CN116344861A - 一种质子交换膜氢燃料电池热电联产*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种质子交换膜氢燃料电池热电联产***，包括燃料电池***，所述燃料电池***包括电堆总成、氢气***、空气***以及冷却***；所述冷却***包括第一冷却循环回路，所述第一冷却循环回路包括并联设置的第一板式换热器以及第二板式换热器；供热***，所述供热***包括第一供热回路以及第二供热回路；所述第一供热回路包括所述第一板式换热器，所述第一板式换热器的第二侧与第一供热设备相连接；所述第二供热回路包括所述第二板式换热器，所述第二板式换热器的第二侧与第二供热设备相连接。通过本发明将质子交换膜燃料电池所产生的热量与用户日常生活相结合，使得热量利用得到最大化，实现提高***的能源利用效率。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种质子交换膜氢燃料电池热电联产***。
背景技术
燃料电池热电联产***是指利用燃料电池发电技术实现向用户供给电能和热能的一种能源供给技术，具有效率高、噪音低、体积小、排放低等优势，适用于靠近用户的千瓦至兆瓦级的分布式发电***，能源综合利用效率可高达80%以上，是燃料电池技术在非交通领域的重要应用之一。目前全球范围燃料电池技术路线以及应用在热电联供领域主要以质子交换膜燃料电池（PEMFC）和固态氧化燃料电池（SOFC）为主。其中，质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其具有高效环保等特点备受青睐。
质子交换膜燃料电池的结构组成从其中心至两侧分别为质子交换膜、催化剂层(CL)、微孔层(MPL)、气体扩散层(GDL)、双极板(BPP)等，其发电原理是通过氢气在阳极失去电子被氧化，氧气在阴极与穿过质子交换膜而来的氢离子以及外电路传输而来的电子结合生成水，并放出大量的热量。如何处理好这部分热量，是质子交换膜燃料电池商业化的最重要问题之一。据统计，质子交换膜燃料电池的能量转换效率为50%左右，意味着有50%的能量以热能形式释放出来，释放的热量很大。如何将质子交换膜燃料电池产生的热量利用起来实现热电联产，以满足用户日常生活的电能以及热能的需求，具有很高的研究价值。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种质子交换膜氢燃料电池热电联产***，旨在将质子交换膜燃料电池所产生的热量与用户日常生活相结合，使得热量利用得到最大化，实现提高***的能源利用效率。
为实现上述目的，本发明提出一种质子交换膜氢燃料电池热电联产***，包括：
燃料电池***，所述燃料电池***包括电堆总成、氢气***、空气***以及冷却***，所述氢气***、所述空气***以及所述冷却***均与所述电堆总成相连接；所述氢气***用于负责所述电堆总成所需氢气的供给及排出；所述空气***用于负责所述电堆总成所需空气的供给及排出；所述冷却***包括第一冷却循环回路，所述第一冷却循环回路包括并联设置的第一板式换热器以及第二板式换热器，所述第一板式换热器的第一侧以及所述第二板式换热器的第一次均与所述电堆总成相连接，所述第一冷却循环回路中流动有第一液体，所述第一液体用于对所述电堆总成进行冷却降温；
供热***，所述供热***包括第一供热回路以及第二供热回路；
所述第一供热回路包括所述第一板式换热器，所述第一板式换热器的第二侧与第一供热设备相连接，所述第一供热回路中流动有第二液体，所述第二液体用于作为所述第一供热设备的热量来源；其中，所述第一板式换热器用于将所述第一液体与所述第二液体相互换热，以使所述第一液体的温度下降且所述第二液体的温度上升；
所述第二供热回路包括所述第二板式换热器，所述第二板式换热器的第二侧与第二供热设备相连接，所述第二供热回路中流动有第三液体，所述第三液体用于作为所述第二供热设备的热量来源；其中，所述第二板式换热器用于将所述第一液体与所述第三液体相互换热，以使所述第一液体的温度下降且所述第三液体的温度上升。
可选地，所述电堆总成包括氢气入口以及氢气出口，所述氢气***包括相连通的氢气源和氢气循环回路，所述氢气循环回路串设有氢循环泵，所述氢循环泵的进气端与所述氢气出口连通，所述氢循环泵的出气端与所述氢气入口连通。
可选地，所述电堆总成包括空气入口以及空气出口，所述空气***包括进气支路和出气支路；所述进气支路依次串设有空气过滤器、空压机、中冷器以及增湿器的第一侧，所述增湿器的第一侧与所述空气入口连通；所述出气支路依次串设有所述增湿器的第二侧、背压阀、混合室、第一气液分离器以及消音器，所述消音器与外界连通，所述第二增湿器的第二侧与所述空气出口连通。
