CN112820896A - 一种基于氢燃料电池的热电耦合节能与储能***和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于氢燃料电池的热电耦合节能与储能***和方法。包括燃料电池进气模块、燃料电池热管理模块、集热与储热器模块、发电模块，燃料电池进气模块与燃料电池电堆连接，燃料电池热管理模块包括用户负载，集热与储热器模块包括蓄热罐、集热器，发电模块包括光伏发电***和燃料电池发电***，燃料电池发电***包括燃料电池电堆；发电模块分别与用户负载、燃料电池进气模块、集热与储热器模块连接；蓄热罐与集热器连接，蓄热罐分别与用户负载、燃料电池进气模块连接；用户负载与电堆连接。实现氢燃料电池***余热的高效回收利用，简化并优化了氢燃料电池的低温冷启动问题，实现了区域性热与电的不间断供给，一定程度上缓解了温室效应。
Description
技术领域
本发明属于氢燃料电池***的低温冷启动、余热回收利用与热管理技术领域，具体涉及一种基于氢燃料电池的热电耦合节能与储能***和方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
1.光伏发电的间歇性；
光伏发电是利用光生伏特效应，将太阳能辐射能转化为电能的发电装置，主要包括太阳能电池板，电压转化装置及控制器等，太阳能发电是一种极具前景的发电方式，具有永久性、清洁性和灵活性等优势。光伏发电的发电功率与光照强度存在直接关系，当光照不足时，发电功率将大大降低，发电效率也会下降；当夜间或阴天无光照时，光伏发电无法工作；而当光照强度较大时，负载存在无法消纳的现象，因此光伏发电具有明显的间歇性，存在较大的能源功率调节缺口，需要调峰储能方案协调。
2.燃料电池的低温冷启动；
氢燃料电池电堆在化学反应过程中在阴极产生水，当温度低于0℃时，如果燃料电池***处于启动阶段，随着阴极产生的水逐渐饱和，在阴极侧会结冰堆积，以致启动失败。冷启动失败会对电堆内部部件造成损坏，影响化学反应速率。图1所示为电堆冷启动过程中电流密度变化示意图，低温环境下，在某一启动电压下，电流密度在冷启动成功与失败时随时间的变化，氢燃料电池***的低温冷启动失败将对电池的输出特性产生较大影响，电池寿命也会降低。常用的冷启动控制策略包括外部控制加热与内部加热等方法，外部控制加热方法常包括对入口空气加热、对冷却液加热和对端板加热等，内部加热包括控制电堆输出特性自升温方法、控制反应物饥饿自升温、阴极通入反应气体混合物自升温等。使用外部控制加热的方法简单、易于实现，效果较好，但是需要外部的加热装置。
3.燃料电池余热能量；
氢燃料电池发电受热力学第二定律限制，其理论最大发电量为83％，当电池接入负载后，又受到各种不可逆性因素的限制，导致其最终输出效率为40％～50％，其余能量是燃料电池在反应时产生的热量，因氢燃料电池工作温度必须保持在60～80℃的范围内，因此必须使用冷却装置将反应产生的热量散出电堆***，以维持***温度合理，延长其寿命并保持其良好的性能。60～80℃的温度的热虽然是低品位热源，但其相当于进入燃料电池的氢总能量的45％～60％，因此氢燃料电池的余热利用具有很大前景。将氢燃料电池余热利用或与其他***相结合的方式常包括：家庭热电联产、驱动吸附冷却循环、有机朗肯循环、热电发生器、热再生电化学循环等。也可以用来提高金属氢化物罐的氢气排放率或在低温下预热进口空气和氢气等。而卡诺循环效率限制了有机朗肯循环、热电发生器、热再生电化学循环等热机的效率。因此，与热电联产应用相比，利用燃料电池的余热回收进行发电的效率较低。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种基于氢燃料电池的热电耦合节能与储能***和方法。实现氢燃料电池***余热的高效回收利用，简化并优化了氢燃料电池的低温冷启动问题，实现了区域性热与电的不间断供给，一定程度上缓解了温室效应。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
