一种氢燃料电池余热利用系统的制作方法

1.本实用新型实施例涉及清洁能源技术领域，尤其涉及一种氢燃料电池余热利用系统。


背景技术：

2.氢燃料电池是一种利用氢气和空气中的氧气的化学能来制备电能的能量转换装置。氢燃料电池具有转换效率高、容量大、比能量高的优点。将氢燃料电池应用在船舶上作为电能的来源，具有极大的优势，例如静音效果好、工作效率高、不产生污染等优点。然而，目前，氢燃料电池在工作时会产生大量的废热，针对这一部分废热，常用的做法是通过风冷设备进行散热。然而，应用在船舶上时，由于船舶的空间有限，无法安装大型的风冷设备，这就导致应用在船舶上的氢燃料电池能源效率不高。


技术实现要素：

3.本实用新型实施例提供一种氢燃料电池余热利用系统，可以有效地利用船舶上的空间，使用冷却水如对氢燃料电池进行冷却，提高了氢燃料电池的能源效率。
4.本实用新型实施例提供一种氢燃料电池余热利用系统，包括：储氢罐、气化装置、加压装置、燃料电池组、三通电磁阀、第一管路、第二管路、第三管路、第四管路、第一换热器、汲水泵、第五管路、循环泵和控制器；
5.所述储氢罐的出口与所述气化装置的进口相导通，所述气化装置的出口与所述加压装置的进口相导通，所述加压装置的出口与所述燃料电池组的进气口相导通；
6.所述燃料电池组的出水口与所述第一管路相导通，所述第一管路与所述循环泵的进口相导通，所述循环泵的出口与所述第二管路的一端相导通，所述第二管路的另一端与所述第一换热器的第一进水口相导通，所述第一换热器的第一出水口与所述第四管路相导通，且所述第四管路与所述燃料电池组的进水口相导通；
7.所述三通电磁阀串联在所述第四管路上，所述第三管路的一端设置在所述第二管路上，另一端与所述三通电磁阀的另一端口相导通；
8.所述汲水泵与所述第一换热器的第二进水口相导通，所述第一换热器的第二出水口与所述第五管路相导通，所述汲水泵用于汲取冷却水，所述第五管路用于将换热后的冷却水排出；
9.所述控制器分别与所述燃料电池组、所述循环泵、所述三通电磁阀和所述汲水泵电性连接。
10.采用该技术方案，一方面可以对氢燃料电池产生的高温废水进行处理，降低对氢燃料电池进行热交换的换热装置的体积，使其能够充分利用船舶的环境特性，实现就地取材、小型化换热；另一方面，可以实现对氢燃料电池启动时间的缩短，另一方面可以提高对氢燃料电池的工作温度的精准控制。
11.在一种可行的方案中，还包括：回热装置；
12.所述回热装置包括：第一辅助泵和第二换热器，所述第二换热器设置在所述气化装置处，所述第一辅助泵的出口与所述第二换热器的进口相导通，且所述第一辅助泵的进口设置在所述第二管路上；
13.所述第二换热器的出口设置在所述第四管路上，所述第一辅助泵与所述控制器电性连接，所述第一辅助泵和所述第二换热器用于将从所述第二管路分流出的水对气化的氢气进行加热。
14.采用该技术方案，可以实现利用氢燃料电池产生的高温废水对气化过程进行加热的目的，从而降低船舶整体的能源消耗。
15.在一种可行的方案中，所述燃料电池组包括多个燃料电池，且多个所述燃料电池的出水口与所述第一管路并联。
16.采用该技术方案，是将多个氢燃料电池进行并联，实现氢燃料电池总功率的提高，同时多个氢燃料电池使用同一组管路进行高温废水的处理，可以降低装置的整体体积，有利于小型化的实现。
17.在一种可行的方案中，还包括：散热装置；
18.所述燃料电池的输出端设有dc-dc转换器；
19.所述散热装置包括：第二辅助泵和第三换热器；
20.所述第三换热器设置在所述dc-dc转换器上，所述第二辅助泵串联在所述第三换热器和所述dc-dc转换器之间的换热回路上，所述第三换热器的冷凝水进口与所述汲水泵的出口相导通，所述第三换热器的冷凝水出口与所述第五管路相导通，所述第三换热器用于对所述dc-dc转换器进行冷却。
21.采用该技术方案，可以对dc-dc换热器的废热进行及时排出，以降低dc-dc换热器的工作温度，避免产生火灾隐患。
22.在一种可行的方案中，所述第一换热器、所述第二换热器和所述第三换热器都为板式换热器。
23.采用该技术方案，是由于板式换热器技术成熟，型号齐全，有利于降低生产成本和维护成本。
24.在一种可行的方案中，还包括：缓冲罐；
25.所述缓冲罐设置在所述第一换热器的第一进水口处。
26.采用该技术方案，是为了在第一换热器满负荷运行时，避免突然增加的高温废水量过大，使经过第一换热器回到氢燃料电池的水温仍然过高，影响氢燃料电池的稳定运行。通过增设缓冲罐，可以使第一换热器能够有缓冲罐处理的余地，保证回到氢燃料电池的水温符合要求。
附图说明
27.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1为本实用新型实施例一中氢燃料电池余热利用系统的整体结构示意图；
29.图2为本实用新型实施例二中氢燃料电池余热利用系统的整体结构示意图。
30.图中标号：