可选地，所述氢气循环回路还串联设置有第二气液分离器，所述第二气液分离器位于所述氢气出口与所述氢循环泵之间；所述氢气循环回路还包括排水支路，所述排水支路的输出端连接所述混合室，所述排水支路的输入端连接所述第二气液分离器的液体输出端，所述排水支路上设置有排水阀。
可选地，所述电堆总成包括冷却液入口以及冷却液出口，所述第一冷却循环回路依次串设有第一水泵、第一过滤器、冷却装置以及并联设置的所述第一板式换热器以及所述第二板式换热器，所述第一水泵与所述冷却液入口连通，所述第一板式换热器的第一侧以及所述第二板式换热器的第一侧均与所述冷却液出口连通。
可选地，所述冷却装置包括第三板式换热器，所述第三板式换热器的第一侧设置在所述第一冷却循环回路，所述第三板式换热器的第二侧与冷却塔串联连接以形成第二冷却循环回路，所述第二冷却循环回路中流动有第四液体，其中，所述第三板式换热器用于将所述第一液体与所述第四液体相互换热，以使所述第一液体的温度下降且所述第四液体的温度上升。
可选地，所述冷却***还包括第三冷却循环回路，所述第三冷却循环回路的入口端设置在所述第一水泵与所述冷却液入口之间，所述第三冷却循环回路的出口端设置在并联设置的所述第一板式换热器以及所述第二板式换热器与所述冷却液出口之间；所述第三冷却循环回路流经所述中冷器。
可选地，所述冷却***还包括第一加热支路以及第二加热支路，所述第一加热支路的入口端通过第一三通阀设置在并联连接的所述第一板式换热器以及第二板式换热器与所述冷却装置之间，所述第一加热支路的出口端设置在所述冷却装置与所述第一过滤器之间；所述第一加热支路上设置有水加热器；所述第二加热支路的入口端设置在所述第一三通阀与所述水加热器之间，所述第二加热支路的出口端设置在所述冷却装置与所述第一过滤器之间，所述第二加热支路上设置有第一电磁阀。
可选地，所述冷却***还包括第一稳压支路，所述第一稳压支路的入口端设置在所述冷却液出口以及并联设置的所述第一板式换热器与所述第二板式换热器之间，所述第一稳压支路的出口端设置在所述冷却装置以及所述第一过滤器之间，所述第一稳压支路依次串设有去离子器以及第一膨胀水箱。
可选地，所述第一供热回路依次串设有所述第一板式换热器的第二侧、所述第一供热设备、第二水泵、第二电磁阀以及第二过滤器；所述第一供热回路还包括第一调节支路，所述第一调节支路的入口端设置在所述第二电磁阀以及所述第二过滤器之间，所述第一调节支路的出口端通过第二三通阀设置在所述第一板式换热器以及所述第一供热设备之间；其中所述第一供热设备包括地暖设备。
可选地，所述第一供热回路包括第二稳压支路，所述第二稳压支路的入口端以及出口端分别设置在所述第一供热设备的两端，所述第二稳压支路上设有第二膨胀水箱。
可选地，所述第二供热回路依次串设有所述第二板式换热器的第二侧、所述第二供热设备、第三水泵、第三电磁阀以及第三过滤器；所述第二供热回路还包括第二调节支路，所述第二调节支路的入口端设置在所述第三电磁阀以及所述第三过滤器之间，所述第三调节支路的出口端通过第三三通阀设置在所述第二板式换热器以及所述第二供热设备之间；其中，所述第二供热设备包括并联设置的暖气设备以及热水储水箱。
可选地，所述第二供热回路包括第三稳压支路，所述第三稳压支路的入口端以及出口端分别设置在所述第二供热设备的两端，所述第三稳压支路上设有第三膨胀水箱。
可选地，所述热水储水箱包括第一进水口、第二进水口、第三进水口、第一出水口以及第二出水口；所述第一进水口以及所述第一出水口与所述第二供热回路连通；所述第二进水口与所述第一气液分离器的液体输出端连通，所述第三进水口连接外部的自来水管道连接；所述第二出水口连接生活用水管路。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明在冷却***上设置有并联连接的第一板式换热器以及第二板式换热器；其中，冷却***与第一供热回路/第二供热回路通过第一板式换热器/第二板式换热器相互交联，使得对电堆总成进行冷却后具有高热量的第一液体通过第一板式换热器/第二板式换热器与第二液体/第三液体进行热量交换，一方面使得第一液体的温度下降以便于重新作为电堆总成的冷却液循环使用，另一方面使得第二液体/第三液体的温度上升以作为第一供热设备/第二供热设备的热量来源，从而将质子交换膜燃料电池所产生的热量与用户日常生活相结合，使得热量利用得到最大化，实现提高***的能源利用效率。此外，本技术方案通过控制第二液体/第三液体流经第一板式换热器/第二板式换热器的流量大小，使其满足第一供热设备与第二供热设备的不同温度需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明质子交换膜氢燃料电池热电联产***一实施例的整体结构示意图；
图2为本发明质子交换膜氢燃料电池热电联产***一实施例中燃料电池***的结构示意图；
图3为本发明质子交换膜氢燃料电池热电联产***一实施例中第一供热回路的结构示意图；