第一方面，一种基于氢燃料电池的热电耦合节能与储能***，包括燃料电池进气模块、燃料电池热管理模块、集热与储热器模块、发电模块，发电模块包括光伏发电***和燃料电池发电***，燃料电池发电***包括燃料电池电堆，燃料电池进气模块与燃料电池电堆连接，燃料电池热管理模块包括用户负载，集热与储热器模块包括蓄热罐、集热器；
发电模块分别与用户负载、燃料电池进气模块、集热与储热器模块连接；
蓄热罐与集热器连接，蓄热罐分别与用户负载、燃料电池进气模块连接；用户负载与燃料电池电堆连接。
现有的燃料电池的余热利用方法为，氢燃料电池与有机朗肯循环、热电发生器、热再生电化学循环等热机进行耦合，其效率受卡诺循环效率限制，卡诺循环有一个高温热源温度Th和一个低温热源温度Tc，任何发动机在这两个温度之间工作，其效率为
但是由于燃料电池的工作温度在60-80度的范围内，60-80度的热是低品位热源，但是占据氢燃料电池总能量的45-60％，燃料电池的余热利用效率较低。
通过氢燃料电池和光伏发电***、用户负载、集热器、蓄热罐等耦合作用，实现氢燃料电池的余热能量的利用率达到80％以上，实现了低品位热能的高效利用。现有燃料电池与用户耦合的应用中，较多利用的是高温固体氧化物燃料电池的高品位热源，在低品位热源中，常采用热泵技术将其热源品味提高后再利用，本发明结合太阳能集热器更为高效、直接的利用了余热能量。
蓄热罐将循环水分为两个温度区间，高温水源和低温水源，在启动时利用高温水源对进气进行预热，这样可以减少电堆冷启动时间，在工作过程中，利用高温水源对进气进行加热，以提供加湿器加湿后的温度补偿。
利用用户的余热水作为电堆的冷却水，避免了低温时冷却水的结冰现象，降低了冷启动失败的几率，提高电池寿命，并且用户的输出水温度较为稳定，所以有助于氢燃料电池的稳定性。
第二方面，一种基于氢燃料电池的热电耦合节能与储能方法，具体步骤为：
有光照强度时，启动光伏发电，发电量供应用户负载，当光照强度较强时，多余的电量首先用于电解水制氢，当高压氢罐的氢气充裕时，将多余的电量供应给电网和充电桩，当光伏发电的发电量不足或无光照时，启动燃料电池进行发电；
在光照强度较强时，启动集热器，加热用户负载的循环水，在光照强度较弱时，加热用户负载和燃料电池的循环水，当无光照时，集热器不工作，燃料电池的循环水直接循环到蓄热罐的高温水源区，同时启动蓄热罐的电加热器；
当光照强度较弱时，启动燃料电池进气模块，当环境温度低于阈值温度T4，利用蓄热罐的高温水对冷却水进行加热，同时利用蓄热罐的高温水对空气进行加热，如果换热后的冷却水的温度高于阈值T5，则冷却水直接进入集热器中，然后循环到蓄热罐的高温水源区中，否则，流入蓄热罐的低温水源区中。
本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果：
1.节能效果：充分利用了氢燃料电池的余热能量，耦合于区域性供热的储热***，理论能量综合利用率达80％以上。
2.结构简化：利用用户的余热水作为氢燃料电池热管理***的水源，省去了燃料电池***的储水箱；用户余热水温度稳定，在燃料电池低温冷启动时，可直接作为冷却液进入燃料电池电堆，省去了冷却液加热装置。
