基于燃料电池冷热电联供系统及运行方法

1.本发明涉及燃料电池余热利用技术领域，尤其是基于燃料电池冷热电联供系统及运行方法。


背景技术：

2.氢燃料电池通过化学反应发电，安装规模小，废物排放少，其发电效率高于传统发电机组。常用的燃料电池类型，如质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池，其发电效率可高达40-60％，其热电联供的整体效率在85％以上。
3.现有技术中，燃料电池冷热电系统的余热利用方式和运行方式较为单一，无法满足用户侧的多样化需求。因此需要从系统结构优化角度对余热利用方式进行优化，以进一步提高系统能源利用效率。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明提供一种基于燃料电池冷热电联供系统及运行方法，目的是提高系统能源利用效率。
5.本发明采用的技术方案如下：
6.本发明提供一种基于燃料电池冷热电联供系统，包括燃料电池系统、orc系统、余热换热器、吸收式制冷系统和控制系统；
7.所述燃料电池系统用于发电，燃料电池系统冷却系统的冷却液分别为orc系统、余热换热器和吸收式制冷系统提供热源，orc系统通过热源驱动而运行可提供额外电能和第一部分热能，余热换热器可提供第二部分热能，吸收式制冷系统通过热源驱动而运行可提供冷能，放热后的冷却液回流至燃料电池系统的冷却系统形成循环；
8.所述控制系统，用于根据燃料电池系统的运行负荷和用户需求，对供给orc系统、余热换热器和吸收式制冷系统的冷却液进行分配，并控制供热模式为通过第一部分热能和第二部分热能协同供热、或者通过第二部分热能单独供热。
9.进一步技术方案为：
10.供热用的管路包括分别与用户侧连接的供热回水管和供热出水管；
11.供热回水管与所述orc系统冷凝器的水侧入口连接，orc系统冷凝器的水侧出口与余热换热器的冷介质侧入口连接，余热换热器的冷介质侧出口与供热出水管连接，形成供热回路。
12.供热出水管上还串联有供热调峰装置。
13.供冷用的管路包括分别与用户侧连接的供冷回水管和供冷出水管；
14.供冷回水管与所述吸收式制冷系统的制冷系统蒸发器的水侧入口连接，制冷系统蒸发器的水侧出口与供冷出水管连接，形成供冷回路。
15.供冷出水管上还串联有供冷调峰装置。
16.燃料电池系统的冷却系统包括冷却液的供液管和回液管；
17.所述供液管的出口分别与所述orc系统的orc系统蒸发器热源入口、余热换热器的热介质侧入口、吸收式制冷系统的发生器的热源入口连接，连接管路上分别设有控制阀，orc系统蒸发器热源出口、余热换热器的热介质侧出口、发生器热源出口分别与回液管的入口连接，形成冷却液回路。
18.燃料电池系统的电池输出电路通过逆变器与供电电路连接，供电电路用于与用户侧连接，供电电路上设有电压调节装置。
19.orc系统的orc输出电路与供电电路连接。
20.本发明还提供一种所述的基于燃料电池冷热电联供系统的运行方法，包括：
21.燃料电池系统运行，为用户供电；
22.当用户发出供热请求，控制系统判断燃料电池系统的运行负荷，满足燃料电池系统运行负荷的前提下，根据供热请求温度，开启余热换热器的冷却液供给，同时切断orc系统和吸收式制冷系统的冷却液供给，切换供热模式为通过余热换热器提供的第二部分热能为用户单独供热，或者，开启余热换热器和orc系统的冷却液供给，同时切断吸收式制冷系统的冷却液供给，切换供热模式为通过第一部分热能和第二部分热能协同为用户供热；
23.当用户发出供冷请求，控制系统判断燃料电池系统的运行负荷，满足燃料电池系统运行负荷的前提下，开启吸收式制冷系统的冷却液供给，同时切断orc系统和余热换热器的冷却液供给，为用户供冷；在此基础上用户又发出供热请求，满足燃料电池系统运行负荷的前提下，根据供热请求温度，开启余热换热器的冷却液供给，供热模式为通过第二部分热能为用户单独供热，或者开启余热换热器和orc系统的冷却液供给，供热模式为通过第一部分热能和第二部分热能协同为用户供热；
