一种燃料电池和空气能热水器的联合系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及燃料电池技术领域及热水器技术领域，提供了一种燃料电池和空气能热水器的联合系统和方法。联合系统方法包括以下步骤：系统启动时，辅助电源对系统用电设备进行供电，空气能热水器的电力主要来源为辅助电源；燃料电池电堆输出趋于稳定时，此时空气能热水器的电能主要来源于燃料电池电堆，同时，冷却水通过冷却回路将燃料电池电堆反应产生的热量带走并流进保温水箱以供使用；系统关闭时，辅助电源回收燃料电池多余能量。本发明专利技术有效解决了停电时家庭热水无法正常供应问题，同时热水器用电的产生环保无污染，燃料电池的能量利用率大大提高。大提高。大提高。

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池和空气能热水器的联合系统和方法


[0001]本专利技术属于燃料电池
与热水器
，具体涉及燃料电池和空气能热水器的联合系统和方法。

技术介绍

[0002]燃料电池的应用是氢能高效利用的重要途径之一。氢燃料电池的内部反应是一个氢与氧结合生成水过程，此过程是将反应物的化学能直接转换为电能和热能，理论上转换效率可达90％以上，且不受卡诺循环效应的限制，具有很高的经济性。氢燃料电池以其适应性广、能量转换效率高、无污染、无噪音等优点作为了广大研究人员在家庭电力供应方面的研究对象，有望成为取代火力发电，成为新型清洁、高效户用发电方式。
[0003]目前的热水器领域，空气能热水器的应用已经越来越普遍，大有全面代替电热水器、燃气热水器的趋势。相对于电热水器，空气能热水器更安全，且用电量更少；相对于燃气热水器，空气能热水器更环保，且对水加热速率更快。
[0004]但是，空气能热水器在使用时需要源源不断的电力输入供应热水器相应设备正常工作。当家庭遭遇停电时，将会面临热水器的工作瘫痪，家庭成员的热水使用以及其他用电设备一时间将会暂时无法使用。而且，目前我国家庭用电50％以上还是来自于煤炭的火力发电，从根本上来讲，空气能热水器还没用达到100％环保。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术旨在提出一种燃料电池和空气能热水器的联合系统和方法，将燃料电池与空气能热水器两个独立的子系统通过一定方式结合在一起，构成一个完整系统以解决家庭用电暂时断开而导致的热水无法正常供应问题。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术提供了如下的技术方案：
[0007]本专利技术提供了一种燃料电池和空气能热水器的联合系统，包括燃料供给系统、氧气供给系统、水热管理系统、辅助电源系统、燃料电池电堆、电力调整系统、空气能热水器以及控制系统组成。
[0008]作为一种优选方案，燃料供给系统主要用于对燃料电池进行燃料的供给，燃料选择氢气。在氢气进入燃料电池电堆系统前，需要对氢气减压及加湿，保证氢气的压力和湿度能满足燃料电池电堆的正常工作。
[0009]作为一种优选方案，氧气供给系统主要是用于燃料电池电堆阴极侧的反应，正常情况下可采用空气作为氧气源。空气进入燃料电池电堆进行反应前，首先需对空气进行过滤除杂，然后进行减压以及加湿处理，然后才能用于燃料电池电堆的反应。
[0010]作为一种优选方案，水热管理系统主要是用于燃料电池反应时及时的降温，避免燃料电池电堆因反应温度过高引起反应效率下降以及降低燃料电池电堆寿命。冷却水通过离心泵进入预设的燃料电池冷却回路中，通过热量交换将燃料电池电堆产生的热量带走，升温后的冷却水流进保温水箱，便于后续使用。
[0011]作为一种优选方案，辅助电源系统用于联合系统初始启动时瞬时功率的供应以及联合系统关闭时燃料电池电堆的能量回收。辅助电源系统主要由蓄电池组成，蓄电池的最大输出功率应该大于联合系统所有用电设备的功率之和。由于燃料电池电堆动态响应慢，导致在联合系统启动时，燃料电池电堆的输出功率无法达到联合系统用电设备的功率需求，因此此时就需要辅助电源进行功率的补充。在联合系统关闭时，燃料电池电堆的输出功率并不是立刻减小为0的，这时候就需要蓄电池将多余的能量进行回收利用。
[0012]作为一种优选方案，燃料电池电堆是整个联合系统的核心模块。目前燃料电池主要有五大类，分别是熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、磷酸燃料电池、碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池。五种燃料电池各有优缺点，考虑到本专利技术的使用场景，选择质子交换膜燃料电池作为燃料电池电堆的单电池更适合本次专利技术。
[0013]作为一种优选方案，电力调整系统主要用于将燃料电池电堆的直流输出电转换为交流电，供联合系统中用电设备的使用。在电力调整系统中，燃料电池电堆经前级DC/DC变换电路和滤波电路，输出较为稳定的直流电，然后经后级DC/AC电路将直流电转换为用电设备正常使用的交流电。
