用于氢氧燃料电池的废热综合回收与利用系统技术方案

本发明专利技术公开了一种用于氢氧燃料电池的废热综合回收与利用系统。该系统包括氢气供应系统、空气供应系统，还包括总换热系统、回收系统；所述总换热系统包括电堆换热系统、空气换热系统和尾气换热系统，通过各自的第一冷却水支路、第二冷却水支路和第三冷却水支路分别对反应的电堆进行冷却降温，对空气供应系统中加压后、加湿前的空气进行冷却降温，对燃料电池阴极气体出口处的尾气进行冷却降温；所述回收系统将电堆换热系统、空气换热系统和尾气换热系统回收的热量进行收集和利用。本系统能够更全面地对氢氧燃料电池产生的废热进行回收，有效提高燃料电池系统热电效率，提高燃料电池系统在低温情况下的启动速度，实现燃料电池系统的冷启动能力。的冷启动能力。的冷启动能力。

【技术实现步骤摘要】
用于氢氧燃料电池的废热综合回收与利用系统


[0001]本专利技术涉及燃料电池废热回收
，具体地指一种用于氢氧燃料电池的废热综合回收与利用系统。

技术介绍

[0002]燃料电池系统已经被广泛应用于固定式发电、汽车供电等多种场所。燃料电池可分为氢氧燃料电池和直接甲醇燃料电池，其中氢氧燃料电池是一种通过氢气和氧气在电极发生电化学反应产生电能的发电设备。氢氧燃料电池又可分为质子交换膜燃料电池、碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池，其中质子交换膜燃料电池(也称PEM燃料电池)近些年来发展迅速。
[0003]一般情况下，氢氧燃料电池中的氢原子在阳极发生电化学反应并失去电子，电子通过外电路流通，对外放电，并回到阴极，带正电的氢离子通过电解质到阴极与阴极氧气结合形成水，完成放电过程。该过程除了产生电能，还会产生大量的废热。热回收设备可以通过去离子冷却水的循环工作，回收燃料电池系统在发电过程中产生的大量废热，并将其应用于其他需要热的场所。另外当环境温度低于0℃时，PEM燃料电池停止工作时，内部的水凝结成冰，包裹质子交换膜并填充燃料电池内部，燃料电池难以启动，此时废热回收系统回收的废热有利于燃料电池的低温快速启动，能够大大提高燃料电池的启动速度及能量效率。
[0004]对于质子交换膜燃料电池而言，废热主要来源于三方面：第一方面，电堆工作过程中会产生大量的热；第二方面，燃料电池阴极入口处的空气供应管道会产生热量，空气通过空压机进入燃料电池阴极的空气供应管道，经过空压机后的空气温度大多在120℃，而质子交换膜燃料电池的工作温度大概在60
‑
80℃，因此燃料电池阴极的空气供应管道便会产生多余的热量；第三方面，燃料电池阴极的出口处的尾气管道也会产生热量(尾气包括：未完全反应的氧气、空气中除氧气外的剩余气体以及电堆反应生成的水蒸气)。
[0005]然而，目前燃料电池热回收系统考虑的回收热量仅限于上述的电堆反应产生的热量及燃料电池阴极的空气供应管道中的多余热量，因此，现存的燃料电池热回收系统考虑的回收热量并不全面，缺乏对燃料电池阴极的出口处的尾气产热进行回收的考虑。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的就是要提供一种用于氢氧燃料电池的废热综合回收与利用系统，能够更全面的回收燃料电池产生的废热，有效提高燃料电池热电效率。
[0007]为实现上述目的，本专利技术研制出了一种用于氢氧燃料电池的废热综合回收与利用系统，包括氢气供应系统、空气供应系统，所述氢气供应系统将氢气导入燃料电池阳极气体入口进行反应；所述空气供应系统将空气加压、加湿后导入燃料电池阴极气体入口进行反应；其特别之处在于：还包括总换热系统、回收系统；
[0008]所述总换热系统包括电堆换热系统、空气换热系统和尾气换热系统；
[0009]所述电堆换热系统包括第一冷却水支路，所述第一冷却水支路对反应的电堆进行
冷却降温；
[0010]所述空气换热系统包括第二冷却水支路，所述第二冷却水支路对空气供应系统中加压后、加湿前的空气进行冷却降温；
[0011]所述尾气换热系统包括第三冷却水支路，所述第三冷却水支路对燃料电池阴极气体出口处的尾气进行冷却降温，所述尾气对空气供应系统冷却降温后的干燥空气进行湿度和温度调节后，再对自身进行冷却降温；
[0012]所述回收系统能够对所述电堆换热系统的温度进行控制，并将电堆换热系统、空气换热系统和尾气换热系统回收的热量进行收集和利用。
[0013]进一步地，所述第一冷却水支路、第二冷却水支路、第三冷却水支路并联连接循环冷却水系统；
[0014]所述第一冷却水支路从循环冷却水系统输出端依次连接有第一三通阀、第一温度传感器，所述第一温度传感器用来测量电堆冷却水出口处的温度；
[0015]所述第三冷却水支路从第一三通阀冷却水出口端依次连接有第二三通阀、尾气换热器、第一止回阀、第三三通阀，所述第三三通阀冷却水出口端与循环冷却水系统相连；
[0016]所述第二冷却水支路从第二三通阀冷却水出口端依次连接有第一电磁阀、中冷器、第二止回阀、第四三通阀，所述第四三通阀冷却水出口端与第三三通阀另一冷却水入口端相连，所述第四三通阀另一冷却水入口端与第一温度传感器相连。
[0017]更进一步地，所述循环冷却水系统包括依次连接的冷却储液罐、冷却液水泵、去离子装置和离子计，所述离子计冷却水出口端与第一三通阀冷却水入口端相连。