24.当用户同时发出供冷供热请求，控制系统判断燃料电池系统的运行负荷，满足燃料电池系统运行负荷的前提下，同时开启orc系统、余热换热器和吸收式制冷系统的冷却液供给，实现冷热电联供。
25.本发明的有益效果如下：
26.本发明的燃料电池余热除了用于直接供热或供热水外，与有机朗肯循环(orc)或吸收式制冷系统组合，构成复合式燃料电池冷热电联供系统，获取额外电能或冷量，实现了余热用于提供额外的发电、供冷、供热效果的灵活运行，提高了燃料电池系统应用的灵活性和高效性。、
27.本发明还对余热利用方式进行优化，供热系统回水可首先进入orc系统冷凝器进行一级升温，然后进入余热换热器进行二次升温，实现燃料电池余热的梯级利用，进一步提高了系统能源效率。
28.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
29.图1为本发明的系统结构示意图。
30.图2为本发明的燃料电池系统结构示意图。
31.图3为本发明的orc系统结构示意图。
32.图4为本发明的吸收式制冷系统的结构示意图。
33.图中：1、燃料电池系统；2、orc系统；3、余热换热器；4、吸收式制冷系统；5、阀门五；6、阀门六；7、阀门七；8、逆变器；9、电压调节装置；10、供热调峰装置；11、供冷调峰装置；
34.101、燃料电池；102、循环泵；201、orc系统蒸发器；202、膨胀机；203、发电机；204、orc系统冷凝器；205、工质泵；
35.401、发生器；402、制冷系统冷凝器；403、制冷剂节流阀；404、制冷系统蒸发器；405、吸收器；406、溶液泵；407、溶液节流阀；
36.1001、空气进气管；1002、空气出气管；1003、氢气进气管；1004、氢气出气管；1005、排水管；1006、供液管；1007、回液管；1008、电池输出电路；1009、orc输出电路；1010、供电电路；1011、供热回水管；1012、供热出水管；1013、供冷回水管；1014、供冷出水管。
具体实施方式
37.以下结合附图说明本发明的具体实施方式。
38.如图1所示，本实施例的基于燃料电池冷热电联供系统，包括燃料电池系统1、orc系统2、余热换热器3、吸收式制冷系统4和控制系统；
39.燃料电池系统1用于发电，燃料电池系统1冷却系统的冷却液分别为orc系统2、余热换热器3和吸收式制冷系统4提供热源，orc系统2通过热源驱动而运行可提供额外电能和第一部分热能，余热换热器3可提供第二部分热能，吸收式制冷系统4通过热源驱动而运行可提供冷能，放热后的冷却液回流至燃料电池系统1的冷却系统形成循环；
40.控制系统，用于根据燃料电池系统1的运行负荷和用户需求，对供给orc系统2、余热换热器3和吸收式制冷系统4的冷却液进行分配，并控制供热模式为通过第一部分热能和第二部分热能协同供热、或者通过第二部分热能单独供热。
41.其中，供热用的管路包括分别与用户侧连接的供热回水管1011和供热出水管1012；
42.如图1和图2所示，供热回水管1011与orc系统冷凝器204的水侧入口连接，orc系统冷凝器204的水侧出口与余热换热器3的冷介质侧入口连接，余热换热器3的冷介质侧出口与供热出水管1012连接，形成供热回路。
43.具体的，供热出水管1012上还串联有供热调峰装置10。
44.用户侧的热水回水通过供热回水管1011进入orc系统冷凝器204吸收其冷凝热，实现第一级升温，然后再进入到余热换热器3通过与冷却液换热，实现第二级升温，然后通过供热出水管1012输送至用户侧。
45.供热调峰装置10具体为锅炉或电热泵机组，可在燃料电池系统1负荷较低时，满足用户的供热需求。
46.其中，如图1所示，供冷用的管路包括分别与用户侧连接的供冷回水管1013和供冷出水管1014；供冷回水管1013与吸收式制冷系统4的制冷系统蒸发器404的水侧入口连接，制冷系统蒸发器404的水侧出口与供冷出水管1014连接，形成供冷回路。
47.具体的，供冷出水管1014上还串联有供冷调峰装置11。
48.用户侧的冷水回水通过供冷回水管1013进入制冷系统蒸发器404，实现降温，然后通过供冷出水管1014输送至用户侧。