3.燃料电池输出稳定性增加；利用了蓄热罐的高温热源对燃料电池的进气***加热，对热管理***中的小循环冷却液进行预热，使得燃料电池在最佳的工作环境下输出特性最优。用户余热水温度温和稳定，可大大提高了氢燃料电池的低温冷启动时间，降低了冷启动失败几率，提高电池寿命。
4.不间断供热供电：将光伏发电与氢燃料电池发电进行联合发电与耦合供热，根据光照强度的不同制定了相应的控制策略，保障了不间断供电与不间断供热的需求。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1电堆冷启动过程中电流密度变化示意图；
图2为基于氢燃料电池的热电耦合节能与储能***示意图；
图3为蓄热罐示意图；
图4为***控制逻辑框图；
其中，1-光伏发电板，2-DC/AC变换器，3-蓄电池，4-太阳能集热器，5-储热罐，6-用户负载，7-集热器水泵，8-电解槽，9-单向阀，10-第一电磁阀，11-第二电磁阀，12-高压氢罐，13-第一减压阀，14-第一加湿器，15-第一流量计，16-第三电磁阀，17-第一压力传感器，18-换热器，19-空气流量计，20-第二加湿器，21-空气压缩机，22-空气滤清器，23-氢气循环泵，24-PEMFC电堆，25-第一温度传感器，26-第二压力传感器，27-液体流量计，28-离子检测传感器，29-冷却风扇，30-冷却水泵，31-混热器，32-节温器，33-第一DC/DC变换器，34-第二DC/DC变换器，35-第三DC/DC变换器，36-电网，37-充电桩，38-能量管理控制器，39-氢气压缩机，40-第四电磁阀，41-背压阀，42-第二温度传感器，43-第三温度传感器，44-第四温度传感器，45-第五电磁阀，46-第一三通阀，47-第五温度传感器，48-去离子装置，49-混水腔，50-第二三通阀，51-高温水源区，52-低温水源进水口，53-低温水源补水口，54-低温水源区，55-低温水源出水口，56-斜温层，57-电加热器，58-高温水源补水口，59-高温水源进水口，60-液位开关，61-高温水源出水口。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
第一方面，一种基于氢燃料电池的热电耦合节能与储能***，包括燃料电池进气模块、燃料电池热管理模块、集热与储热器模块、发电模块，发电模块包括光伏发电***和燃料电池发电***，燃料电池发电***包括燃料电池电堆，燃料电池进气模块与燃料电池电堆连接，燃料电池热管理模块包括用户负载，集热与储热器模块包括蓄热罐、集热器；
发电模块分别与用户负载、燃料电池进气模块、集热与储热器模块连接；
蓄热罐与集热器连接，蓄热罐分别与用户负载、燃料电池进气模块连接；用户负载与燃料电池电堆连接。
在本发明的一些实施方式中，蓄热罐包括上部的高温水源区、下部的低温水源区及中部的斜温层。
可选的，蓄热罐还包括电加热器、低温水源进水口、高温水源补水口、高温水源进水口、低温水源出水口、低温水源进水口、低温水源补水口，电加热器与蓄热罐的高温水源区相接，低温水源进水口、高温水源补水口、高温水源进水口分别与高温水源区相接，低温水源出水口、低温水源进水口、低温水源补水口分别与低温水源区相接。
电加热器用于当蓄热罐高温水源中的温度较低时，对高温水源区进行加热，保持高温水源区的温度恒定，然后持续稳定的供应用户负载，加热燃料电池进气空气，使氢燃料电池保持工作的稳定性。
蓄热罐的低温水通过集热器进行加热然后返回到蓄热罐中。
在本发明的一些实施方式中，低温水源区的出口与集热器连接，集热器的出口与高温水源区的入口连接。