图4为本发明质子交换膜氢燃料电池热电联产***一实施例中第二供热回路的结构示意图；
图5为本发明质子交换膜氢燃料电池热电联产***一实施例中第一加热支路与第二加热支路另一连接方式的结构示意图其一；
图6为本发明质子交换膜氢燃料电池热电联产***一实施例中第一加热支路与第二加热支路另一连接方式的结构示意图其二；
图7为本发明质子交换膜氢燃料电池热电联产***一实施例中具有多套燃料电池的整体结构示意图。
图中所标各部件的名称如下：
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本实施例公开了一种质子交换膜氢燃料电池热电联产***，参考附图1-4，包括燃料电池***1，燃料电池***1包括电堆总成2、氢气***3、空气***4以及冷却***5，氢气***3、空气***4以及冷却***5均与电堆总成2相连接；氢气***3用于负责电堆总成2所需氢气的供给及排出；空气***4用于负责电堆总成2所需空气的供给及排出；冷却***5包括第一冷却循环回路6，第一冷却循环回路6包括并联设置的第一板式换热器8以及第二板式换热器9，第一板式换热器8的第一侧以及第二板式换热器9的第一次均与电堆总成2相连接，第一冷却循环回路6中流动有第一液体；供热***10，供热***10包括第一供热回路11以及第二供热回路12；第一供热回路11包括第一板式换热器8，第一板式换热器8的第二侧与第一供热设备13相连接，第一供热回路11中流动有第二液体，第二液体用于作为第一供热设备13的热量来源；其中，第一板式换热器8用于将第一液体与第二液体相互换热，以使第一液体的温度下降且第二液体的温度上升；第二供热回路12包括第二板式换热器9，第二板式换热器9的第二侧与第二供热设备14相连接，第二供热回路12中流动有第三液体，第三液体用于作为第二供热设备14的热量来源；其中，第二板式换热器9用于将第一液体与第三液体相互换热，以使第一液体的温度下降且第三液体的温度上升。
本实施例在冷却***5上设置有并联连接的第一板式换热器8以及第二板式换热器9；其中，冷却***5与第一供热回路11/第二供热回路12通过第一板式换热器8/第二板式换热器9相互交联，使得对电堆总成2进行冷却后具有高热量的第一液体通过第一板式换热器8/第二板式换热器9与第二液体/第三液体进行热量交换，一方面使得第一液体的温度下降以便于重新作为电堆总成2的冷却液循环使用，另一方面使得第二液体/第三液体的温度上升以作为第一供热设备13/第二供热设备14的热量来源，从而将质子交换膜燃料电池所产生的热量与用户日常生活相结合，使得热量利用得到最大化，实现提高***的能源利用效率。其中，第一板式换热器8\第二板式换热器9以及后文出现的第三板式换热器6031均具有两个流道，四个接口，一个流道（第一侧）流经高温液体，一个流道（第二侧）流经低温液体，高低温液体通过板换进行热量交换。由于板式换热器属于现有技术，故本申请不再对其具体结构作详细赘述。
此外，将第一供热设备13选择为地暖设备1301，第二供热设备14选择为暖气设备1401以及热水储水箱1402，地暖设备1301要求的进口温度60－50℃，出口温度50－40℃，温差不大于10℃；而暖气设备1401要求的进口温度80℃，出口温度60℃，温差20℃。由于地暖设备1301和暖气设备1402要求的进出口温度不一致，因此不能简单将地暖设备1301与暖气设备1402并联使用。本技术方案能够通过控制第二液体/第三液体流经第一板式换热器8/第二板式换热器9的流量大小，使其满足第一供热设备13（地暖设备1301）与第二供热设备14（暖气设备1401）的不同温度需求。
其中，燃料电池***1产生的电压通过DCDC（即升压DC）升压后与动力电池并联共同接入PCS储能变流器（附图未示出），储能变流器接到配电柜，配电柜再接到用电端。因燃料电池***1高压零部件，启动时需要直流高压电，所以需要动力电池（附图未示出）提供启动高压电；因燃料电池***1变功率响应速度较慢，所以需要动力电池来弥补用电功率突变的情况；同时在燃料电池***1损坏时，动力电池可以维持一段时间供电，防止因燃料电池***1损坏供电端就马上断电导致用电端设备损坏。
作为上述实施例的优选方案，电堆总成2包括空气入口203以及空气出口204，空气***4包括进气支路401和出气支路402；进气支路401依次串设有空气过滤器4011、空压机4013、中冷器4014以及增湿器403的第一侧，增湿器403的第一侧与空气入口203连通；出气支路402依次串设有增湿器403的第二侧、背压阀4021、混合室4022、第一气液分离器4023以及消音器4024，消音器4024与外界连通，第二增湿器403的第二侧与空气出口204连通。如此设置，利用空气过滤器4011过滤空气中的杂质，利用空气流量计4012监测空气流量信息，当空气流量不足时增大空压机4013的功率，以及当空气流量超出预期时减少空压机4013的功率，确保电堆总成2能正常运作。电堆总成2反应生成的尾排水以及尾排气通过混合室4022汇流再经过第一气液分离器4023进行气液分离后排出燃料电池***1外，消音器4024用于减少噪声，提高燃料电池***1的环保性。
