基于燃料电池的热电联供系统的制作方法

1.本发明涉及热电联供系统技术领域，尤其是涉及一种基于燃料电池的热电联供系统。


背景技术：

2.建筑能耗是节能减排工作各项领域中的重点和关键。建筑能耗具体是指建筑物内各种能量消耗单位及设备运行过程中所产生的能耗，例如彩电冰箱、地暖、电灯、电梯、空调、通风、烹饪、生活热水等产生的能耗。传统的建筑能量系统依赖“大机组、大电网”的集中供电方式，将发电厂经电网输送来的电力，经各种用能设备转化为冷热电的能量形式，以满足用户对照明、采暖和生活热水等方面的需要。但传统的集中供电方式却带来环境污染问题、供电安全问题和经济合理性问题。因此，为解决上述问题，需要发展新一代能源系统以满足建筑用能的需要，在这样的背景和环境下，提出了燃料电池热电联供系统。
3.现有燃料电池热电联供系统主要包括燃料供应单元、燃料电池堆和热水罐，燃料供应单元向燃料电池堆提供燃料，燃料电池堆发生化学反应产生电能和热能，产生的电能通过dc/ac转化为特定的电压的交流电至用电负载，产生的热能对热水罐进行加热，为用户提供热水，剩余的热量排放至环境当中。
4.虽然燃料电池热电联供系统可为建筑的供电和供热提供方便，但现有燃料电池热电联供系统的供热效率较低，难以满足用户高峰期的供热需求。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服上述技术不足，提出一种基于燃料电池的热电联供系统，解决现有技术中基于燃料电池的热电联供系统的供热效率不足，难以满足高峰期供热需求的技术问题。
6.为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种基于燃料电池的热电联供系统，包括燃料输入单元、燃料电池堆、供热单元和燃烧单元，所述燃料电池堆设置有燃料输入端、氧化输入端、供电端和供热端，所述燃料输入单元与所述燃烧单元和所述燃料输入端连通，用于向所述燃烧单元和所述燃料输入端输入燃料，所述氧化输入端用于向所述燃料电池堆输入氧化剂，所述燃料电池堆用于将所述燃料输入端和所述氧化输入端输入的燃料和氧化剂转化为热能和电能，并将产生的热能和电能分别经由所述供热端和供电端进行输出，所述燃烧单元用于将经由所述燃料输入端输入的燃料进行燃烧，并产生热能进行输出，所述供热单元与所述供热端和所述燃烧单元连通，用于对所述供热端和所述燃烧单元输出的热能进行吸收，并通过吸收的热能对用户供热。
7.可选地，所述供热端包括第一分流模块，所述第一分流模块用于吸收所述燃料电池堆产生的热能，并将吸收的热能输出至所述供热单元和所述燃料输入单元，所述供热单元用于吸收所述第一分流模块输入的热能，并通过吸收的热能对用户供热，所述燃料输入单元用于通过所述第一分流模块输入的热能向所述燃料输入端释放燃料。
8.可选地，所述第一分流模块包括第一冷却换热器和第一分流器，所述第一冷却换热器用于对所述燃料电池堆产生的热能进行吸收，所述第一分流器与所述第一冷却换热器连通，所述第一分流器用于对所述第一冷却换热器吸收后的热量向所述供热单元和所述燃料输入单元进行分流。
9.可选地，所述燃烧单元包括燃气锅炉和第二分流模块，所述燃气锅炉与所述燃料输入单元连通，所述第二分流模块与所述燃气锅炉连通，所述第二分流模块用于吸收所述燃气锅炉产生的热能，并将吸收的热能输出至所述供热单元和所述燃料输入单元，所述供热单元用于吸收所述第二分流模块输入的热能，并通过吸收的热能对用户供热，所述燃料输入单元用于通过所述第二分流模块输入的热能向所述燃料输入端释放燃料。
10.可选地，所述第二分流模块包括第二冷却换热器和第二分流器，所述第二冷却换热器用于对所述燃气锅炉产生的热能进行吸收，所述第二分流器与所述第二冷却换热器连通，所述第二分流器用于对所述第二冷却换热器吸收后的热量向所述供热单元和所述燃料输入单元进行分流。
11.可选地，所述氧化输入端还与所述燃气锅炉连通，用于向所述燃气锅炉输送氧化剂。
12.可选地，所述燃料电池堆为氢燃料电池，所述燃料电池堆还设置有排气端，所述排气端包括汽水分离器，所述汽水分离器与所述供热单元连通，所述汽水分离器用于分离所述燃料电池堆产生的水蒸气和液态水，并将分离的液态水输送至所述供热单元。