[0014]作为一种优选方案，空气能热水器是联合系统中能量的最终转换装置。空气能热水器主要由风机、蒸发器、压缩机、冷凝器、节流装置以及保温水箱组成。燃料电池电堆系统提供空气能热水器所需的电能，以及将水热管理系统中升温的冷却水储存在保温水箱中。冷媒介质在压缩机、蒸发器、冷凝器以及节流装置中以不同状态进行循环并且进行热量的传递。
[0015]作为一种优选方案，控制系统主要用于对联合系统中各部分实时状态的信号接收，以及通过相关控制策略对信号处理并反馈给系统相关部分进行状态调整。
[0016]一种燃料电池和空气能热水器的联合方法，包括以下步骤；
[0017]将氢气供给系统的相关部件按顺序接入燃料电池电堆的阳极进气口；
[0018]将氧气供给系统按照顺序将部件连接在燃料电池电堆的阴极进气口；
[0019]将自来水管接入燃料电池电堆冷却水回路中，升温后的冷却水接入空气能热水器的保温水箱；
[0020]辅助电源的输出端与燃料电池电堆的输出端进行双向导通，便于辅助电源的功率补充以及能量回收；
[0021]燃料电池电堆的输出端以及辅助电源的输出端接前级DC/DC变换器，经DC/DC稳压后接后级DC/AC逆变器，以实现电力变换调整。调整后的交流电与空气能热水器相连；
[0022]联合系统中各级电信号、气体压力及湿度信号通过传感器输送到系统控制单元进行计算并反馈。
[0023]本专利技术中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
[0024]本专利技术将氢燃料电池系统与空气能热水器进行联合，使得在停电的情况下，依然能保证家庭热水的正常使用；
[0025]本专利技术将氢燃料电池水热管理系统中升温后的冷却水进行储存并使用，大大提高了氢燃料电池的能量转利用率，避免了氢燃料电池因工作导致的热量散失浪费；
[0026]本专利技术将氢燃料电池作为空气能热水器的电能提供源，避免了发电对环境产生污染，从根本上解决了环保问题。
附图说明
[0027]附图用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本专利技术的实施例一起用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的限制。在附图中：
[0028]图1是本专利技术实施例中燃料电池和空气能热水器的联合系统示意图。
[0029]图2是本专利技术实施例中空气能热水器的示意图。
具体实施方式
[0030]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0031]实施例：
[0032]请参阅图1，本实施例提供了一种燃料电池和空气能热书器的联合系统，包括燃料供给系统、氧气供给系统、水热管理系统、辅助电源系统、燃料电池电堆、电力调整系统、空气能热水器以及控制系统。燃料供给系统用于燃料电池电堆供给燃料，氢气作为燃料输送给燃料电池电堆。氧气供给系统用于为燃料电池电堆提供氧气，保证燃本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池和空气能热水器的联合系统，其特征在于：包括燃料供给系统、氧气供给系统、水热管理系统、辅助电源系统、燃料电池电堆、电力调整系统、空气能热水器以及控制系统。2.根据权利要求1所述的燃料电池和空气能热水器的联合系统，其特征在于：燃料供给系统主要用于对燃料电池进行燃料的供给，燃料选择氢气。在氢气进入燃料电池电堆系统前，需要对氢气减压及加湿，保证氢气的压力和湿度能满足燃料电池电堆的正常工作。3.根据权利要求1所述的燃料电池和空气能热水器的联合系统，其特征在于：氧气供给系统主要是用于燃料电池电堆阴极侧的反应，正常情况下可采用空气作为氧气源。空气进入燃料电池电堆进行反应前，首先需对空气进行过滤除杂，然后进行减压以及加湿处理，然后才能用于燃料电池电堆的反应。4.根据权利要求1所述的燃料电池和空气能热水器的联合系统，其特征在于：水热管理系统主要是用于燃料电池反应时及时的降温，避免燃料电池电堆因反应温度过高引起反应效率下降以及降低燃料电池电堆寿命。冷却水通过离心泵进入预设的燃料电池冷却回路中，通过热量交换将燃料电池电堆产生的热量带走，升温后的冷却水流进保温水箱，便于后续使用。5.根据权利要求1所述的燃料电池和空气能热水器的联合系统，其特征在于：辅助电源系统用于联合系统初始启动时瞬时功率的供应以及联合系统关闭时燃料电池电堆的能量回收。辅助电源系统主要由蓄电池组成，蓄电池的最大输出功率应该大于联合系统所有用电设备的功率之和。由于燃料电池电堆动态响应慢，导致在联合系统启动时，燃料电池电堆的输出功率无法达到联合系统用电设备的功率需求，因此此时就需要辅助电源进行功率的补充。在联合系统关闭时，燃料电池电堆的输出功率并不是立刻减小为0的，这时候就需要蓄电池将多余的能量进行回收利用。6.根据权利要求1所述的燃料电池和空气能热水器的联合系统，其特征在于：燃料电池电堆是整个联合系统的核心模块。目前燃料电池主要有五大类，分别是熔融碳酸盐...

【专利技术属性】
技术研发人员：林彬，杨川江，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：