[0018]更进一步地，所述回收系统包括依次连接的热水缓冲罐、热回收水泵和设置在冷却储液罐冷却水入口端的系统换热器，所述热水缓冲罐上设有冷水入口电磁阀；通过所述第一温度传感器控制热回收水泵流速，实现对冷却储液罐冷却水入口端的冷却水水温的控制。
[0019]更进一步地，所述回收系统还包括设置在所述热水缓冲罐上的第三温度传感器，所述热水缓冲罐依次连接有缓存水转移泵和热水储液罐；通过第三温度传感器控制缓存水转移泵的开启，实现热水的存储、利用。
[0020]更进一步地，空气供应系统包括依次连接的过滤器、空压机、阴极截止阀、加湿器、第二温度传感器；通过第二温度传感器控制第一电磁阀的开度，实现对燃料电池阴极气体入口处的空气温度的控制。
[0021]更进一步地，所述氢气供应系统包括依次连接的氢气瓶和引射器，还包括设置在燃料电池阳极气体出口处的吹扫排放三通阀，所述吹扫排放三通阀氢气出口端连接至引射器引设流体通道，用于回收未完全反应的氢气。
[0022]更进一步地，所述尾气为燃料电池阴极气体出口输出的未反应完的氧气及空气中的其余气体。
[0023]本专利技术的优点在于：
[0024]1.本专利技术不仅能够回收电堆反应产生的热量、空压机压缩后的空气携带的热量，还能够回收燃料电池尾气携带的热量，并利用尾气携带的热量和水对干燥空气进行加热和加湿，提高了废热利用率；
[0025]2.本专利技术能够提高燃料电池系统在低温情况下的启动速度，实现燃料电池系统的
冷启动能力。
[0026]本专利技术用于氢氧燃料电池的废热综合回收与利用系统将循环冷却水分为三个支路，分别对电堆、加压后的空气及尾气进行冷却降温，再将三个支路的冷却水进行汇流，经过系统换热器，将回收的三个支路的热量转移至换热水，最后回到冷却储液罐，完成冷却水的循环；再将系统换热器的换热水与热回收水泵和热水缓冲罐形成闭环，完成总热量的回收，并将总热量暂存在热水缓冲罐中；最后通过缓存水转移泵和热水储液罐，完成热水的存储和利用；该回收与利用方法能够更全面地对氢氧燃料电池产生的废热进行回收，有效提高燃料电池系统热电效率。
附图说明
[0027]图1是本专利技术用于氢氧燃料电池的废热综合回收与利用系统的结构示意图；
[0028]图2是本专利技术用于氢氧燃料电池的废热综合回收与利用系统的循环流体流动框图；
[0029]图3是图2中的空气换热系统工作原理框图；
[0030]图4是图2中的尾气换热系统工作原理框图；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于氢氧燃料电池的废热综合回收与利用系统，包括氢气供应系统(1)、空气供应系统(2)，所述氢气供应系统(1)将氢气导入燃料电池(5)阳极气体入口进行反应；所述空气供应系统(2)将空气加压、加湿后导入燃料电池(5)阴极气体入口进行反应；其特征在于：还包括总换热系统(3)、回收系统(4)；所述总换热系统(3)包括电堆换热系统(3
‑
1)、空气换热系统(3
‑
2)和尾气换热系统(3
‑
3)；所述电堆换热系统(3
‑
1)包括第一冷却水支路，所述第一冷却水支路对反应的电堆进行冷却降温；所述空气换热系统(3
‑
2)包括第二冷却水支路，所述第二冷却水支路对空气供应系统(2)中加压后、加湿前的空气进行冷却降温；所述尾气换热系统(3
‑
3)包括第三冷却水支路，所述第三冷却水支路对燃料电池(5)阴极气体出口处的尾气进行冷却降温，所述尾气对空气供应系统(2)冷却降温后的干燥空气进行湿度和温度调节后，再对自身进行冷却降温；所述回收系统(4)能够对所述电堆换热系统(3
‑
1)的温度进行控制，并将电堆换热系统(3
‑
1)、空气换热系统(3
‑
2)和尾气换热系统(3
‑
3)回收的热量进行收集和利用。2.根据权利要求1所述的用于氢氧燃料电池的废热综合回收与利用系统，其特征在于：所述第一冷却水支路、第二冷却水支路、第三冷却水支路并联连接循环冷却水系统(3
‑
4)；所述第一冷却水支路从循环冷却水系统(3
‑
4)输出端依次连接有第一三通阀(3
‑
11)、第一温度传感器(3
‑
12)，所述第一温度传感器(3
‑
12)用来测量电堆冷却水出口处的温度；所述第三冷却水支路从第一三通阀(3
‑
11)冷却水出口端依次连接有第二三通阀(3
‑
31)、尾气换热器(3
‑
32)、第一止回阀(3
‑
33)、第三三通阀(3
‑
34)，所述第三三通阀(3
‑
34)冷却水出口端与循环冷却水系统(3
‑
4)相连；所述第二冷却水支路从第二三通阀(3
‑
31)冷却水出口端依次连接有第一电磁阀(3
‑
21)、中冷器(3
‑
22)、第二止回阀(3
‑
23)、第四三通阀(3
‑
24)，所述第四三通阀(3
‑
24)冷却水出口端与第三三通阀(3
‑
34)另一冷却水入口端相连，所述第四三通阀(3
‑
24)另一冷却水入口端与第一温度传感器(3
‑
12)相连。3.根据权利要求2所述的用于氢氧燃料电池的废热综合...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓坚，刘璇，谢长君，朱文超，石英，李维波，黄亮，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：