[发明专利]基于全热交换器和热泵技术的燃料电池热回收及供热系统

说明书

本发明公开了一种基于全热交换器和热泵技术的燃料电池热回收及供热系统，涉及燃料电池热回收及利用领域，包括燃料电池系统、电堆余热回收系统、乏气回收系统、全热交换器、第一蒸发器、第二蒸发器、压缩机、供热系统、热泵工质、热泵工质管路、热泵工质膨胀阀及多个管路截止阀；燃料电池的电堆余热和阴极排气余热分别通过电堆余热回收系统和乏气回收系统进入两个蒸发器，使热泵工质受热后相变蒸发，在压缩机的作用下沿热泵工质管路进入供热系统，释放热量后冷凝液化，经热泵工质膨胀阀降温降压，回到蒸发器，完成热回收及供热流程，并循环往复。本发明能够回收50℃以下的余热，并通过管路截止阀的通断控制各系统的串并联工作，提高工作效率。

技术领域

本发明涉及燃料电池热回收及利用领域，尤其涉及一种基于全热交换器和热泵技术的燃料电池热回收及供热系统。

背景技术

大力发展氢能技术，是实现“碳达峰”、“碳中和”的重要手段。在诸多的氢能利用技术中，燃料电池具有零碳排放、运行平稳等特点，在能源动力领域，尤其是车用动力电池领域发展迅速，但在住宅热电联供等其他领域的规模化高效利用较为有限。从能量转化的角度看，燃料电池产生电能的过程中必然伴随着热能的产生，如将此部分热量加以高效回收与利用，通过燃料电池开发住宅用电、热综合供能系统，不仅可以实现零碳排放，还可以通过热、电的综合调节和利用，实现能源的高效利用，大幅提升燃料电池系统的整体效率。

但是，将燃料电池系统作为住宅用综合供能系统实现热、电能量的全面利用，还面临着众多技术上的难题。目前，国内还没有住宅用燃料电池热电联供产品，仅有少量的科研开发活动。适合于住宅用能场景的燃料电池微型热电联供系统主要集中于日本、欧盟等少数国家和地区。日本是燃料电池微型热电联产应用最成功的国家，但主要以固体氧化物、聚合物电解质燃料电池为主，氢燃料电池并未得到大量应用；欧盟燃料电池及氢能合作组织(FCHJU)长期支持燃料电池微型热电联产的发展，并取得了较大发展。在日本和欧盟的燃料电池微型热电联产系统中，余热的主要处理方式仅仅是直接回收供生活热水，无法满足多方面的供热需求。

这是因为，燃料电池综合供能系统一般以电堆余热和阴极排气余热的回收利用为基础，但余热回收难度大、效率低。以质子交换膜燃料电池为例，其工作温度约在80℃左右，现阶段只能高效回收50～80℃温区内的余热，50℃以下的余热回收率很小，造成低温度区段热量的浪费，使整个燃料电池余热回收系统效率低下。另外，因为住宅用能位置分散、不同时段用能波动性大的特点，又使得使用燃料电池回收余热的供能系统的供热不够稳定，使得燃料电池发电-产热与住宅用电-用热的匹配性能降低。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于全热交换器和热泵技术的燃料电池热回收及供热系统。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种燃料电池高效热回收及供热系统，尤其能够高效回收50℃以下低温区的余热，提高燃料电池整体余热回收效率，提高产热温度，取消电辅热技术，简化供热系统；同时利用此回收余热的供热系统供热性能稳定，解决住宅用能波动性大导致供热不稳定的问题，提高燃料电池的发电-产热与住宅用电-用热的匹配性能。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于全热交换器和热泵技术的燃料电池热回收及供热系统。

本发明通过以下技术方案实现：基于全热交换器和热泵技术的燃料电池热回收及供热系统，包括燃料电池系统、电堆余热回收系统、乏气回收系统、全热交换器、第一蒸发器、第二蒸发器、压缩机、供热系统、热泵工质、热泵工质管路、热泵工质膨胀阀及多个管路截止阀，其中，

所述燃料电池系统包括电堆、阴极进气管路、阴极排气管路、阳极氢气入口管路、阳极多余氢气出口管路；所述乏气回收系统包括乏气风道、环境空气补充口、可变风量混合器风管、风机及排气出口；所述供热系统为住宅用供热水系统，或供暖系统，或供热水与供暖综合系统。