31.1、储氢罐；2、气化装置；3、加压装置；4、燃料电池组；5、第一管路；6、三通电磁阀；7、第二管路；8、第四管路；9、第三管路；10、第一换热器；11、汲水泵；12、第五管路；13、第一辅助泵；14、第二换热器；15、dc-dc转换器；16、第二辅助泵；17、第三换热器；18、第二三通阀；19、缓冲罐；20、循环泵。
具体实施方式
32.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
33.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。
34.在本实用新型中，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，也可以是成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，也可以是通讯连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介的间接连接，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实用新型中的具体含义。下面以具体地实施例对本实用新型的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
35.申请人发现，氢燃料电池应用到船舶上具有传统动力不具备的优势，例如静音效果好、能源转换效率高、工作环境要求不高等，但是，由于氢燃料电池在工作时，会产生很多废热，这部分废热一方面影响工作过程，另一方面会影响硬件的使用寿命，导致成本高昂。而为了对这一部分废热进行处理，常规方法是通过风冷进行散热，然而，船舶上往往不具备安装风冷设备的空间，这就导致目前的氢燃料电池应用到船舶上存在诸多问题，如能源效率低、运行时间短、维护成本高等问题。
36.基于此，申请人设想对现有的氢燃料电池进行改进，以便在船舶上实现应用。
37.实施例一
38.图1为本实用新型实施例一中氢燃料电池余热利用系统的整体结构示意图。
39.如图1所示，本实用新型实施例提供的氢燃料电池余热利用系统，包括：储氢罐1、气化装置2、加压装置3、燃料电池组4、三通电磁阀6、第一管路5、第二管路7、第三管路9、第四管路8、第一换热器10、汲水泵11、第五管路12、循环泵20和控制器。
40.其中，储氢罐1属于现有技术，用于对液态氢气进行储存。该储氢罐1的出口与气化装置2的进口相导通。气化装置2的作用是对从储氢罐1中出来的氢气进行膨胀、气化，实现
氢气从液态到气态的转变。目前，氢气的气化装置2已经存在很多成熟的产品。该气化装置2的出口与加压装置3的进口相导通，加压装置3的作用是提高气态氢气的压力，使氢气以符合燃料电池要求的气压进入装置内。一种可能的加压装置3为氢气增压泵，该氢气增压泵的出口与燃料电池组4的进气口相导通，用于向氢燃料电池提供反应所需要的一定压力的氢气。
41.氢燃料电池组4里的氢气经过与氧气的电化学反应，会产生高温废水，这部分高温废水绝大部分需要排出到氢燃料电池外部进行冷却后使用，以避免影响氢燃料电池的进一步反应。该燃料电池组4的出水口与第一管路5相导通，第一管路5排出的水具有一定的温度，这部分水的温度一般超过氢燃料电池所需要的进行电化学反应所需要的温度。
42.循环泵20设置在第一管路5上，第二管路的另一端与第一换热器的第一进水口相导通，另一端与循环泵20的出口相导通，循环泵起到将水从燃料电池组4内抽出，然后通过第二管路7将水排到第一换热器10内。第一换热器10的作用是将从氢燃料电池中产生的带有废热的高温水进行冷却，热量传导给冷却水(如海水)。该第一换热器10的第一出水口与该第四管路8相导通，且该第四管路8与该燃料电池组4的进水口相导通，第四管路8的作用是将经过热交换的水送到三通电磁阀6的第一端口内，进一步地通过三通电磁阀6的第二端口返回到氢燃料电池组4中，以备后面的循环中使用。
43.与此同时，三通电磁阀6还有第三端口，第三管路9的一端安装在该第三端口内，另一端安装在第二管路7上，三通电磁阀6的作用是对进入第二端口的流体进行分配。
44.也即，通过三通电磁阀6，实现对从氢燃料电池组4排出的高温废水的流量分配，使一部分水通过板式换热器与冷却水进行热交换，生成低温水；同时，另一部分的高温废水与经过冷却的低温水进行混合，实现高温废水的降温和低温水的增温，从而使混合后的混合水符合氢燃料电池的用水条件，从而使氢燃料电池不必等所有的高温废水都降温到符合要求的温度再稳定运行，从而提高了整个氢燃料电池的启动效率；与此同时，通过对三通电磁阀6进行高温废水和低温水的再分配，可以对回流到氢燃料电池内的水的温度进行更精确的控制，从而实现对氢燃料电池系统工作温度的精确调整，使其工作状况的控制精度更高。