49.供冷调峰装置11具体为电制冷机组，可在燃料电池系统1负荷较低时，满足用户的
供冷需求。
50.其中，如图1所示，燃料电池系统1的冷却系统包括冷却液的供液管1006和回液管1007；供液管1006的出口分别与orc系统2的orc系统蒸发器201热源入口、余热换热器3的热介质侧入口、吸收式制冷系统4的发生器401的热源入口连接，连接管路上分别设有控制阀，orc系统蒸发器201热源出口、余热换热器3的热介质侧出口、发生器401热源出口分别与回液管1007的入口连接，形成冷却液回路。
51.具体的，供液管1006上设置有循环泵102。
52.燃料电池系统1的电池输出电路1008通过逆变器8与供电电路1010连接，供电电路1010用于与用户侧连接，供电电路1010上设有电压调节装置9。
53.orc系统2的orc输出电路1009与供电电路1010连接。
54.具体的，本实施例采用的燃料电池系统1、orc系统2和吸收式制冷系统4均为常规的系统。orc系统即为有机朗肯循环系统，orc系统2为单级或多级系统，吸收式制冷系统4为单级或多级、单效或多效吸收式制冷系统。
55.如图2所示，燃料电池系统1包括燃料电池101、空气进气管1001、空气出气管1002、氢气进气管1003、氢气出气管1004、排水管1005。其工作过程为：
56.空气通过空气进气管1001进入燃料电池，氢气通过氢气进气管1003进入燃料电池，进入燃料电池的空气和氧气按反应式2h2 o2→
2h2o 电 热进行电化学反应，反应式中的氧气为空气中所含有的氧气，电化学反应过程的温度约为150℃(以高温质子交换膜燃料电池的反应温度为例)。未参与反应的空气由空气出气管1002排出，未参与反应的氢气由氢气出气管1004排出，反应生成的水由排水管1005排出，反应生成的热被所述燃料电池冷却系统冷却，反应生成的电由电池输出电路1008输出，实现发电效果。
57.如图3所示，orc系统2包括orc系统蒸发器201、膨胀机202、发电机203、orc系统冷凝器204、工质泵205。工作过程为：
58.在orc系统蒸发器201内，来自供液管1006的冷却液作为驱动热源，加热orc系统蒸发器201的高压液态工质，高压液态工质吸热蒸发，变为高压气态工质，进入膨胀机202中。在膨胀机202内，高压气态工质膨胀做功，将机械功传送给发电机203。发电机203将膨胀机202的机械转化为电能，产生的电能由orc输出电路1009输出，实现发电目的。高压气态工质做工后压力降低，变为低压气态工质，进入orc系统冷凝器204中。
59.orc系统冷凝器204的作用是将低压气态工质冷凝为液态工质，以便由工质泵205增压，然后返回orc系统蒸发器201中。气态工质在冷凝过程向供热回水管1011中的水释放大量潜热，故供热回水管1011中的水温度不能过高，否则会抑制气态工质的冷凝过程，进而降低orc系统的发电效率。因此，需控制orc系统冷凝器204的出水温度。
60.参见图1，在余热换热器3中，来自燃料电池101的冷却液作为热源，对来自orc系统冷凝器204的热水进一步加热，并根据实际需求，对供热回水管1011的水温进行温度调节，实现供水温度调节。
61.参见图4，吸收式制冷系统4包含发生器401、制冷系统冷凝器402、制冷剂节流阀403、制冷系统蒸发器404、吸收器405、溶液泵406、溶液节流阀407。工作过程为：
62.在发生器401内，来自供液管1006的冷却液作为驱动热源，加热发生器401内的稀溶液，使溶液中的制冷剂组分蒸发，形成高温气态制冷剂。稀溶液浓度升高，变为浓溶液，经
溶液节流阀407节流降压后进入吸收器405，而蒸发出的高温气态制冷剂进入制冷系统冷凝器402中。在制冷系统冷凝器402内，高温气态制冷剂向制冷系统冷凝器402的冷却水释放潜热，高温气态制冷剂变为液态制冷剂，经制冷剂节流阀403节流降压后进入吸收式制冷系统蒸发器404中。制冷系统冷凝器402的冷却水吸收潜热后温度升高，经外部散热装置将热量释放到系统外。