13.可选地，所述燃料输入单元包括依序连通的合金储氢罐、减压阀和缓冲罐，所述合金储氢罐用于储存氢气，所述缓冲罐与所述燃料电池堆连通，所述减压阀用于减轻所述合金储氢罐通入所述缓冲罐的气压，所述缓冲罐用于对进入所述燃料电池堆的燃料提供缓冲。
14.可选地，所述燃料输入单元设置有第一燃料输入管，所述第一燃料输入管与所述燃料输入端连通，所述燃料电池堆还设置有燃料释放管，所述燃料释放管与所述第一燃料输入管连通，所述燃料释放管用于向所述第一燃料输入管输送所述燃料电池堆未参与反应的燃料。
15.可选地，所述燃料输入单元还设置有第二燃料输入管和喷射阀，所述第二燃料输入管的一端与所述第一燃料输入管和所述燃料释放管连通，所述第二燃料输入管的另一端与所述燃烧单元连通，所述第二燃料输入管用于将所述第一燃料输入管和所述燃料释放管的部分燃料输送至所述燃烧单元，所述喷射阀安装于所述第二燃料输入管上，用于控制所述第二燃料输入管的通断。
16.与现有技术相比，本发明提供的基于燃料电池的热电联供系统的有益效果包括：通过设置燃料输入单元、燃料电池堆和供热单元，燃料电池堆设置有燃料输入端、氧化输入端、供电端和供热端，燃料输入单元向燃料输入端输入燃料，氧化输入端向燃料电池堆输送氧化剂，燃料电池堆将燃料输入端和氧化输入端输入的燃料和氧化剂转化为热能和电能，产生的电能可通过供电端向用户供电，产生的热能可输入至供热单元，供热单元将该热量吸收并供应至用户，实现对用户的供热，由于热电联供系统还设置有燃烧单元，当供热单元的供热能力不足时，燃料输入端向燃烧单元输送燃料，燃料在燃烧单元的燃烧下产生热能，供热单元对燃烧单元输出的热能进行吸收，可有效提升供热单元的供热效率，满足用户高
峰期的供热需求。
附图说明
17.图1为本发明实施例提供的基于燃料电池的热电联供系统的结构示意图。
18.其中，图中各附图标记：10—燃料输入单元
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11—合金储氢罐
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12—减压阀13—缓冲罐
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14—第一燃料输入管
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15—第二燃料输入管16—喷射阀
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20—燃料电池堆
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21—燃料输入端22—氧化输入端
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23—供电端
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24—供热端25—第一分流模块
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26—排气端
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27—燃料释放管30—供热单元
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40—燃烧单元
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41—燃气锅炉42—第二分流模块
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221—空压机
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222—空气过滤器231—dc/ac转换器
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251—第一冷却换热器 252—第一分流器261—汽水分离器