在本发明的一些实施方式中，蓄热罐的高温水源区的出口与用户负载连接。
在本发明的一些实施方式中，燃料电池电堆与集热与储热器模块的蓄热罐通过第二DC/DC变换器连接。
在本发明的一些实施方式中，燃料电池进气模块包括氢气进气模块和空气进气模块，氢气进气模块和空气进气模块分别与燃料电池电堆连接，氢气进气模块与光伏发电***连接。
在本发明的一些实施方式中，氢气进气模块包括依次连接的电解槽、氢气压缩机、高压氢罐，高压氢罐与燃料电池电堆连接，电解槽与光伏发电***通过变换器连接。
在本发明的一些实施方式中，氢气进气模块还包括依次连接的第一减压阀、第一加湿器、第一流量计、第一压力传感器及氢气循环泵，氢气循环泵与燃料电池电堆的出气口和进气管道连接。
在本发明的一些实施方式中，空气进气模块包括依次连接的空气滤清器、第二加湿器、换热器，换热器与燃料电池电堆连接。
在本发明的一些实施方式中，蓄热罐的高温水源区与空气进气模块的换热器连接。
在本发明的一些实施方式中，燃料电池发电***还包括冷却水进水模块，用户负载、蓄热罐的高温水源区分别与冷却水进水模块连接。
在本发明的一些实施方式中，冷却水进水模块包括混热器、冷却风扇，用户负载分别与混热器、冷却风扇连接，蓄热罐的高温水源区与混热器连接。
在本发明的一些实施方式中，冷却水进水模块还包括依次连接的冷却水泵、离子检测传感器、液体流量计、第二压力传感器、第一温度传感器和节温器，冷却水泵分别与混热器、冷却风扇连接，节温器分别与混热器、冷却风扇连接。
在本发明的一些实施方式中，用户负载与冷却水进水模块通过背压阀和去离子装置连接。
在本发明的一些实施方式中，还包括能源管理器、电网、充电桩，发电***通过变换器与能源管理器连接，能源管理器分别与用户负载、电网、充电桩连接。
在本发明的一些实施方式中，还包括蓄电池，发电***与蓄电池通过第三DC/DC变换器连接。
第二方面，一种基于氢燃料电池的热电耦合节能与储能方法，具体步骤为：
有光照强度时，启动光伏发电，发电量供应用户负载，当光照强度较强时，多余的电量首先用于电解水制氢，当高压氢罐的氢气充裕时，将多余的电量供应给电网和充电桩，当光伏发电的发电量不足或无光照时，启动燃料电池进行发电；
在光照强度较强时，启动集热器，加热用户负载的循环水，在光照强度较弱时，加热用户负载和燃料电池的循环水，当无光照时，集热器不工作，燃料电池的循环水直接循环到蓄热罐的高温水源区，同时启动蓄热罐的电加热器；
当光照强度较弱时，启动燃料电池进气模块，当环境温度低于阈值温度T4，利用蓄热罐的高温水对冷却水进行加热，同时利用蓄热罐的高温水对空气进行加热，如果换热后的冷却水的温度高于阈值T5，则冷却水直接进入集热器中，然后循环到蓄热罐的高温水源区中，否则，流入蓄热罐的低温水源区中。
在本发明的一些实施方式中，用户负载产生的循环冷却水如果温度低于高阈值T1，则循环冷却水进入到混热器中，然后进入燃料电池电堆；如果温度高于高阈值T1，则循环冷却水经过冷却风扇后进入燃料电池电堆。优选的，T1为72-76℃。
在本发明的一些实施方式中，T4为-2～2℃，T5为65-75℃。
本发明的***包括燃料电池进气模块、燃料电池热管理模块、集热与储热器模块、发电模块；具体部件包括光伏发电板，DC/AC变换器，蓄电池，太阳能集热器，储热罐，用户负载，集热器水泵，电解槽，单向阀，电磁阀，高压氢罐，减压阀，加湿器，流量计，稳压阀，压力传感器，换热器，流量计，加湿器，空气压缩机，空气滤清器，氢气循环泵，PEMFC电堆，温度传感器，压力传感器，流量计，离子检测传感器，冷却风扇，水泵，混热器，节温器,DC/DC变换器，充电桩，能量管理控制器和氢气压缩机；
