燃料电池余热利用系统及能源系统的制作方法

1.本发明涉及燃料电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池余热利用系统及能源系统。


背景技术：

2.燃料电池是一种通过氧或其他氧化剂和燃料进行电化学反应，将燃料中的化学能转换成电能的电池。氢燃料作为目前燃料电池应用中最理想的燃料，因其效率高，燃料产物为水，对环境的污染小，并且可以循环使用，燃料来源广泛等优势，因此氢燃料被认为是21世纪最理想的能源。
3.燃料电池堆在运行过程中会产生大量的热量，需使用冷却液将电堆反应过程中产生的热量带出反应堆以维持电堆内最优工作温度。而这部分热量为低品位热，较难使用，通常通过散热器风扇将其直接排放于环境中，一方面造成了大量的能源浪费，另一方面增加了燃料电池启动升温时间。现有技术中通常为利用此部分余热，利用余热制造暖风，实现冬季用户的供暖需求，但现有技术方案中存在冷热源温度匹配效果差，使用时间不同步的问题，并且余热利用造成燃料电池启动过程升温时间增加，导致能源的利用率不高。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对在燃料电池余热利用过程中，冷热源匹配效果差，且能源利用率不高的问题，提供一种燃料电池余热利用系统及能源系统。
5.一种燃料电池余热利用系统，与燃料电池装置配套使用，所述燃料电池装置用于氢燃料电池发电，所述燃料电池装置包括反应堆与储氢装置，且具有第一进液口与第一出液口，所述燃料电池余热利用系统包括冷却液循环装置与换热器，其中：
6.所述冷却液循环装置具有循环管路以及位于所述循环管路两个端部的第一进液端与第一出液端，所述第一进液口与所述第一出液端连接，所述第一出液口与所述第一进液端连接；
7.所述换热器具有第二进液端、第二出液端及第三出液端，所述第二进液端、所述第二出液端均与所述循环管路连接，所述第三出液端与所述储氢装置连接。
8.上述燃料电池余热利用系统，与燃料电池装置配套使用，燃料电池装置包括反应堆与储氢装置，用于氢燃料电池发电，燃料电池余热利用系统包括冷却液循环装置、换热器，冷却液循环装置中的冷却液经由第一出液端通过第一进液口流至燃料电池装置，并通过第一出液口流出燃料电池装置，通过冷却液循环装置将燃料电池装置反应过程中产生的热量带出反应堆以维持燃料电池装置内最优工作温度。经由第一出液口通过第一进液端流出至冷却液循环装置的冷却液经换热器交换热量后，一部分冷却液由第一进液口重新流至燃料电池装置中，以维持燃料电池装置内最优工作温度，另一部分冷却液通过第三出液端进入至储氢装置中发生吸热反应产生氢气，为反应堆发生电化学反应提供氢气。该燃料电池余热利用系统可合理适配冷热源温度，并且大幅度提高能源利用率。
9.在其中一个实施例中，所述循环管路包括主路、第一支路及第二支路，所述第一支路、所述第二支路均与所述主路并行设置，且三者在靠近所述第一出液口的位置具有交汇点，所述第一进液口、所述第一出液口均与所述主路连接，所述第二支路上设置有第一电加热器。
10.在其中一个实施例中，还包括第一温控阀，所述第一温控阀设置于所述主路上，所述第一温控阀具有第二进液口、第三进液口与第二出液口，所述第二进液口与所述主路连接，所述第三进液口与所述第一支路连接，所述第二出液口与所述主路连接。
11.在其中一个实施例中，所述换热器设置于所述主路上，且位于所述第一出液口与所述第一温控阀之间。
12.在其中一个实施例中，还包括第二温控阀，所述第二温控阀设置于所述主路上，且位于所述第一温控阀与所述第一进液口之间，所述第二温控阀具有第四进液口、第五进液口与第三出液口，所述第四进液口与所述主路连接，所述第五进液口与所述第二支路连接，所述第三出液口与所述主路连接。
13.在其中一个实施例中，还包括设置于所述主路上的散热器与第一水泵，所述散热器位于所述第一温控阀与所述第二温控阀之间，所述第一水泵位于所述第二温控阀与所述第一进液口之间。
14.在其中一个实施例中，所述循环管路还包括第三支路，所述第三支路连接所述燃料电池装置与所述散热器，所述第三支路上设置有去离子器与靠近所述第一水泵进水端的储液箱，所述储液箱设有供冷却液流至所述主路的管道，所述储液箱连接所述燃料电池装置与所述散热器，且位于所述燃料电池装置、所述散热器的上方。
15.在其中一个实施例中，所述储氢装置包括固态储氢罐，所述固态储氢罐与所述换热器连接，且与所述反应堆连接；