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421—第二冷却换热器 422—第二分流器2521—第一热量分流管 4221—第二热量分流管。
具体实施方式
19.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。
20.本发明提供了一种基于燃料电池的热电联供系统，包括燃料输入单元10、燃料电池堆20、供热单元30和燃烧单元40，燃料电池堆20设置有燃料输入端21、氧化输入端22、供电端23和供热端24，燃料输入单元10与燃烧单元40和燃料输入端21连通，用于向燃烧单元40和燃料输入端21输入燃料，氧化输入端22用于向燃料电池堆20输入氧化剂，燃料电池堆20用于将燃料输入端21和氧化输入端22输入的燃料和氧化剂转化为热能和电能，并将产生的热能和电能分别经由供热端24和供电端23进行输出，燃烧单元40用于将经由燃料输入端21输入的燃料进行燃烧，并产生热能进行输出，供热单元30与供热端24和燃烧单元40连通，用于对供热端24和燃烧单元40输出的热能进行吸收，并通过吸收的热能对用户供热。
21.具体地，通过设置燃料输入单元10、燃料电池堆20和供热单元30，燃料电池堆20设置有燃料输入端21、氧化输入端22、供电端23和供热端24，燃料输入单元10向燃料输入端21输入燃料，氧化输入端22向燃料电池堆20输送氧化剂，燃料电池堆20将燃料输入端21和氧化输入端22输入的燃料和氧化剂转化为热能和电能，产生的电能可通过供电端23向用户供电，产生的热能可输入至供热单元30，供热单元30将该热量吸收并供应至用户，实现对用户的供热，由于热电联供系统还设置有燃烧单元40，当供热单元30的供热能力不足时，燃料输入端21向燃烧单元40输送燃料，燃料在燃烧单元40的燃烧下产生热能，供热单元30对燃烧单元40输出的热能进行吸收，可有效提升供热单元30的供热效率，满足用户高峰期的供热需求。
22.可以理解的，燃料输入单元10可以为任意可储存和输送气体燃料的装置，输送的燃料可以为氢气、甲烷等任意可燃气体。
23.可以理解的，燃料电池堆20的反应效率可根据用户实际用电量和实际用热量做出适应性调整。
24.本实施例中，供电端23包括dc/ac转换器231，dc/ac转换器231用于将燃料电池堆20产生的直流电转化为特定的交流电输送至用电负载。
25.可以理解的，供热端24可将燃料电池堆20产生的部分或全部热量输送至供热单元30。
26.可以理解的，氧化输入端22可以输入氧气、空气等能为燃料提供氧化的气体。
27.本事实施例中，燃料电池堆20的额定发电功率与用户的基础用电功率相当，燃料电池堆20一般保持额定发电功率进行工作，也即，当燃料输入端21通入的燃料量充足的情况下，燃料电池堆20工作过程消耗的燃料量和产热量均为定值。
28.本实施例中，供热单元30为热水罐。
29.本实施例中，燃料电池堆20、燃烧单元40与供热单元30的热能均以水作为介质进行传递。
30.可以理解的，燃烧单元40可以为燃气锅炉41等可为燃料提供燃烧的任意设备。
31.可选地，供热端24设置有第一分流模块25，第一分流模块25用于吸收燃料电池堆20产生的热能，并将吸收的热能输出至供热单元30和燃料输入单元10，供热单元30用于吸收第一分流模块25输入的热能，并通过吸收的热能对用户供热，燃料输入单元10用于通过第一分流模块25输入的热能向燃料输入端21释放燃料。
32.具体地，第一分流模块25可通过吸收燃料电池堆20产生的热能，并将吸收的热能向供热单元30和燃料输入单元10进行分流，分流至供热单元30的热能可供供热单元30吸收，直接对用户供热，分流至燃料输入单元10的热量可进一步驱动燃料输入单元10向燃料输入端21进一步释放燃料，由于燃料电池堆20消耗的燃料量基本保持恒定，使得更多燃料进入燃烧单元40进行燃烧，通过燃烧单元40的燃烧作用可进一步加强对供热单元30的供热，使得供热单元30的供热效率进一步提升。