所述燃料电池进气模块包括氢气进气模块和空气进气模块。氢气进气模块的气源来源于高压氢罐12，经第一减压阀13减压后，由第一加湿器14对氢气进行加湿，控制第三电磁阀16的状态，使得氢气按照一定的流量与流速进入电堆，同时根据第一流量计15和第一压力传感器17等实时反馈调节进气量与进气压力。由于氢气的进气量为过量供应，氢气出口处未发生反应的氢气由氢气循环泵23回流至氢气进气模块。
所述空气进气模块由空气压缩机21将经过滤清器22过滤后的空气鼓入管道，再由第二加湿器20对空气加湿。由安装在管道中的气体流量计测量进气流量、温度传感器测量进气温度，当空气温度较低时，控制第二电磁阀11打开，由蓄热罐5中的高温水源与空气在换热器18中进行换热以对空气加热，换热量由空气进气温度反馈调节，换热后的低温热源根据第五温度传感器47的测量值控制三通阀46的流向，若温度较高则由集热器水泵7循环进入集热器，否则进入蓄热罐5的低温水源中。空气进气量控制为过量，电堆的空气出口处经背压阀41排出剩余的空气与反应产物水。
燃料电池热管理模块主要功能是排出电堆内部化学反应的产热，采用水冷的冷却方式，冷却水源来自用户负载6的余热冷源，由第四电磁阀40控制供给的水量，本发明中的热管理耦合***省去了原燃料电池***的水箱部件，可认为是利用蓄热罐5中的低温水源的功能替代原水箱功能，而用户的用热过程是水源的降温过程，并且用户负载的余热低温水源温度较为稳定，即使在零下环境下仍可以保持基本恒定，这在一定程度上保障了燃料电池的运行稳定性。同时，在零下温度的环境下，省去了燃料电池在低温冷启动时的加热装置，减少了低温冷启动预热时间，大大提高了低温时的启动响应速度，降低了冷启动的失败几率。
因燃料电池的热管理***进、出口温度差不宜过大，一般在10℃以内，本发明设计了新型的燃料电池热管理大、小循环***，由节温器32控制循环方向，若冷却水进水温度低于温度的高阈值T1，约为75℃，则进行小循环：即冷却水经混热器31进行循环，所述混热器31混合蓄热罐的高温水源与循环冷却水，以实现对冷却水的加热效果，高温水源的混合比例由冷却水水温反馈，具体由电磁阀10控制高温水源的量，温度低于低阈值T2，约为65℃，第一电磁阀10全开；若冷却水进水温度高于温度的高阈值T1，则进行大循环：即冷却水由节温器32经过冷却风扇29与空气进行换热，实现对冷却水的降温，温度高于高阈值T3，约为80℃，冷却风扇29以最大功率运行；冷却水泵30将冷却水泵入电堆，由第二压力传感器26、第一温度传感器25、液体流量计27等测量冷却水的压力、温度与流量数据。因冷却液采用的循环水，而双极板上会产生高电压，为了防止冷却液导电而将电流传递到整个冷却循环流道，采用离子检测仪28检测循环水的离子含量，若超过限值，由去离子器48去除冷却循环水中的离子。
燃料电池热管理***出口冷却水充分吸收了电堆化学反应的产热，其温度高于用户余热，但低于蓄热罐中的高温水源温度，为充分利用其余热能量，出口冷却水经单向阀9经管道流入集热器4中，有光照时对循环水进行加热成为高温热源，最终循环至蓄热罐5中储存。
上述所述集热与储热器模块包括蓄热罐5、集热器4和集热器水泵7，蓄热罐5结构如下图2所示，包括高温水源出水口61、进水口59、补水口58，高温水源区51，低温水源进水口52、出水口55、补水口53，低温水源区54，斜温层56，用于加热水的电加热器57，用于判断水位的液位开关60。蓄热罐上部为高温水源，一般大于90℃，下部为低温水源，一般40～65℃，其温度由第三温度传感器43、第四温度传感器44测量，蓄热罐5高、低温水源中间为由于高温水和低温水存在温度差，混合而自然形成的斜温层56，所述集热器4将太阳光中的热能收集起来，加热循环水，加热后储存于蓄热罐5上部高温水源区51中，水循环的动力由集热器水泵7提供，当无光照时由燃料电池供电，蓄热罐5的电加热器57工作，对热水进行加热。