16.所述储氢装置还包括第四支路，所述第四支路与所述换热器连接，所述第四支路上还依次设置有第二水泵、第二电加热器、所述固态储氢罐。
17.在其中一个实施例中，还包括排液阀、第一温压传感器与第二温压传感器，所述排液阀可供所述冷却液循环装置中的冷却液排出至外界，所述第一温压传感器设置于所述冷却液循环装置上，且靠近所述第一进液口，所述第二温压传感器设置于所述冷却液循环装置上，且靠近所述第一出液口。
18.一种能源系统，包括所述燃料电池装置及如上述技术方案任一项所述的燃料电池余热利用系统。
19.上述能源系统，包括燃料电池装置与燃料电池余热利用系统，燃料电池装置包括反应堆与储氢装置，用于氢燃料电池发电，燃料电池余热利用系统包括冷却液循环装置、换热器，冷却液循环装置中的冷却液经由第一出液端通过第一进液口流至燃料电池装置，并通过第一出液口流出燃料电池装置，通过冷却液循环装置将燃料电池装置反应过程中产生的热量带出反应堆以维持燃料电池装置内最优工作温度。经由第一出液口通过第一进液端流出至冷却液循环装置的冷却液经换热器交换热量后，一部分冷却液由第一进液口重新流至燃料电池装置中，以维持燃料电池装置内最优工作温度，另一部分冷却液通过第三出液端进入至储氢装置中发生吸热反应产生氢气，为反应堆发生电化学反应提供氢气。该能源系统可合理适配冷热源温度，并且大幅度提高能源利用率。
附图说明
20.图1为本发明提供的能源系统结构示意图。
21.附图标记：
22.100、燃料电池余热利用系统；
23.110、燃料电池装置；111、反应堆；112、第一进液口；113、第一出液口；
24.120、冷却液循环装置；121、第一进液端；122、第一出液端；123、主路；124、第一支路；125、第二支路；126、第三支路；127、第一电加热器；128、第一温控阀；129、第二温控阀；
25.1281、第二进液口；1282、第三进液口；1283、第二出液口；
26.1291、第四进液口；1292、第五进液口；1293、第三出液口；
27.130、换热器；131、第二进液端；132、第二出液端；133、第三出液端；
28.140、储氢装置；141、固态储氢罐；142、第四支路；143、第二水泵；144、第二电加热器；
29.151、散热器；152、第一水泵；153、去离子器；154、储液箱；155、排液阀；156、第一温压传感器；157、第二温压传感器；
30.160、能源系统。
具体实施方式
31.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
32.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
33.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
34.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
35.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第
一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
36.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
37.下面结合附图介绍本发明实施例提供的技术方案。
38.如图1所示，本发明提供一种燃料电池余热利用系统100，燃料电池余热利用系统100与燃料电池装置110配套使用，燃料电池装置110包括反应堆111与储氢装置140，通过反应堆111的电化学反应实现氢燃料电池发电。燃料电池余热利用系统100包括冷却液循环装置120与换热器130，冷却液循环装置120具有供冷却液流动的循环管路，通过冷却液循环装置120的循环管路将燃料电池装置110反应过程中产生的热量带出反应堆111，以维持燃料电池装置110内最优工作温度。具体地，燃料电池装置110具有第一进液口112与第一出液口113，第一进液口112、第一出液口113均与冷却液循环装置120通过管道连接，第一进液口112供冷却液从冷却液循环装置120流入至燃料电池装置110，第一出液口113供冷却液从燃料电池装置110流出至冷却液循环装置120，其中：