33.本实施例中，第一分流模块25和燃料输入单元10之间通过第一热量分流管2521连通，第一热量分流管2521上设置有电磁通断阀，供热单元30通过供水管向用户提供热水，供水管上设置有流量监控装置，流量监控装置与监控单元电连接，当监控单元监控到用户用水量较少时，关闭电磁通断阀，阻隔第一分流模块25的热能向燃料输入单元10的传递，减少氢气的消耗，当监控单元监控到用户用水量较多时，打开电磁通断阀，使第一分流模块25的部分热能向燃料输入单元10的传递，加强对供热单元30的供热。
34.可选地，第一分流模块25包括第一冷却换热器251和第一分流器252，第一冷却换热器251用于对燃料电池堆20产生的热能进行吸收，第一分流器252与第一冷却换热器251连通，第一分流器252用于对第一冷却换热器251吸收后的热量向供热单元30和燃料输入单元10进行分流。
35.具体地，由于从燃料电池堆20直接输出的热水的温度较高，输出的热水可通过第一冷却换热器251将热水的热量转换至第一冷却换热器251的冷却水中，实现对燃料电池堆20产生的热量进行吸收并转换，使第一分流器252输送至燃料输入单元10的水温降低，避免燃料输入单元10一次性释放过多燃料，对燃料造成不必要的损耗。
36.本实施例中，第一热量分流管2521的端部固定于第一分流器252上。
37.可选地，燃烧单元40包括燃气锅炉41和第二分流模块42，燃气锅炉41与燃料输入单元10连通，第二分流模块42与燃气锅炉41连通，第二分流模块42用于吸收燃气锅炉41产生的热能，并将吸收的热能输出至供热单元30和燃料输入单元10，供热单元30用于吸收第二分流模块42输入的热能，并通过吸收的热能对用户供热，燃料输入单元10用于通过第二分流模块42输入的热能向燃料输入端21释放燃料。
38.具体地，燃气锅炉41可为燃料提供燃烧场所，为第二分流模块42提供热能，第二分流模块42可通过吸收燃气锅炉41产生的热能，并将吸收的热能向供热单元30和燃料输入单元10进行分流，分流至供热单元30的热能可供供热单元30吸收，直接对用户供热，分流至燃料输入单元10的热量可进一步驱动燃料输入单元10向燃料输入端21进一步释放燃料，使得更多燃料进入燃烧单元40进行燃烧，通过燃烧单元40的燃烧作用可进一步加强对供热单元30的供热，使得供热单元30的供热效率进一步提升。
39.本实施例中，第二分流模块42和燃料输入单元10之间通过第二热量分流管4221连通，第二热量分流管4221上设置有电磁通断阀，当监控单元监控到用户用水量较少时，关闭电磁通断阀，阻隔第一分流模块25的热能向燃料输入单元10的传递，减少氢气的消耗，当监控单元监控到用户用水量较多时，打开电磁通断阀，使第一分流模块25的部分热能向燃料输入单元10的传递，加强对供热单元30的供热。
40.可选地，第二分流模块42包括第二冷却换热器421和第二分流器422，第二冷却换热器421用于对燃气锅炉41产生的热能进行吸收，第二分流器422与第二冷却换热器421连通，第二分流器422用于对第二冷却换热器421吸收后的热量向供热单元30和燃料输入单元10进行分流。具体地，由于从燃气锅炉41直接输出的热水的温度较高，输出的热水可通过第二冷却换热器421将热水的热量转换至第二冷却换热器421的冷却水中，实现对燃料电池堆20产生的热量进行吸收并转换，使第二分流器422输送至燃料输入单元10的水温降低，避免燃料输入单元10一次性释放过多燃料，对燃料造成不必要的损耗。
41.可选地，氧化输入端22还与燃气锅炉41连通，用于向燃气锅炉41输送氧化剂。具体地，氧化输入端22产生的多余氧化剂还可输送至燃气锅炉41，减少燃气锅炉41工作过程产生的能耗，提升系统的能源利用率。
42.本实施例中，氧化输入端22包括空压机221和空气过滤器222，空气经空压机221压缩后，经过空气过滤器222过滤处理，进入燃料电池堆20，空气中的氧气作为氧化剂参与燃料电池堆20的电化学反应，多余的空气通过管道输送至燃气锅炉41作为燃气锅炉41内燃料燃烧的氧化剂。
43.可选地，燃料电池堆20为氢燃料电池，燃料电池堆20还设置有排气端26，排气端26包括汽水分离器261，汽水分离器261与供热单元30连通，汽水分离器261用于分离燃料电池堆20产生的水蒸气和液态水，并将分离的液态水输送至供热单元30。具体地，氢燃料电池在反应过程中生成的水和水蒸气从排气端26排出，汽水分离器261将水和水蒸气进行分离，分离出的水蒸气排至大气，分离出的水输送至供水单元，有效提升系统的能源利用率。