所述发电模块包括光伏发电***和燃料电池发电***，光伏发电***由太阳能电池板1通过光生伏特效应将光能转变为电能，产生的电能一部分经过第一直流转换器33与燃料电池发电的第二直流转换器34耦合后，再经交流逆变器2将直流转化为交流电，通过能量管理***38(Energy Management System，EMS)的功率综合分配后，供给用户负载6用电、充电桩37充电及并入电网36等。另一部分电能通过第三直流转换器35转为低压电为蓄电池3充电，蓄电池用来供给整个***的低压用电，包括各电力控制器、实时数显装置、传感器、安全报警***等。
所述电解水制氢模块作用是利用光伏发电的电能电解水制氢，当在无光照时或者光伏发电量不够完全供应用电负载时，启动燃料电池进行发电，实现不间断供电。当光照充裕时，光伏发电多余的电能用于电解水，当光伏直流电通过电解槽8时,电解水产生氢气，再由氢气压缩机39进行压缩后存储于氢罐。
下面结合实施例对本发明进一步说明
实施例1
如图1所示，基于氢燃料电池的热电耦合节能与储能***，包括燃料电池进气模块、燃料电池热管理模块、集热与储热器模块、发电模块。
燃料电池氢气进气模块；高压氢罐12出口与第一减压阀13连接，第一减压阀13对氢气减压后另一端与第一加湿器14连接，第一加湿器14另一端与第一流量计15连接，第一流量计15另一端与第三电磁阀16连接，第三电磁阀16另一端连接管道，管道与电堆24的氢气入口处连接，在氢气管道处安装第一压力传感器17；电堆24的氢气出口处连接管道，管道连接氢气循环泵23，氢气循环泵23连接至氢气进气处的管道，反应剩余的氢气回流至进气口。
燃料电池空气进气模块；空气入口处的管道连接空气滤清器22，空气滤清器22另一端连接空气压缩机21的进风口，空气压缩机21的出风口连接加湿器20的入口，加湿器20的出口连接空气流量计19的入口，空气流量计19的出口连接换热器18的空气进气口，换热器18的出风口连接电堆的空气进气口，换热器18的进水口连接第二电磁阀11，第二电磁阀11的另一端连接蓄热罐5高温水源，换热器18的出水口连接第一三通阀46的进水口，第一三通阀46的出口通过管道与蓄热罐5低温水源连接，另一端通过管道与集热器水泵7的进口连接，第一三通阀46的进水口处安装温度传感器47，蓄热罐的顶部设置液位开关60。
燃料电池热管理模块；燃料电池热管理的冷却水源来自用户的余热水，首先由第四电磁阀40的出口通过管道与节温器32的入口相连接，节温器32的出口分别连接冷却风扇29和混热器31，前者通过冷却风扇29进行冷却后通过管道连接至冷却水泵30，形成大循环；后者连接混热器31的入口，混热器31的另一入口连接第一电磁阀10，第一电磁阀10另一端连接蓄热罐的高温水源，高温水源流入混热器31进行混热，混热器31的出口经过混水腔49连接冷却水泵30，形成小循环。冷却水泵30的出口与去离子装置48的入口相连接，去离子装置48的出口与液体流量计27入口连接，液体流量计27的出口与电堆的冷却水进水口连接，进水管道处安装离子检测传感器28、温度传感器25、压力传感器26。燃料电池电堆24的冷却水出水口连接单向阀9的入口，单向阀9的出口与第二三通阀50连接，第二三通阀50的出口分别连接集热器4前的管道与蓄热罐5高温水源前的管道。