作为上述实施例的优选方案，电堆总成2包括氢气入口201以及氢气出口202，氢气***3包括相连通的氢气源301和氢气循环回路302，氢气循环回路302串设有氢循环泵3021，氢循环泵3021的进气端与氢气出口202连通，氢循环泵3021的出气端与氢气入口201连通。如此设置，工作时，氢气源301用于提供电堆总成2需要的氢气，氢气循环回路302串设有氢循环泵3021，氢循环泵3021的进气端与氢气出口202连通，氢循环泵3021的出气端与氢气入口201连通，从而实现对电堆总成2的氢气注入与氢气排气，通过氢循环泵3021循环使得氢气得到循环有效利用。
进一步的，氢气循环回路302还串联设置有第二气液分离器3022，第二气液分离器3022位于氢气出口202与氢循环泵3021之间；氢气循环回路302还包括排水支路303，排水支路303的输出端连接混合室4022，排水支路303的输入端连接第二气液分离器3022的液体输出端，排水支路303上设置有排水阀3031。如此设置，电堆总成2工作时，排水阀3031开启，氢气从氢气源301通过氢气入口201进入电堆总成2，反应后的部分氢气和尾排水进入第二气液分离器3022，第二气液分离器3022将氢气和尾排水分离。分离后的尾排水通过排水支路303进入混合室4022，在混合室4022汇流后排出燃料电池***1外。分离后的氢气通过氢循环泵3021再次进入氢气入口201，实现氢气的循环利用。
作为上述实施例的优选方案，电堆总成2包括冷却液入口205以及冷却液出口206，第一冷却循环回路6依次串设有第一水泵601、第一过滤器602、冷却装置603以及并联设置的第一板式换热器8以及第二板式换热器9，第一水泵601与冷却液入口205连通，第一板式换热器8的第一侧以及第二板式换热器9的第一侧均与冷却液出口206连通。如此设置，利用第一水泵601作为第一液体的动力源，带动第一液体在第一冷却循环回路6中循环流动，从而确保电堆总成2的降温冷却。同时，若热管理***中含有杂质容易把电堆总成2中的液体流道堵塞导致电堆总成2损坏，所以热管理***中需要设置第一过滤器602来去除杂质，防止杂质进入电堆总成2造成损坏。
进一步的，冷却装置603包括第三板式换热器6031，第三板式换热器6031的第一侧设置在第一冷却循环回路6，第三板式换热器6031的第二侧与冷却塔6032串联连接以形成第二冷却循环回路6033，第二冷却循环回路6033中流动有第四液体，其中，第三板式换热器6031用于将第一液体与第四液体相互换热，以使第一液体的温度下降且第四液体的温度上升。如此设置，在相关技术中，冷却***5中的冷却装置603主要采用散热器，散热器噪音大、故障率高，而且比较不适用于几百千瓦以上的大功率***。本实施例采用冷却塔6032散热形式取代散热器，可以避免上述缺点。具体的，第一冷却循环回路6与第二冷却循环回路6033通过第三板式换热器6031相互交联，使得对电堆总成2进行冷却后具有高热量的第一液体通过第三板式换热器6031与第四液体进行热量交换，一方面使得第一液体的温度下降以便于重新作为电堆总成2的冷却液循环使用，另一方面使得第四液体的温度上升，升温后的第四液体通过冷却塔6032重新降温，为后续对第一液体进行降温作准备，从而实现对第一液体进行冷却降温，确保电堆总成2的正常运行。
进一步的，冷却***5还包括第三冷却循环回路15，第三冷却循环回路15的入口端设置在第一水泵601与冷却液入口205之间，第三冷却循环回路15的出口端设置在并联设置的第一板式换热器8以及第二板式换热器9与冷却液出口206之间；第三冷却循环回路15流经中冷器4014。如此设置，考虑到外界空气在经过空压机4013压缩后温度上升形成高温高压空气，需要利用中冷器4014对其进行冷却降温。在中冷器4014中设置两个流道，一个流道流经空气，一个流道流经第一液体，利用第一液体对空压机4013压缩后的高温高压空气降温，以满足电堆总成2入口空气温度需求。由于中冷器4014属于现有技术，故本申请不再对其具体结构作详细赘述。