39.冷却液循环装置120具有循环管路，循环管路具有两个相对设置的端部，第一进液端121与第一出液端122分别位于循环管路的两个端部，第一进液口112与第一出液端122连接，可供冷却液经由第一出液端122、第一进液口112，继而从冷却液循环装置120流至燃料电池装置110内；并且，第一出液口113与第一进液端121连接，可供冷却液从第一出液口113、第一进液口112，继而从燃料电池装置110流至冷却液循环装置120内，实现冷却液在燃料电池装置110与冷却液循环装置120内的循环流动。
40.换热器130具有第二进液端131、第二出液端132及第三出液端133，第二进液端131与冷却液循环装置120连接，第二出液端132也与冷却液循环装置120连接。冷却液循环装置120中的冷却液可通过第二进液端131流入换热器130，并通过第二出液端132流出换热器130。第三出液端133与储氢装置140通过管道连接，部分在换热器130中进行热量交换后的冷却液可通过第三出液端133流入至储氢装置140中，为储氢装置140发生吸热反应产生氢气提供所需的热量，为燃料电池装置110提供氢气。
41.上述燃料电池余热利用系统100，与燃料电池装置110配套使用，燃料电池装置110包括反应堆111与储氢装置140，用于氢燃料电池发电，燃料电池余热利用系统100包括冷却液循环装置120、换热器130，冷却液循环装置120中的冷却液经由第一出液端122通过第一进液口112流至燃料电池装置110，并通过第一出液口113流出燃料电池装置110，通过冷却液循环装置120将燃料电池装置110反应过程中产生的热量带出反应堆111以维持燃料电池装置110内最优工作温度。经由第一出液口113通过第一进液端121流出至冷却液循环装置120的冷却液经换热器130交换热量后，一部分冷却液由第一进液口112重新流至燃料电池装置110中，以维持燃料电池装置110内最优工作温度，另一部分冷却液通过第三出液端133进入至储氢装置140中发生吸热反应产生氢气，为反应堆111发生电化学反应提供氢气。该燃料电池余热利用系统100可合理适配冷热源温度，大幅度提高能源利用率。
42.为实现储氢装置140为反应堆111持续供给氢气，一种优选实施方式，如图1所示，
储氢装置140包括固态储氢罐141，固态储氢罐141与换热器130通过管道连接，并且固态储氢罐141与反应堆111通过管道连接。经换热器130中进行热量交换后的部分冷却液流至固态储氢罐141，为固态储氢罐141发生吸热反应产生氢气提供所需的热量，并且固态储氢罐141通过管道为反应堆111发生电化学反应提供氢气。
43.为实时监测冷却液流入与流出燃料电池装置110的温度与压力，一种优选实施方式，如图1所示，燃料电池余热利用系统100还包括第一温压传感器156与第二温压传感器157，第一温压传感器156设置于冷却液循环装置120上，并且第一温压传感器156靠近第一进液口112，可通过第一温压传感器156监测流入燃料电池装置110的冷却液的温度和压力，实时调整流入至燃料电池装置110的温度和压力，以维持燃料电池装置110内最优工作温度和压力。同样地，第二温压传感器157设置于冷却液循环装置120上，并且第二温压传感器157靠近第一出液口113，可通过第二温压传感器157监测流出燃料电池装置110的冷却液的温度和压力，实时调整从燃料电池装置110内流出的冷却液的温度和压力，以维持燃料电池装置110内最优工作温度和压力。
44.为减少燃料电池装置110启动过程的升温时间，一种优选实施方式，如图1所示，冷却液循环装置120的循环管路包括主路123、第一支路124及第二支路125，第一支路124、第二支路125均与主路123并行设置，并且主路123、第一支路124与第二支路125在靠近第一出液口113的位置具有交汇点，第一进液口112、第一出液口113均与主路123连接。可以理解的是，冷却液从燃料电池装置110经第一出液口113流出至主路123，在主路123、第一支路124与第二支路125的交汇点处，控制冷却液选择流向主路123、第一支路124、第二支路125的其中一条或其中多条，可根据具体工作过程自由选择。在第二支路125上设置有第一电加热器127，在燃料电池装置110启动过程中，冷却液循环装置120中流动的冷却液温度较低，无法为燃料电池装置110启动发电提供所需的热量，此时，可启动第一电加热器127，并且让冷却液在第二支路125中流动，通过第一电加热器127给第二支路125中流动的冷却液加热，使冷却液在短时间内可达到预定温度，冷却液可循环流动至燃料电池装置110内提供热量，减少燃料电池装置110启动过程的升温时间。