集热与储热器模块；蓄热罐5的低温水源出口处连接第五电磁阀45的入口，第五电磁阀45的出口经管道与集热器水泵7的入口连接，集热器水泵7的出口处连接至集热器4入口，当存在光照时集热器对水源加热后，出口处连接至蓄热罐5的高温热源的入水口，蓄热罐5的高温水源出水口连接至用户区，在用户区进行热交换后，一部分低温水回流至蓄热罐5的低温水源入水口，另一部分通过管道连接至第四电磁阀40的入口，进入燃料电池电堆热管理模块，蓄热罐5的热水出水口和冷水进水口管道处安装第三温度传感器43，第四温度传感器44测量高、低温水源温度。
发电模块；光伏发电板1的输出端连接第一DC/DC变换器33，燃料电池电堆24的输出连接第二DC/DC变换器34，第一DC/DC变换器33与第二DC/DC变换器34并联连接，形成发电模块的直流电总线路，直流电总线路的一路连接低压直流转换器35，第三DC/DC变换器35连接低压蓄电池3为其充电，另一路连接逆变器2转化为交流电，交流电连接能源管理***EMS，经能源管理***EMS的能量与功率控制策略分配后连接用户、充电桩及并入电网。所述燃料电池电堆的直流转换器34并联出支路连接蓄热罐5的电加热器。
电解水制氢模块；上述所述第一DC/DC变换器33连接至电解槽8，电解槽8电解水得到氢气，氢气通过管道连接至压缩机39，经过压缩机39压缩后，将氢气通过管道连接至氢罐12中储存。
基于氢燃料电池的热电耦合节能与储能方法，具体步骤为：
电管理控制；当光照强度较强时，控制光伏发电按照最大功率点跟踪模式发电，当光伏发电模块的发电量满足用户负载的要求时，多余的电量首先用于电解水制取氢气存储于高压氢罐12，当高压氢罐12中氢气充裕时，多余的电量用于供给充电桩充电或并入电网；当光照强度不足时，光伏发电模块的发电量不能满足用户负载的要求，启动燃料电池进行发电，与光伏发电共同工作；而当无光照强度时(如夜晚或阴天)时，仅启动燃料电池进行发电，以满足负载的不间断供电。
循环热管理控制；在光照强度较强时，光伏发电模块的发电量满足用户负载的要求，仅光伏发电模块工作，同时启动集热器4，加热用户的循环水；当光照强度较弱时，光伏发电量不能满足用户负载的要求，光伏发电模块和燃料电池共同工作，集热器4加热用户的循环水和燃料电池的循环水；当无光照强度时，仅燃料电池工作，集热器4不工作，燃料电池的循环水直接循环至蓄热罐高温水源区域，并启动蓄热罐5的电加热器，由燃料电池供给电量对水进行加热以满足不间断热水供应。
燃料电池启动控制；当光伏发电模块的发电量不能满足用户负载的要求时，启动燃料电池，控制第四电磁阀40的开度状态，启动氢气与空气进气***，若环境温度低于T4，控制第一电磁阀10的开度，对冷却水进行加热，同时控制第二电磁阀11的开度，预热入口空气，经换热后的水若温度高于T5，则直接流入集热器4进行循环至蓄热罐5高温水源区51，否则流入蓄热罐低温水源区54。
燃料电池余热管理；燃料电池启动后，由于其余热能量约与其发电量相当，且温度一般高于蓄热罐5的低温水源温度，为充分利用余热，控制集热器水泵将余热水最终循环至蓄热罐5中。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于氢燃料电池的热电耦合节能与储能***，其特征在于：包括燃料电池进气模块、燃料电池热管理模块、集热与储热器模块、发电模块，发电模块包括光伏发电***和燃料电池发电***，燃料电池发电***包括燃料电池电堆，燃料电池进气模块与燃料电池电堆连接，燃料电池热管理模块包括用户负载，集热与储热器模块包括蓄热罐、集热器；
发电模块分别与用户负载、燃料电池进气模块、集热与储热器模块连接；
蓄热罐与集热器连接，蓄热罐分别与用户负载、燃料电池进气模块连接；用户负载与燃料电池电堆连接。