进一步的，冷却***5还包括第一加热支路16以及第二加热支路17，第一加热支路16的入口端通过第一三通阀1601设置在并联连接的第一板式换热器8以及第二板式换热器9与冷却装置603之间，第一加热支路16的出口端设置在冷却装置603与第一过滤器602之间；第一加热支路16上设置有水加热器1602；第二加热支路17的入口端设置在第一三通阀1601与水加热器1602之间，第二加热支路17的出口端设置在冷却装置603与第一过滤器602之间，第二加热支路17上设置有第一电磁阀1702。其中，设置第二加热支路17的目的是解决水加热器1602流阻过大问题，目前行业上使用的水加热器1602流阻都比较大，若无第二加热支路17，当电堆总成2需求流量较大而第三板式换热器6031需求流量较小，则需要第一加热支路16有较大流量，因水加热器1602流阻大，所以若要达到大流量，需要第一水泵601的扬程很高才能满足要求，而第一水泵601扬程太高又会极大增加第一水泵601功耗从而降低燃料电池***1效率，同时也增加第一水泵601的成本，因此增加第二加热支路17对流经第一加热支路16的部分第一液体进行分流，以解决上述技术问题。
其中，冷却***5主要是将电堆总成2温度控制适宜工作温度和适宜的工作温差下，具体包括冷却液（第一液体）出堆温度恒温控制以及电堆总成2进出口温差控制；
①冷却液出堆温度恒温控制的具体控制方式：
燃料电池***1启动前，冷却***5中第一水泵601以某一低转速启动；通过判断冷却液出堆温度（即第二温度传感器（设置在冷却液出口206处）检测到的温度），若冬天温度比较低时，第一液体出堆温度≤5℃，则开启水加热器1602；关闭第一电磁阀1702，使得第一液体不流过第二加热支路17；第一三通阀1601让其处于默认开度0（第一三通球阀：当处于开度0时，水加热器1602与第一电磁阀1702并联支路全开，第三板式换热器6031路全关，此时第一液体只流向水加热器1602与第一电磁阀1702并联支路；当处于开度100时，此时水加热器1602与第一电磁阀1702并联支路全关，第三板式换热器6031路全开，此时第一液体只流向第三板式换热器6031路）；冷却塔6032不启动。第一液体经水加热器1602加热逐渐升温，当温度升至电堆总成2能够启动的温度（假设5℃），即第一液体出堆温度＞5℃，则启动电堆总成2，让电堆总成2反应产生电，若客户对燃料电池***1由启动到稳定工作在最佳工作温度的时间长短无要求，则电堆总成2启动后就可关闭水加热器1602，靠电堆总成2反应热将水温加热到最佳温度。若客户对燃料电池***1由启动到稳定工作在最佳工作温度的时间长短有要求，则电堆总成2启动后，水加热器1602继续加热，当水加热器1602将水温加热到较高温度（假设第一液体出堆温度＞60℃）再关闭水加热器1602，靠电堆总成2反应将水温继续加热升温，当水温继续升温快接近适宜的目标温度时（假设第一液体出堆温度＞75℃），第一电磁阀1702打开，冷却塔6032启动，第一三通阀1601逐渐打开开度，燃料电池***1不同功率工况下，通过调节第一三通阀1601开度，调节第一液体进入第三板式换热器6031流量，从而控制第三板式换热器6031的换热量，进而控制两支路混合后的温度，让混合后进入电堆的温度恒定在目标温度，具体以第一液体电堆出堆目标温度与第一温度传感器检测到的实际温度进行比较，通过PID控制算法去调节第一三通阀1601的开度，自动控制出堆温度到目标温度。
②电堆总成2进出口温差控制的具体控制方式：
燃料电池***1不同运行功率下，主要通过调节第一水泵601转速大小，从而调节第一冷却循环回路6的流量，进而控制电堆总成2进出口温差。通过电堆总成2进出口目标温差与第一温度传感器（设置在冷却液入口205处）和第二温度传感器（设置在冷却液出口206处）实际检测到的温度之差进行比较，通过PID算法调整第一水泵601转速大小，使实际温差迅速控制到目标温差。
此外，第一加热支路16以及第二加热支路17也可布置成如附图5所示，即将第一加热支路16的的入口端通过第一三通阀1601设置在并联连接的第一板式换热器8以及第二板式换热器9与冷却液出口206之间，其余与上述实施例设置一致。此时燃料电池***1的冷却液（第一液体）出堆温度恒温控制以及电堆总成2进出口温差控制方式如上述一致。
此外，第一加热支路16以及第二加热支路17也可布置成如附图6所示，即将第一加热支路16的的入口端通过第一三通阀1601设置在并联连接的第一板式换热器8以及第二板式换热器9与冷却液出口206之间，第一加热支路16的出口端设置在冷却装置603与第一过滤器602之间；第二加热支路17的入口端通过第四三通阀1701设置在并联连接的第一板式换热器8以及第二板式换热器9与冷却装置603之间，第二加热支路17的出口端设置在冷却装置603与第一过滤器602之间。此时第一三通阀1601只有开关量，不能调节不同开度；当第一三通阀1601处于关闭状态，则水加热器1602路处于导通状态，板式换热器路处于不导通状态；当第一三通阀1601处于开启状态，则水加热器1602路处于不导通状态，板式换热器路处于导通状态。此时燃料电池***1的冷却液（第一液体）出堆温度恒温控制以及电堆总成2进出口温差控制方式有所区别。具体控制方式如下：第一三通阀1601开启后，第一液体往板式换热器路流通，此时冷却塔6032启动，第四三通阀1701逐渐打开开度，燃料电池***1不同功率工况下，通过调节第四三通阀1701开度，调节进入第三板式换热器6031流量，从而控制第三板式换热器6031的换热量，进而控制两支路混合后的温度，让混合后进入电堆总成2的温度恒定在目标温度，具体以冷却液电堆出堆目标温度与温度传感器检测到的实际温度进行比较，通过PID控制算法去调节第四三通阀1701的开度，自动控制出堆温度到目标温度。