45.该汲水泵11与该第一换热器10的第二进水口相导通，该第一换热器10的第二出水口与该第五管路12相导通，该汲水泵11用于汲取冷却水，该第五管路12用于将换热后的冷却水排出。
46.汲水泵11的作用是抽入一定量的冷却水，对第一换热器10内的高温废水进行换热。第五管路12用于将升温后的冷却水排出，以便进行下一轮的换热。
47.该控制器分别与该燃料电池组4、循环泵20、该三通电磁阀6和该汲水泵11电性连接。
48.控制器的作用是对氢燃料电池的工作状况进行监控，对三通电磁阀6各端口的开度进行控制、对汲水泵11的冷却水量的控制，从而实现对氢燃料电池启动时间的缩短和氢燃料电池工作温度的精准控制。
49.采用该技术方案，一方面可以对氢燃料电池产生的高温废水进行处理，降低对氢燃料电池进行热交换的换热装置的体积，使其能够充分利用船舶的环境特性，实现就地取材、小型化换热；另一方面，可以实现对氢燃料电池启动时间的缩短，另一方面可以提高对氢燃料电池的工作温度的精准控制。
50.可选地，如图1所示，本实用新型实施例提供的氢燃料电池余热利用系统，还包括：回热装置。
51.该回热装置包括：第一辅助泵13和第二换热器14.
52.第一辅助泵13的作用是将高温废水升压。第二换热器14设置在气化装置2处，该第一辅助泵13的出口与该第二换热器14的进口相导通，且第一辅助泵13的进口设置在第二管路7上，第二换热器14的出口设置在第四换热器8上。
53.第二换热器14的作用是通过将高温废水排到气化装置2处，实现将高温废水的热量传递给气化装置2内的液态氢气，实现对液态氢气气化过程的热传递，从而降低气化过程的热量消耗，降低船舶上的能源消耗。
54.该第一辅助泵13与该控制器电性连接，该第一辅助泵13和该第二换热器14用于将从该第二管路7分流出的水对气化的氢气进行加热。第一辅助泵13排出的高温废水的量由控制器进行控制。
55.采用该技术方案，可以实现利用氢燃料电池产生的高温废水对气化过程进行加热的目的，从而降低船舶整体的能源消耗。
56.可选地，本实用新型实施例提供的氢燃料电池余热利用系统，该燃料电池组4包括多个燃料电池，且多个该燃料电池的出水口与该第一管路5并联。
57.采用该技术方案，是将多个氢燃料电池进行并联，实现氢燃料电池总功率的提高，同时多个氢燃料电池使用同一组管路进行高温废水的处理，可以降低装置的整体体积，有利于小型化的实现。
58.实施例二
59.图2为本实用新型实施例二中氢燃料电池余热利用系统的整体结构示意图。
60.如图2所示，在实施例一的基础上，本实用新型实施例提供的氢燃料电池余热利用系统，还包括：散热装置。
61.该燃料电池的输出端设有dc-dc转换器15。dc-dc转换器15在工作过程中会产生一定的废热。
62.该散热装置包括：第二辅助泵16和第三换热器17。
63.该第三换热器17设置在该dc-dc转换器15上，第二辅助泵16串联在第三换热器17和dc-dc转换器15之间的换热回路上，该第二辅助泵16与该控制器电性连接，第三换热器17的冷凝水进口与汲水泵11的出口相导通，第三换热器17的冷凝水出口与第五管路12相导通，第三换热器17用于对dc-dc转换器15进行冷却。
64.采用该技术方案，可以对dc-dc换热器的废热进行及时排出，以降低dc-dc换热器的工作温度，避免产生火灾隐患。
65.可选地，本实用新型实施例提供的氢燃料电池余热利用系统，该第一换热器10、该第二换热器14和该第三换热器17都为板式换热器。
66.采用该技术方案，是由于板式换热器技术成熟，型号齐全，有利于降低生产成本和维护成本。
67.可选地，本实用新型实施例提供的氢燃料电池余热利用系统，还包括：缓冲罐。
68.该缓冲罐设置在该第一换热器10的第一进水口处。
69.采用该技术方案，是为了在第一换热器10满负荷运行时，避免突然增加的高温废
水量过大，使经过第一换热器回到氢燃料电池的水温仍然过高，影响氢燃料电池的稳定运行。通过增设缓冲罐，可以使第一换热器能够有缓冲罐处理的余地，保证回到氢燃料电池的水温符合要求。
70.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一特征和第二特征直接接触，或第一特征和第二特征通过中间媒介间接接触。
71.而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可以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低于第二特征。
72.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任意一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
73.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。