45.为控制冷却液在通过主路123与第一支路124时的流量比，具体地，如图1所示，燃料电池余热利用系统100还包括第一温控阀128。第一温控阀128设置于主路123上，第一温控阀128具有第二进液口1281、第三进液口1282与第二出液口1283，并且第二进液口1281与主路123连接，以保证主路123中的冷却液可通过第二进液口1281流入至第一温控阀128内；第三进液口1282与第一支路124连接，以保证第一支路124中的冷却液可通过第三进液口1282进入至第一温控阀128内；第二出液口1283与主路123连接，以保证聚集于第一温控阀128内的冷却液可通过第二出液口1283流出至主路123参与循环。
46.需要说明的是，第一温控阀128为可调节液体介质流量的调节阀，并且当冷却液经过第一温控阀128时，第一温控阀128可根据第一温度传感器156的温度反馈自主调节第一温控阀128的开合大小，控制通过第二出液口1283流入至主路123参与循环的冷却液流量大小。
47.为控制冷却液在通过主路123与第二支路125时的流量比，具体地，如图1所示，燃料电池余热利用系统100还包括第二温控阀129。第二温控阀129设置于主路123上，第一温控阀128具有第四进液口1291、第五进液口1292与第三出液口1293，并且第四进液口1291与
主路123连接，以保证主路123中的冷却液可通过第四进液口1291流入至第二温控阀129内；第五进液口1292与第二支路125连接，以保证第二支路125中的冷却液可通过第五进液口1292进入至第二温控阀129内；第三出液口1293与主路123连接，以保证聚集于第二温控阀129内的冷却液可通过第三出液口1293流出至主路123参与循环。
48.需要说明的是，由于燃料电池装置110在启动初期，冷却液主要通过第二支路125的第一电加热器127加热后流入第二温控阀129，进而流入到主路123，而随着燃料电池装置110工作趋于稳定，须由第二温控阀129控制第二支路125中的冷却液流量逐渐减少，而主路123、第一支路124中的冷却液流量逐渐增大。第二温控阀129为可调节液体介质流量的调节阀，并且当冷却液经过第二温控阀129时，第二温控阀129可根据第一温度传感器156的温度反馈自主调节第二温控阀129的开合大小，控制通过第三出液口1293流入至主路123参与循环的冷却液流量大小。
49.另外，如图1所示，换热器130设置于主路123上，并且换热器130位于第一出液口113与第一温控阀128之间。燃料电池利用系统还包括散热器151，散热器151设置于主路123上，并且散热器151位于第一温控阀128与第二温控阀129之间。当燃料电池装置110工作稳定阶段，第一支路124与第二支路125关闭，冷却液主要是通过主路123参与燃料电池装置110的电堆反应与储氢装置140的吸热反应；由于燃料电池装置110的电堆反应为大量放热，从第一出液口113流出至主路123的冷却液温度较高，部分冷却液经过换热器130交换热量后还需进一步通过散热器151散去一部分热量，通过散热器151将冷却液温度降低到合适温度后，冷却液才能循环参与燃料电池装置110的电堆反应。而另一部分冷却液经过换热器130交换热量后流入至储氢装置140中供固态储氢罐141发生吸热反应产生氢气，为燃料电池装置110提供氢气。由于冷却液在主路123中流动，循环参与燃料电池装置110的电堆反应经过换热器130与散热器151的双重散热，相较于传统的仅采用散热器151散热的方式，本实施方式中对散热器151的体积、功率等要求不高，可节省燃料电池余热利用系统100的安装空间与成本，并且在散热器151或换热器130其中之一损坏时，也不会对燃料电池装置110的正常使用产生过大的影响。
50.需要说明的是，散热器151也具有供冷却液流入的入口(图示未示出)及供冷却液流出的出口(图示未示出)，并且入口与出口的相对开设位置尽可能的距离较远，使得冷却液在散热器151内流动的路径尽可能的较长，以保证冷却液的散热效果相对较好。