进一步的，冷却***5还包括第一稳压支路18，第一稳压支路18的入口端设置在冷却液出口206以及并联设置的第一板式换热器8与第二板式换热器9之间，第一稳压支路18的出口端设置在冷却装置603以及第一过滤器602之间，第一稳压支路18依次串设有去离子器1801以及第一膨胀水箱1802。其中，第一膨胀水箱1802主要作用是提供冷却***5中第一液体膨胀空间、补水、稳压、排气等。通过设置第一稳压支路18提高燃料电池冷却***5的可靠性和稳定性。同时，由于燃料电池***1的电堆总成2对电导率比较敏感，第一液体在经过电堆总成2后其电导率过高，会使得整个***绝缘阻值下降，因此需要设置一个去离子器1801，专门去除第一液体中的导电离子，降低整个***第一液体的电导率，提高***绝缘阻值，提高电堆总成2使用寿命，同时提高***电气安全。
作为上述实施例的优选方案，第一供热回路11依次串设有第一板式换热器8的第二侧、第一供热设备13、第二水泵1101、第二电磁阀1102以及第二过滤器1103；第一供热回路11还包括第一调节支路19，第一调节支路19的入口端设置在第二电磁阀1102以及第二过滤器1103之间，第一调节支路19的出口端通过第二三通阀1901设置在第一板式换热器8以及第一供热设备13之间；其中第一供热设备13包括地暖设备。如此设置，利用第二水泵1101作为第二液体的动力源，带动第二液体在第一供热回路11中循环流动，从而确保为地暖设备提供热量源。此外，第二过滤器1103用于过滤第一供热回路11中的杂质，避免第一板式换热器8堵塞。
其中，地暖设备要求的进口温度60－50℃，出口温度50－40℃，温差要小于10℃。关于地暖设备的进口温度恒温控制以及进出口温差控制的具体控制方式如下：
①地暖设备进口温度恒温控制：
地暖设备进口温度恒温控制主要靠第二三通阀1901开度来控制，第二三通阀1901为两进一出的电动三通阀，通过调节第二三通阀1901开度，调节进入第一板式换热器8流量，从而控制第一板式换热器8的换热量，进而控制第一供热回路11与第一调节支路19混合后第二液体的温度，让第二液体进入地暖设备的温度恒定在目标温度，具体以地暖设备进口目标温度与第三温度传感器（设置在第一供热设备13的入口端）检测到的实际温度进行比较，通过PID控制算法去调节第二三通阀1901的开度，自动控制地暖设备进口温度到目标温度。
②地暖设备进出口温差控制：
若选用定转速的第二水泵1101，则采用控制第二电磁阀1102的开度大小来调节地暖设备的流量大小，进而控制地暖设备进出口温差。通过地暖进出口目标温差与第三温度传感器（设置在第一供热设备13的入口端）和第四温度传感器（设置在第一供热设备13的出口端）实际检测到的温度之差进行比较，通过PID算法调整第二电磁阀1102开度大小，使实际温差迅速控制到目标温差。
若选用的是可调节转速的第二水泵1101，则主要通过调节第二水泵1101转速大小，从而调节地暖设备的流量，进而控制地暖设备进出口温差。通过地暖设备进出口目标温差与第三温度传感器（设置在第一供热设备13的入口端）和第四温度传感器（设置在第一供热设备13的出口端）实际检测到的温度之差进行比较，通过PID算法调整第二水泵1101转速大小，使实际温差迅速控制到目标温差。
进一步的，第一供热回路11包括第二稳压支路20，第二稳压支路20的入口端以及出口端分别设置在第一供热设备13的两端，第二稳压支路20上设有第二膨胀水箱2001。其中，第二膨胀水箱2001主要作用是提供第一供热回路11中第二液体膨胀空间、补水、稳压、排气等。
进一步的，第一板式换热器8的第二侧、第一供热设备13、第二水泵1101、第二电磁阀1102以及第二过滤器1103的前后两侧均设置有截止阀。如此设置，当更换零部件时，通过截止阀防止第一供热回路11中第二液体流出，方便更换零部件。若无截止阀，每次更换零部件都需要重新对第一供热回路11进行排水和加水排气，维修极其麻烦。
作为上述实施例的优选方案，第二供热回路12依次串设有第二板式换热器9的第二侧、第二供热设备14、第三水泵1201、第三电磁阀1202以及第三过滤器1203；第二供热回路12还包括第二调节支路21，第二调节支路21的入口端设置在第三电磁阀1202以及第三过滤器1203之间，第三调节支路的出口端通过第三三通阀2101设置在第二板式换热器9以及第二供热设备14之间；其中，第二供热设备14包括并联设置的暖气设备1401以及热水储水箱1402。如此设置，第三液体通过第二板式换热器9升温后经过热水储水箱1402和暖气设备1401，热水储水箱1402和暖气设备1401采用并联形式，暖气设备1401支路加有第四电磁阀1403，当暖气设备1401有取暖需求时，该第四电磁阀1403打开，第三液体流经暖气设备1401；当暖气设备1401无取暖需求时，该第四电磁阀1403关闭，第三液体不流经暖气设备1401。