63.在制冷系统蒸发器404内，由于内部为负压状态，液态制冷剂在5℃左右即达到饱和而蒸发。液态制冷剂在蒸发过程中吸收供冷回水管1013中水的热量，变为气态制冷剂，然后进入吸收器405中。供冷回水管1013中的水释放热量，温度降低，经供冷出水管1014返回供冷末端装置，实现制冷目的。
64.在吸收器405内，来自发生器401的浓溶液，吸收来自制冷系统蒸发器404的气态制冷剂，浓度降低，同时向吸收器405的冷却水向释放热量，然后经溶液泵406增压，返回发生器401中。吸收器405的冷却水吸收热量后，经外部散热装置将热量释放到系统外界。
65.本实施例的基于燃料电池冷热电联供系统的运行方法，包括：
66.燃料电池系统1运行，为用户供电；
67.当用户发出供热请求，控制系统判断燃料电池系统1的运行负荷，满足燃料电池系统1运行负荷的前提下，开启余热换热器3的冷却液供给，同时切断orc系统2和吸收式制冷系统4的冷却液供给，切换供热模式为通过余热换热器3提供的第二部分热能为用户单独供热，或者，开启余热换热器3和orc系统2的冷却液供给，同时切断吸收式制冷系统4的冷却液供给，切换供热模式为通过第一部分热能和第二部分热能协同为用户供热；
68.具体的，当燃料电池系统1低负荷运行时，开启余热换热器3的冷却液供给，同时切断orc系统2和吸收式制冷系统4的冷却液供给，切换供热模式为通过余热换热器3提供的第二部分热能为用户单独供热；
69.具体的，当燃料电池系统1高负荷运行时，开启余热换热器3和orc系统2的冷却液供给，同时切断吸收式制冷系统4的冷却液供给，切换供热模式为通过第一部分热能和第二部分热能协同为用户供热；
70.当用户发出供冷请求，控制系统判断燃料电池系统1的运行负荷，满足燃料电池系统1运行负荷的前提下，开启吸收式制冷系统4的冷却液供给，同时切断orc系统2和余热换热器3的冷却液供给，为用户供冷；在此基础上用户又发出供热请求，满足燃料电池系统1运行负荷的前提下，开启余热换热器3的冷却液供给，供热模式为通过第二部分热能为用户单独供热，或者开启余热换热器3和orc系统2的冷却液供给，供热模式为通过第一部分热能和第二部分热能协同为用户供热；
71.当用户同时发出供冷供热请求，控制系统判断燃料电池系统1的运行负荷，满足燃料电池系统1运行负荷的前提下，同时开启orc系统2、余热换热器3和吸收式制冷系统4的冷却液供给，实现冷热电联供。
72.具体的，可根据实际需求，通过阀门五5，阀门六6，阀门七7的通断选择冷却液的流向，实现燃料电池余热的灵活运用。具体举例说明如下：
73.阀门六6开启，阀门五5和阀门七7关闭，冷却液进入余热换热器3。通过余热换热器3，冷却液可实现供热效果。结合燃料电池101的发电效果，提供了第一种热电联供运行状态。
74.阀门五5和阀门六6开启，阀门七7关闭，冷却液进入orc系统2和余热换热器3。通过orc系统2，实现发电效果和供热效果；通过余热换热器3，冷却液可实现供热系统供水温度调节的效果。结合燃料电池101的发电效果，提供了第二种热电联供运行状态。
75.阀门七7开启，阀门五5和阀门六6关闭，冷却液进入吸收式制冷系统4。通过吸收式制冷系统4，实现供冷效果。结合燃料电池101的发电效果，提供了第一种冷电联供运行状态。
76.在第一种冷电联供运行状态下，若冷却液还有多余，则再开启阀门六6，使部分冷却液进入余热换热器3中。结合燃料电池101的发电效果、吸收式制冷系统4的制冷效果和余热换热器3的制热效果，提供了第一种冷热电联供运行状态。
77.阀门五5、阀门六6和阀门七7都开启，冷却液进入orc系统2，余热换热器3和吸收式制冷系统4。通过orc系统2，实现发电效果和供热效果；通过余热换热器3，实现供热系统供水温度调节的效果；通过吸收式制冷系统4，实现供冷效果。结合燃料电池101的发电效果，提供了第二种冷热电联供运行状态。
78.本领域普通技术人员可以理解：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，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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。