51.为排出燃料电池装置110与散热器151内部的气泡，具体地，如图1所示，冷却液循环装置120的循环管路还包括第三支路126，第三支路126通过管道连接燃料电池装置110，并且第三支路126通过管道连接散热器151，第三支路126上还设置有去离子器153与储液箱154。在燃料电池装置110启动之前，燃料电池装置110、散热器151内均充斥有空气，当加入冷却液之后，燃料电池装置110与散热器151内部的空气受压之后会产生气泡，气泡可通过第三支路126进入至储液箱154内，溶解于冷却液中参与循环，并且可通过去离子器153可去除冷却液中的导电离子等杂质。另外，燃料电池余热利用系统100还包括设置于主路123上的第一水泵152，第一水泵152位于第二温控阀129与第一进液口112之间，并且储液箱154靠近第一水泵152，储液箱154设有供冷却液流至主路123的管道。储液箱154中储存的冷却液可通过管道输送至主路123，并且通过第一水泵152的增压来增大冷却液的流量、流速与实现冷却液的循环。储液箱154通过管道连接燃料电池装置110与散热器151，由于燃料电池装
置110、散热器151内部产生的气泡密度较低，储液箱154位于燃料电池装置110、散热器151的上方，气泡能够较为流畅的冒至储液箱154中排出燃料余热利用系统100，避免因大量聚集于燃料电池装置110与散热器151的出气口，影响散热器151的散热效果，并且可能导致第一水泵152的空转，燃料电池装置110无法正常工作。
52.需要说明的是，燃料电池装置110与散热器151均开设有供气泡排出的出气口，并且出气口与第三支路126连接。另外，储液箱154位于燃料电池余热利用系统100的最高点，即储液箱154的液面位置为燃料电池余热利用系统100的最高液面位置，使得冷却液的水压更大，冷却液能够较为流畅地流入至主路123管道中参与循环。
53.为充分利用燃料电池装置110产生的余热，一种优选实施方式，如图1所示，储氢装置140还包括第四支路142，第四支路142与换热器130连接，第四支路142上还依次设置有第二水泵143、第二电加热器144、固态储氢罐141。部分由换热器130热量交换的冷却液可流至第四支路142，继而经过第二水泵143的增压来增大冷却液的流量、流速与实现冷却液的循环，并通过第二电加热器144的加热，固态储氢罐141在吸热反应之后产生氢气，氢气通过管道供给燃料电池装置110发生电堆反应发电。
54.为排出燃料电池余热利用系统100内的冷却液，一种优选实施方式，如图1所示，燃料电池余热利用系统100还包括排液阀155，在燃料电池装置110需维修或更换时，打开排液阀155，冷却液循环装置120中的冷却液通过排液阀155排出至外界。需要说明的是，排液阀155设置于燃料电池余热利用系统100的最低点，即排液阀155位于燃料电池余热利用系统100中的其他零部件下方，以使得冷却液能够更多的排出至外界。
55.另外，本发明还提供了一种能源系统160，如图1所示，能源系统160包括燃料电池装置110及如上述技术方案任一项的燃料电池余热利用系统100。
56.上述能源系统160，包括燃料电池装置110与燃料电池余热利用系统100，燃料电池装置110包括反应堆111与储氢装置140，用于氢燃料电池发电，燃料电池余热利用系统100包括冷却液循环装置120、换热器130，冷却液循环装置120中的冷却液经由第一出液端122通过第一进液口112流至燃料电池装置110，并通过第一出液口113流出燃料电池装置110，通过冷却液循环装置120将燃料电池装置110反应过程中产生的热量带出反应堆111以维持燃料电池装置110内最优工作温度。经由第一出液口113通过第一进液端121流出至冷却液循环装置120的冷却液经换热器130交换热量后，一部分冷却液由第一进液口112重新流至燃料电池装置110中，以维持燃料电池装置110内最优工作温度，另一部分冷却液通过第三出液端133进入至储氢装置140中发生吸热反应产生氢气，为反应堆111发生电化学反应提供氢气。该能源系统160可合理适配冷热源温度，大幅度提高能源利用率。
57.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
58.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。