其中，暖气设备1401要求的进口温度80℃，出口温度60℃，温差控制在20℃。关于暖气设备1401的进口温度恒温控制以及进出口温差控制的具体控制方式与上述地暖设备1301的控制方式相同，故不再赘述。
进一步的，第二供热回路12包括第三稳压支路22，第三稳压支路22的入口端以及出口端分别设置在第二供热设备14的两端，第三稳压支路22上设有第三膨胀水箱2201。其中，第三膨胀水箱2201主要作用是提供第二供热回路12中第三液体膨胀空间、补水、稳压、排气等。
进一步的，第二板式换热器9的第二侧、第二供热设备14、第三水泵1201、第三电磁阀1202以及第三过滤器1203的前后两侧均设置有截止阀。如此设置，当更换零部件时，通过截止阀防止第二供热回路12中第三液体流出，方便更换零部件。若无截止阀，每次更换零部件都需要重新对第二供热回路12进行排水和加水排气，维修极其麻烦。
进一步的，热水储水箱1402包括第一进水口、第二进水口、第三进水口、第一出水口以及第二出水口；第一进水口以及第一出水口与第二供热回路12连通；第二进水口与第一气液分离器4023的液体输出端连通，第三进水口连接外部的自来水管道23连接；第二出水口连接生活用水管路24。其中，热水储水箱内部带高液位和低液位传感器（附图未示出），共5个接口。其中第一进水口以及第一出水口接入第二供热回路12，与板式换热器以及第三水泵1201形成循环回路；其中第三进水口接入自来水管道23，自来水管道23上装个电磁阀，当低液位传感器检测到液位低时，电磁阀打开，给热水储水箱1402补充水源，当高液位传感器检测水位上升到高液位时，电磁阀关闭，停止给热水储水箱1402供水；其中第二出水口接入到生活用水管路24，可提供日常的热水需求（沐浴、洗手盆等）；其中第二进水口接入第一气液分离器4023的液体输出端，通过第一气液分离器4023，将尾排气与尾排水分离，并将此分离的尾排水通过尾排水管路26引入到给热水储水箱1402使用，因此尾排水温度比较高，正好可以用于生活热水使用，同时相当于也把尾排水的热量利用起来了。
其中尾排水管路26上依次设置有第四水泵2601以及蓄水箱2602，通过第四水泵2601作为动力来源，将尾排水输送至热水储水箱1402。其中根据蓄水箱2602的不同类型，有两种控制方式：
方式一：蓄水箱2602只带低液位传感器，控制如下：通过测试标定，不同运行功率下稳定运行时的蓄水箱2602水积累到最高液位所用时长；***记录从启动到稳定运行时的蓄水箱2602水积累到最高液位所用时长。假设***从启动到稳定运行在某P功率时的蓄水箱2602水积累到最高液位所用时长为X1秒，某P功率下稳定运行时的时长为X2秒；当***启动X1后，第四水泵2601启动将蓄水箱2602中的水运输至热水储水箱1402，当蓄水箱2602液位传感器检测到液位低时，第四水泵2601停止工作，每次第四水泵2601停止工作后重新开始计时，经过X2秒后，再次开启第四水泵2601，如此循环往复启停第四水泵2601将蓄水箱2602中的水运输至热水储水箱1402。
方式二：蓄水箱2602带高低液位传感器，控制如下：当蓄水箱2602检测到高液位时，开启第四水泵2601；当检测到低液位时，关闭第四水泵2601。
作为上述实施例的优选方案，如附图7所示，公开了一种具有多套燃料电池***1的热电联产方案，每套燃料电池***1与第一供热回路11并联；每套燃料电池***1与第二供热回路12并联，同时每套燃料电池***1的尾排水并联汇流至热水储水箱利用起来。
需要说明的是，本发明公开的质子交换膜氢燃料电池热电联产***的其它内容为现有技术，在此不再赘述。
以上仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种质子交换膜氢燃料电池热电联产***，其特征在于：包括：
燃料电池***，所述燃料电池***包括电堆总成、氢气***、空气***以及冷却***，所述氢气***、所述空气***以及所述冷却***均与所述电堆总成相连接；所述氢气***用于负责所述电堆总成所需氢气的供给及排出；所述空气***用于负责所述电堆总成所需空气的供给及排出；所述冷却***包括第一冷却循环回路，所述第一冷却循环回路包括并联设置的第一板式换热器以及第二板式换热器，所述第一板式换热器的第一侧以及所述第二板式换热器的第一次均与所述电堆总成相连接，所述第一冷却循环回路中流动有第一液体，所述第一液体用于对所述电堆总成进行冷却降温；
供热***，所述供热***包括第一供热回路以及第二供热回路；
