一种基于燃料电池和电热泵耦合的供热系统技术方案

本发明专利技术适用于供热系统领域，提供了一种基于燃料电池和电热泵耦合的供热系统，包括：燃料电池子系统，用于将氢气与空气中的氧气发生电化学反应，转化为电能和热能；电热泵子系统，与燃料电池子系统连接，所述电热泵子系统通过电驱动压缩机将空气中的低温热量转换成高温热量加热循环水供热；尾气收集子系统，与燃料电池子系统连接，所述尾气收集子系统包括气水分离器、排水装置、排气装置以及电磁阀；循环水子系统，与燃料电池子系统连接，所述循环水子系统用于将燃料电池和电热泵的热量输送至热用户；控制子系统，与燃料电池子系统、电热泵子系统、尾气收集子系统以及循环水子系统电性连接。接。接。

【技术实现步骤摘要】
一种基于燃料电池和电热泵耦合的供热系统


[0001]本专利技术属于供热系统领域，尤其涉及一种基于燃料电池和电热泵耦合的供热系统。

技术介绍

[0002]目前城市集中供热主要以热电厂热电联供、区域锅炉(电热泵)为主。热电厂和区域锅炉多以煤、油、天然气等作为能量来源，存在较高的碳排放及污染物排放，且能源利用率较低；电热泵虽没有碳排放，但是在冬天电热泵效率较低,当室外温度降低到
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10℃的时候,电热泵除霜能力减弱,使用不当还可能冻坏管道和设备，也无法在没有电的情况下运行。
[0003]随着环境污染及碳排放问题日益严峻，采用新能源作为供热原料成为热点话题。氢气作为能源使用时其产物只有水，无任何碳排放和污染物排放，是一种理想的清洁能源。
[0004]在现有的燃气锅炉、燃气热泵、燃气热机、直燃型热泵等技术基础上改造为使用氢气代替天然气作为能量来源，其基本原理均是氢气直接燃烧。由于目前技术的限制，氢气直接燃烧存在燃烧不稳定、有氮氧化物排放、震动噪音、材料腐蚀等问题，对于设备稳定运行具有较大挑战。
[0005]为避免上述技术问题，确有必要提供一种基于燃料电池和电热泵耦合的供热系统以克服现有技术中的所述缺陷。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种基于燃料电池和电热泵耦合的供热系统，旨在利用清洁能源氢气为能量来源，通过燃料电池热电联供系统与电驱动空气源热泵进行耦合，共同加热循环水，实现高效率、无污染供热。
[0007]本专利技术是这样实现的，一种基于燃料电池和电热泵耦合的供热系统，包括：
[0008]燃料电池子系统，用于将氢气与空气中的氧气发生电化学反应，转化为电能和热能；
[0009]电热泵子系统，与燃料电池子系统连接，所述电热泵子系统通过电驱动压缩机将空气中的低温热量转换成高温热量加热循环水供热；
[0010]尾气收集子系统，与燃料电池子系统连接，所述尾气收集子系统包括气水分离器、排水装置、排气装置以及电磁阀，所述排水装置和排气装置均与气水分离器连接，所述电磁阀设置在连接管道上，所述气水分离器与燃料电池尾排管道相连；
[0011]循环水子系统，与燃料电池子系统连接，所述循环水子系统用于将燃料电池和电热泵的热量输送至热用户；
[0012]控制子系统，与燃料电池子系统、电热泵子系统、尾气收集子系统以及循环水子系统电性连接，所述控制子系统用于系统控制、数据采集与存储、人机对话以及信息通信与交换。
[0013]进一步的技术方案，所述燃料电池子系统包括燃料电池电堆模块、氢气过滤器、空气过滤器、板式换热器、DCDC变换器、逆变器以及启动电源；
[0014]氢气过滤器的氢气出口与燃料电池电堆模块的氢气入口相连，且空气过滤器的出口与燃料电池电堆模块的空气入口相连；板式换热器与燃料电池电堆模块冷却系统和循环水系统相连；DCDC变换器与逆变器连接；
[0015]启动电源的直流电源输出端子与DCDC变换器连接，且启动电源的交流电源输入端子与外部市电连接。
[0016]进一步的技术方案，所述电热泵子系统包括压缩机、冷凝器、蒸发器、节流装置、连接管路以及其他制冷辅助部件。
[0017]进一步的技术方案，所述循环水子系统包括两个循环水泵、高位水箱、电动调节阀、电磁阀、手动阀门、流量计以及热计量表；
[0018]两个循环水泵用于给循环水提供循环动力，循环水泵由PLC系统控制；高位水箱与循环水泵入口管路连接，同时高位水箱装设有远传信号功能的液位计；所述循环水泵的出口处设置有电磁阀，且电磁阀的动作指令与对应的循环水泵进行逻辑关联；燃料电池和电热泵处设置有电动调节阀，电动调节阀分别通过对应的流量计控制通过燃料电池和电热泵的循环水流量。
[0019]进一步的技术方案，所述控制子系统包括控制器、人机界面以及通信模块；