2.如权利要求1所述的基于氢燃料电池的热电耦合节能与储能***，其特征在于：蓄热罐包括上部的高温水源区、下部的低温水源区及中部的斜温层，低温水源区的出口与集热器连接，集热器的出口与高温水源区的入口连接，蓄热罐的高温水源区的出口与用户负载连接。
3.如权利要求2所述的基于氢燃料电池的热电耦合节能与储能***，其特征在于：蓄热罐还包括电加热器、低温水源进水口、高温水源补水口、高温水源进水口、低温水源出水口、低温水源进水口、低温水源补水口，电加热器与蓄热罐的高温水源区相接，低温水源进水口、高温水源补水口、高温水源进水口分别与高温水源区相接，低温水源出水口、低温水源进水口、低温水源补水口分别与低温水源区相接。
4.如权利要求1所述的基于氢燃料电池的热电耦合节能与储能***，其特征在于：燃料电池电堆与集热与储热器模块的蓄热罐通过第二DC/DC变换器连接。
5.如权利要求1所述的基于氢燃料电池的热电耦合节能与储能***，其特征在于：燃料电池进气模块包括氢气进气模块和空气进气模块，氢气进气模块和空气进气模块分别与燃料电池电堆连接，氢气进气模块与光伏发电***连接；
优选的，氢气进气模块包括依次连接的电解槽、氢气压缩机、高压氢罐，高压氢罐与燃料电池电堆连接，电解槽与光伏发电***通过变换器连接；
优选的，空气进气模块包括依次连接的空气滤清器、第二加湿器、换热器，换热器与燃料电池电堆连接。
6.如权利要求5所述的基于氢燃料电池的热电耦合节能与储能***，其特征在于：蓄热罐的高温水源区与空气进气模块的换热器连接。
7.如权利要求1所述的基于氢燃料电池的热电耦合节能与储能***，其特征在于：燃料电池发电***还包括冷却水进水模块，用户负载、蓄热罐的高温水源区分别与冷却水进水模块连接；
优选的，冷却水进水模块包括混热器、冷却风扇，用户负载分别与混热器、冷却风扇连接，蓄热罐的高温水源区与混热器连接；
进一步优选的，冷却水进水模块还包括依次连接的冷却水泵、离子检测传感器、液体流量计、第二压力传感器、第一温度传感器和节温器，冷却水泵分别与混热器、冷却风扇连接，节温器分别与混热器、冷却风扇连接；
优选的，用户负载与冷却水进水模块通过背压阀和去离子装置连接。
8.如权利要求1所述的基于氢燃料电池的热电耦合节能与储能***，其特征在于：还包括能源管理器、电网、充电桩，发电***通过变换器与能源管理器连接，能源管理器分别与用户负载、电网、充电桩连接。
9.如权利要求1所述的基于氢燃料电池的热电耦合节能与储能***，其特征在于：还包括蓄电池，发电***与蓄电池通过第三DC/DC变换器连接。
10.利用权利要求1-9任一所述的***的基于氢燃料电池的热电耦合节能与储能方法，其特征在于：具体步骤为：
有光照强度时，启动光伏发电，发电量供应用户负载，当光照强度较强时，多余的电量首先用于电解水制氢，当高压氢罐的氢气充裕时，将多余的电量供应给电网和充电桩，当光伏发电的发电量不足或无光照时，启动燃料电池进行发电；
在光照强度较强时，启动集热器，加热用户负载的循环水，在光照强度较弱时，加热用户负载和燃料电池的循环水，当无光照时，集热器不工作，燃料电池的循环水直接循环到蓄热罐的高温水源区，同时启动蓄热罐的电加热器；
当光照强度较弱时，启动燃料电池进气模块，当环境温度低于阈值温度T4，利用蓄热罐的高温水对冷却水进行加热，同时利用蓄热罐的高温水对空气进行加热，如果换热后的冷却水的温度高于阈值T5，则冷却水直接进入集热器中，然后循环到蓄热罐的高温水源区中，否则，流入蓄热罐的低温水源区中。
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