所述第一供热回路包括所述第一板式换热器，所述第一板式换热器的第二侧与第一供热设备相连接，所述第一供热回路中流动有第二液体，所述第二液体用于作为所述第一供热设备的热量来源；其中，所述第一板式换热器用于将所述第一液体与所述第二液体相互换热，以使所述第一液体的温度下降且所述第二液体的温度上升；
所述第二供热回路包括所述第二板式换热器，所述第二板式换热器的第二侧与第二供热设备相连接，所述第二供热回路中流动有第三液体，所述第三液体用于作为所述第二供热设备的热量来源；其中，所述第二板式换热器用于将所述第一液体与所述第三液体相互换热，以使所述第一液体的温度下降且所述第三液体的温度上升。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜氢燃料电池热电联产***，其特征在于：所述电堆总成包括氢气入口以及氢气出口，所述氢气***包括相连通的氢气源和氢气循环回路，所述氢气循环回路串设有氢循环泵，所述氢循环泵的进气端与所述氢气出口连通，所述氢循环泵的出气端与所述氢气入口连通。
3.根据权利要求1所述的质子交换膜氢燃料电池热电联产***，其特征在于：所述电堆总成包括空气入口以及空气出口，所述空气***包括进气支路和出气支路；所述进气支路依次串设有空气过滤器、空压机、中冷器以及增湿器的第一侧，所述增湿器的第一侧与所述空气入口连通；所述出气支路依次串设有所述增湿器的第二侧、背压阀、混合室、消音器以及第一气液分离器，所述第一气液分离器的气体输出端与外界连通，所述第二增湿器的第二侧与所述空气出口连通。
4.根据权利要求1所述的质子交换膜氢燃料电池热电联产***，其特征在于：所述电堆总成包括冷却液入口以及冷却液出口，所述第一冷却循环回路依次串设有第一水泵、第一过滤器、冷却装置以及并联设置的所述第一板式换热器以及所述第二板式换热器，所述第一水泵与所述冷却液入口连通，所述第一板式换热器的第一侧以及所述第二板式换热器的第一侧均与所述冷却液出口连通。
5.根据权利要求4所述的质子交换膜氢燃料电池热电联产***，其特征在于：所述冷却装置包括第三板式换热器，所述第三板式换热器的第一侧设置在所述第一冷却循环回路，所述第三板式换热器的第二侧与冷却塔串联连接以形成第二冷却循环回路，所述第二冷却循环回路中流动有第四液体，其中，所述第三板式换热器用于将所述第一液体与所述第四液体相互换热，以使所述第一液体的温度下降且所述第四液体的温度上升。
6.根据权利要求5所述的质子交换膜氢燃料电池热电联产***，其特征在于：所述冷却***还包括第三冷却循环回路，所述第三冷却循环回路的入口端设置在所述第一水泵与所述冷却液入口之间，所述第三冷却循环回路的出口端设置在并联设置的所述第一板式换热器以及所述第二板式换热器与所述冷却液出口之间；所述第三冷却循环回路流经所述中冷器。
7.根据权利要求5所述的质子交换膜氢燃料电池热电联产***，其特征在于：所述冷却***还包括第一加热支路以及第二加热支路，所述第一加热支路的入口端通过第一三通阀设置在并联连接的所述第一板式换热器以及第二板式换热器与所述冷却装置之间，所述第一加热支路的出口端设置在所述冷却装置与所述第一过滤器之间；所述第一加热支路上设置有水加热器；所述第二加热支路的入口端设置在所述第一三通阀与所述水加热器之间，所述第二加热支路的出口端设置在所述冷却装置与所述第一过滤器之间，所述第二加热支路上设置有第一电磁阀。
8.根据权利要求1所述的质子交换膜氢燃料电池热电联产***，其特征在于：所述第一供热回路依次串设有所述第一板式换热器的第二侧、所述第一供热设备、第二水泵、第二电磁阀以及第二过滤器；所述第一供热回路还包括第一调节支路，所述第一调节支路的入口端设置在所述第二电磁阀以及所述第二过滤器之间，所述第一调节支路的出口端通过第二三通阀设置在所述第一板式换热器以及所述第一供热设备之间；其中所述第一供热设备包括地暖设备。
9.根据权利要求1所述的质子交换膜氢燃料电池热电联产***，其特征在于：所述第二供热回路依次串设有所述第二板式换热器的第二侧、所述第二供热设备、第三水泵、第三电磁阀以及第三过滤器；所述第二供热回路还包括第二调节支路，所述第二调节支路的入口端设置在所述第三电磁阀以及所述第三过滤器之间，所述第三调节支路的出口端通过第三三通阀设置在所述第二板式换热器以及所述第二供热设备之间；其中，所述第二供热设备包括并联设置的暖气设备以及热水储水箱。
10.根据权利要求9所述的质子交换膜氢燃料电池热电联产***，其特征在于：所述热水储水箱包括第一进水口、第二进水口、第三进水口、第一出水口以及第二出水口；所述第一进水口以及所述第一出水口与所述第二供热回路连通；所述第二进水口与所述第一气液分离器的液体输出端连通，所述第三进水口连接外部的自来水管道连接；所述第二出水口连接生活用水管路。
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