[0020]主控制器可采用PLC、通用中央处理器、微型处理器或其他处理器模块；人机界面可采用触摸屏、工业平板电脑、工业显示器等设备，可配合相应的按钮、键盘、指示灯、蜂鸣器等设备，组成信息输入及输出界面；
[0021]通信模块用于通过有线或无线的方式与内部设备或外部设备实现通信连接和数据交换。
[0022]相较于现有技术，本专利技术的有益效果如下：
[0023]本专利技术提供的一种基于燃料电池和电热泵耦合的供热系统，采用燃料电池+电热泵作为供热装置，解决了氢能锅炉、氢气热泵、氢内燃机等直接燃氢方案存在的氢气燃烧不稳定、有氮氧化物排放、震动噪音等问题；
[0024]本专利技术提供的一种基于燃料电池和电热泵耦合的供热系统，燃料电池发电直供电热泵，解决了电热泵供热运行需要外接市电问题，实现了“零碳排放”；
[0025]本专利技术提供的一种基于燃料电池和电热泵耦合的供热系统，燃料电池电堆排出的尾排气体温度通常在60℃至90℃之间，绝对压力在120kPa至280kPa之间，通过尾排收集装置排至电热泵空气侧换热器(蒸发器)，解决了低温环境下，电热泵除霜能力弱，除霜频繁问题，实现了余热充分利用。
附图说明
[0026]图1为本专利技术的系统结构原理图；
[0027]图2为本专利技术的主程序启动流程图；
[0028]图3为本专利技术的启动子程序流程图；
[0029]图4为本专利技术的停机子程序流程图。
[0030]附图中：燃料电池子系统1、电热泵子系统2、尾气收集子系统3、循环水子系统4、燃
料电池电堆模块5、气水分离器6、高位水箱7。
具体实施方式
[0031]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。
[0032]以下结合具体实施例对本专利技术的具体实现进行详细描述。
[0033]如图1
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图4所示，为本专利技术提供的一种基于燃料电池和电热泵耦合的供热系统，包括：
[0034]燃料电池子系统1，用于将氢气与空气中的氧气发生电化学反应，转化为电能和热能；
[0035]电热泵子系统2，与燃料电池子系统1连接，所述电热泵子系统2通过电驱动压缩机将空气中的低温热量转换成高温热量加热循环水供热；
[0036]尾气收集子系统3，与燃料电池子系统1连接，所述尾气收集子系统3包括气水分离器6、排水装置、排气装置以及电磁阀，所述排水装置和排气装置均与气水分离器6连接，所述电磁阀设置在连接管道上，所述气水分离器6与燃料电池尾排管道相连；
[0037]燃料电池电堆排出的尾排气体温度通常在60℃至90℃之间，绝对压力在120kPa至280kPa之间。气水分离器6与燃料电池尾排管道相连，负责将尾排气体中的水蒸气分离并排出。与燃料电池运行状态进行逻辑联锁的两个电磁阀将分离后的尾气切换为两种排放方式：
[0038]1)燃料电池启动阶段和停机阶段关闭气水分离器6右侧的电磁阀，开启气水分离器6上本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于燃料电池和电热泵耦合的供热系统，其特征在于，包括：燃料电池子系统，用于将氢气与空气中的氧气发生电化学反应，转化为电能和热能；电热泵子系统，与燃料电池子系统连接，所述电热泵子系统通过电驱动压缩机将空气中的低温热量转换成高温热量加热循环水供热；尾气收集子系统，与燃料电池子系统连接，所述尾气收集子系统包括气水分离器、排水装置、排气装置以及电磁阀，所述排水装置和排气装置均与气水分离器连接，所述电磁阀设置在连接管道上，所述气水分离器与燃料电池尾排管道相连；循环水子系统，与燃料电池子系统连接，所述循环水子系统用于将燃料电池和电热泵的热量输送至热用户；控制子系统，与燃料电池子系统、电热泵子系统、尾气收集子系统以及循环水子系统电性连接，所述控制子系统用于系统控制、数据采集与存储、人机对话以及信息通信与交换。2.根据权利要求1所述的基于燃料电池和电热泵耦合的供热系统，其特征在于，所述燃料电池子系统包括燃料电池电堆模块、氢气过滤器、空气过滤器、板式换热器、DCDC变换器、逆变器以及启动电源；氢气过滤器的氢气出口与燃料电池电堆模块的氢气入口相连，且空气过滤器的出口与燃料电池电堆模块的空气入口相连；板式换热器与燃料电池电堆模块冷却系统和循环水系统相连；DCDC变换器与逆变器连接；启动电源的直流电源输出端子...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴志民，张志洋，朱成，
申请(专利权)人：中氢源安北京科技有限公司，
类型：发明
国别省市：