模块之间设置有第二电流传感器，用于监测所述储电模块的输出电流；所述储电模块上设置有第十二温度传感器，用于监测储电模块的温度；所述DC/AC转换模块、电网通过电线与用户用电设备之间电连接；所述电网与所述电线之间设置有第一功率变送器；所述电线上设置有第二功率变送器。进一步地，所述控制单元包括主控制器、第一从控制器、第二从控制器和第三从控制器；所述主控制器分别与所述第一从控制器、所述第二从控制器、所述第三从控制器电连接；所述第一从控制器、所述第二从控制器、所述第三从控制器分别与所述PEMFC单元、所述热管理单元、所述电力单元电连接，分别用于对所述PEMFC单元、所述热管理单元、所述电力单元的实时控制。进一步地，所述第一从控制器分别与所述质子交换膜燃料电池、所述氢气循环泵、所述第一调压阀、所述第一电磁阀、所述第二电磁阀、所述第一流量传感器、所述第一温度传感器、所述第一压力传感器、所述第二流量传感器、第二温度传感器、所述第三电磁阀、所述第三流量传感器、所述第三温度传感器、所述第四温度传感器、所述增湿器、所述阴极送风机电连接；所述第二从控制器分别与所述第二调压阀、所述第四电磁阀、所述空气循环泵、相变蓄热器进气管和相变蓄热器、所述第五电磁阀、所述恒温阀、所述冷却泵、所述第五温度传感器、所述第四流量传感器、所述第六温度传感器、所述第七温度传感器、所述第五流量传感器、所述第八温度传感器、所述第九温度传感器、所述第十温度传感器、所述第十一温度传感器电连接；所述第三从控制器分别与所述DC/DC转换模块、所述DC/AC转换模块、所述第一电流传感器、所述电压传感器用、所述储电模块、所述第二电流传本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于燃料电池的多能互补冷热电联产系统，其特征在于，包括：PEMFC单元、热管理单元、电力单元和控制单元，所述PEMFC单元包括质子交换膜燃料电池、为所述质子交换膜燃料电池提供燃料的氢气源和提供电化学反应所需空气的空气源、第一管路、第二管路；所述氢气源通过所述第一管路与所述质子交换膜燃料电池的阳极连通；所述空气源通过所述第二管路与所述质子交换膜燃料电池的阴极连通；所述热管理单元包括低温空气热源泵、相变蓄热器、第三管路、第四管路和第五管路，所述相变蓄热器用于提供生活热水和采暖季供暖负荷；所述低温空气热源泵的蒸发端通过所述第三管路与所述质子交换膜燃料电池的排气端连通；所述低温空气热源泵通过所述第四管路与所述相变蓄热器连通；所述质子交换膜燃料电池的冷却装置通过所述第五管路与所述相变蓄热器连通；所述电力单元包括储电模块、DC/DC转换模块和DC/AC转换模块，所述质子交换膜燃料电池通过DC/DC转换模块与所述储电模块电连接，所述储电模块、所述DC/DC转换模块通过所述DC/AC转换模块为用户提供电能；所述控制单元分别与所述PEMFC单元、所述热管理单元、所述电力单元电连接，用于对所述PEMFC单元、所述热管理单元、所述电力单元的实时控制。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于燃料电池的多能互补冷热电联产系统，其特征在于，包括：PEMFC单元、热管理单元、电力单元和控制单元，所述PEMFC单元包括质子交换膜燃料电池、为所述质子交换膜燃料电池提供燃料的氢气源和提供电化学反应所需空气的空气源、第一管路、第二管路；所述氢气源通过所述第一管路与所述质子交换膜燃料电池的阳极连通；所述空气源通过所述第二管路与所述质子交换膜燃料电池的阴极连通；所述热管理单元包括低温空气热源泵、相变蓄热器、第三管路、第四管路和第五管路，所述相变蓄热器用于提供生活热水和采暖季供暖负荷；所述低温空气热源泵的蒸发端通过所述第三管路与所述质子交换膜燃料电池的排气端连通；所述低温空气热源泵通过所述第四管路与所述相变蓄热器连通；所述质子交换膜燃料电池的冷却装置通过所述第五管路与所述相变蓄热器连通；所述电力单元包括储电模块、DC/DC转换模块和DC/AC转换模块，所述质子交换膜燃料电池通过DC/DC转换模块与所述储电模块电连接，所述储电模块、所述DC/DC转换模块通过所述DC/AC转换模块为用户提供电能；所述控制单元分别与所述PEMFC单元、所述热管理单元、所述电力单元电连接，用于对所述PEMFC单元、所述热管理单元、所述电力单元的实时控制。


2.根据权利要求1所述的基于燃料电池的多能互补冷热电联产系统，其特征在于，所述第一管路包括循环管路和供气管路，所述循环管路分别与所述质子交换膜燃料电池的阳极氢气进口端、阳极氢气出口端连通；所述循环管路上设置有氢气循环泵、调节供气压力的第一调压阀和控制回路通断的第一电磁阀，所述第一调压阀设置于所述氢气循环泵与所述第一电磁阀之间，所述第一电磁阀设置于靠近所述阳极氢气出口端；所述供气管路的一端与所述氢气源连通，另一端与位于所述第一调压阀、所述第一电磁阀之间的所述循环管路连通；所述供气管路上设置有控制所述供气管路通断的第二电磁阀。


3.根据权利要求2所述的基于燃料电池的多能互补冷热电联产系统，其特征在于，在所述循环管路上，所述第一电磁阀与所述第一调压阀之间设置有第一流量传感器、第一温度传感器，所述第一调压阀与所述氢气循环泵之间设置有第一压力传感器、第二流量传感器，所述氢气循环泵与所述阳极氢气进口端之间设置第二温度传感器；所述第二管路上依次设置有空气过滤器、阴极送风机、增湿器以及控制所述第二管路通断供气的第三电磁阀，其中，所述空气过滤器设置在靠近所述空气源的一端。


4.根据权利要求3所述的基于燃料电池的多能互补冷热电联产系统，其特征在于，在所述第二管路上，所述第三电磁阀与所述质子交换膜燃料电池旳阴极进气端之间设置第三流量传感器、第三温度传感器；所述阴极送风机与所述增湿器之间设置有第二压力传感器；所述空气过滤器与所述空气源之间设置有第四温度传感器。


5.根据权利要求4所述的基于燃料电池的多能互补冷热电联产系统，其特征在于，所述第三管路上设置有调节排气压力的第二调压阀；所述第四管路上设置有控制所述第四管路通断的第四电磁阀和用于气体循环的空气循环泵；其中，所述第四管路包括相变蓄热器进气管和相变蓄热器出气管，所述相变蓄热器进气管的一端与所述低温空气热源泵连通，另一端与所述相变蓄热器的进气口连通；所述相变蓄热器出气管的一端与所述低温空气热源泵连通，另一端与所述相变蓄热器的出气口连通；所述空气循环泵设置在所述相变蓄热器进气管上；所述第四电磁阀设置在所述相变蓄热器出气管上。


6.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：张东，安周建，张瑞，吴江波，南军虎，俞凯，徐宝睿，刘春阳，刘鹏飞，刘畅，张彬，侯宏艺，李金平，王林军，
申请(专利权)人：兰州理工大学，
类型：发明
国别省市：甘肃;62