44.可选地，燃料输入单元10包括依序连通的合金储氢罐11、减压阀12和缓冲罐13，合金储氢罐11用于储存氢气，缓冲罐13与燃料电池堆20连通，减压阀12用于减轻合金储氢罐11通入缓冲罐13的气压，缓冲罐13用于对进入燃料电池堆20的燃料提供缓冲。具体地，合金储氢罐11可对氢气进行储存，且合金储氢罐11的氢气释放速率随环境温度的上升而上升，
合金储氢罐11产生的氢气量较多时，可通过调节减压阀12，使从合金储氢罐11进入缓冲罐13的氢气始终处于平衡状态，避免一次性进入燃料输入端21的氢气过多。
45.本实施例中，燃料输入单元10设置有第一燃料输入管14，第一燃料输入管14与燃料输入端21连通，燃料电池堆20还设置有燃料释放管27，燃料释放管27与第一燃料输入管14连通，燃料释放管27用于向第一燃料输入管14输送燃料电池堆20未参与反应的燃料。具体地，燃料电池堆20未反应的氢气从燃料释放管27流入第一燃料输入管14，并重新进入燃料电池堆20内进行反应。
46.本实施例的另一实施例中，燃料输入单元10还设置有第二燃料输入管15和喷射阀16，第二燃料输入管15的一端与第一燃料输入管14和燃料释放管27连通，第二燃料输入管15的另一端与燃烧单元40连通，第二燃料输入管15用于将第一燃料输入管14和燃料释放管27的部分燃料输送至燃烧单元40，喷射阀16安装于第二燃料输入管15上，用于控制第二燃料输入管15的通断。具体地，当喷射阀16处于关闭装状态时，燃料电池堆20未反应的氢气从燃料释放管27流入第一燃料输入管14，并重新进入燃料电池堆20内进行反应，当喷射阀16处于断开装状态时，燃料电池堆20未反应的氢气从燃料释放管27流入第二燃料输入管15内并进入燃气锅炉41内参与燃烧。
47.通过燃气锅炉41、第一分流模块25和第二分流模块42的设置，可根据用户的热水用量，实现热水用量依序递增的一级、二级、三级、四级供水，当用户处于一级热水用量时，喷射阀16关闭，进而阻断燃料向燃烧单元40的输送，供热单元30仅通过燃料电池堆20产生的热量进行供热；当用户处于二级热水用量时，喷射阀16打开，部分燃料通过第二燃料输入管15输送至燃气锅炉41，通过燃料电池堆20和燃气锅炉41对供热单元30供热；当用户处于三级热水用量时，喷射阀16和第一热量分流管2521的电磁通断阀打开，以增加对燃气锅炉41燃料的供应，使燃气锅炉41对供热单元30的供热增加；当用户处于三级热水用量时，喷射阀16、以及第一热量分流管2521和第二热量分流管4221的电磁通断阀均打开，进一步增加对燃气锅炉41燃料的供应，使燃气锅炉41对供热单元30的供热进一步增加，实现对供热单元30的阶梯供热。
48.且通过该方式可利用系统本身产生的余热作用于合金储氢罐11，有效减少合金储氢罐11释放氢气过程产生的能耗，提升系统的能量利用率。以燃料电池堆205kw的固定发电量为例；当用户处于一级热水用量时，可连续额定功率5kw发电运行约18h，累计发电量约91kwh，累计供热量约20kwh，能量综合利用率约60%，合金储氢罐11内的氢气量可满足用户10天左右的用电和热水消耗。
49.当用户处于二级热水用量时，可连续额定功率5kw发电、3kw供热运行约18h，累计发电量约91kwh，累计供热量约47kwh，能量综合利用率约83%，合金储氢罐11内的氢气量可满足用户10天左右的用电和热水消耗。
50.当用户处于三级热水用量时，可连续额定功率5kw发电、18kw供热运行约6h，累计发电量约28kwh，累计供热量约99kwh，能量综合利用率约76%，合金储氢罐11内的氢气量可满足用户3天左右的用电和热水消耗。
51.当用户处于四级热水用量时，可连续额定功率5kw发电、60kw供热运行约2h，累计发电量约9kwh，累计供热量约114kwh，能量综合利用率约74%，合金储氢罐11内的氢气量可
满足用户1天左右的用电和热水消耗。
52.以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。