一种船用质子交换膜氢燃料电池热电联产系统的制作方法

本发明涉及质子交换膜氢燃料电池，特别涉及一种船用质子交换膜氢燃料电池热电联产系统。

背景技术：

1、能源与环境是目前人类社会面临的主要挑战，清洁能源高效利用技术是实现人类社会可持续发展的重要保障，其中，氢燃料电池特别是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在发电过程中产生大量的热，产热与散热的平衡决定电池的温度，电池对温度的要求很苛刻，只允许稍微偏离设计点的温度，因此，通过热管理系统将电池的温度均匀地控制在设计点温度附近非常重要。

2、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，若能把这部分热量利用起来，可以提高系统的能源利用效率。目前各个公司、研究院开始大力研发质子交换膜燃料电池在船舶上的应用，如何将这部分热量应用于船上生活，具有很高的研究价值。

技术实现思路

1、本发明的主要目的是提出一种船用质子交换膜氢燃料电池热电联产系统，旨在将质子交换膜燃料电池所产生的热量与船上生活相结合，使得热量利用得到最大化，实现提高系统的能源利用效率。

2、为实现上述目的，本发明提出一种船用质子交换膜氢燃料电池热电联产系统，包括：

3、燃料电池热管理系统，所述燃料电池热管理系统依次循环连接有第一换热器的热侧、第一水泵以及电堆总成，所述燃料电池热管理系统中流动有第一液体，所述第一液体用于对所述电堆总成进行冷却；

4、船舶热量利用系统，所述船舶热量利用系统依次循环连接有所述第一换热器的冷侧、船舶设备以及第二水泵，所述船舶热量利用系统中流动有第二液体，所述第二液体用于作为所述船舶设备的热量来源；其中，所述第一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。

5、可选地，所述燃料电池热管理系统包括有第一冷却支路，所述第一冷却支路的输入端设置在所述电堆总成与所述第一水泵之间，所述第一冷却支路的输出端设置在所述电堆总成与所述第一换热器之间；所述第一冷却支路包括并联设置的中冷器以及去离子器，其中所述中冷器设置在所述电堆总成的空气进气支路中，所述第一冷却支路用于对所述中冷器进行降温；所述第一冷却支路还包括有第一水加热器，所述第一水加热器与所述中冷器串联设置。

6、可选地，所述燃料电池热管理系统包括有第二冷却支路，所述第二冷却支路的输入端设置在所述电堆总成与所述第一水泵之间，所述第二冷却支路的输出端设置在所述电堆总成与所述第一换热器之间；所述第二冷却支路依次串设有第二换热器的热侧、空压机以及空压机控制器，其中所述空压机设置在所述电堆总成的空气进气支路中，所述第二冷却支路用于对所述空压机以及所述空压机控制器进行降温；所述第二换热器的冷侧连接有第一供水支路。

7、可选地，所述燃料电池热管理系统包括有第一温度控制支路，所述第一温度控制支路的输入端设置在所述电堆总成与所述第一换热器之间，所述第一温度控制支路的输出端设置在所述第一换热器与第一水泵之间；所述第一温度控制支路中设置有第三换热器的热侧，所述第三换热器的冷侧连接有所述第一供水支路；所述第一温度控制支路的输入端设有第一三通阀。

8、可选地，所述第一供水支路依次串设有第三过滤器、第三水泵以及并联设置的所述第二换热器以及所述第三换热器，所述第一供水支路的输入端以及输出端均连接至大海。

9、可选地，所述燃料电池热管理系统包括有第二温度控制支路，所述第二温度控制支路的输入端设置在所述第一三通阀与所述第一换热器之间，所述第二温度控制支路的输出端设置在所述第一换热器与第一水泵之间；所述第二温度控制支路的输入端设有第二三通阀。

10、可选地，所述燃料电池热管理系统包括有第一稳压支路，所述第一稳压支路的输入端以及输出端分别设置在所述第一换热器的两端，所述第一稳压支路上设置有第一膨胀水箱。

11、可选地，所述船舶设备包括并联设置的暖气设备以及热水储水箱，其中所述暖气设备所在的支路上设有第一电磁阀；所述热水储水箱包括有第一进水接口、第一出水接口、第二进水接口以及第二出水接口，所述第一进水接口以及所述第一出水接口连接所述船舶热量利用系统，所述第二进水接口以及所述第二出水接口连接热水循环回路，所述热水循环回路依次串设有第四水泵以及船上热水设备，以便船上人员通过船上热水设备进行热水使用

12、可选地，所述热水储水箱的内部设有高液位传感器以及低液位传感器，所述热水储水箱包括有第三进水接口，所述第三进水接口连接第二供水支路，所述第二供水支路依次串设有船上淡水源以及第二电磁阀，所述第二电磁阀与所述高液位传感器以及所述低液位传感器电性连接。

13、可选地，所述热水储水箱包括有第四进水接口；所述电堆总成的氢气出气支路经过第一气液分离器进行分离后得到第一分离液体，所述第一分离液体与所述电堆总成的空气出气支路相交于混合室，所述混合室的输出端经过第二气液分离器进行分离后得到第二分离液体，所述第二分离液体注入至所述第四进水接口。

14、与现有技术相比，本发明的有益效果：

15、本发明将燃料电池热管理系统与船舶热量利用系统通过第一换热器相互交联，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换热器与第二液体进行热量交换，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的温度上升以供船舶设备作为热水使用，从而将质子交换膜燃料电池所产生的热量与船上生活相结合，使得热量利用得到最大化，实现提高系统的能源利用效率。

技术特征：

1.一种船用质子交换膜氢燃料电池热电联产系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的船用质子交换膜氢燃料电池热电联产系统，其特征在于：所述燃料电池热管理系统包括有第一冷却支路，所述第一冷却支路的输入端设置在所述电堆总成与所述第一水泵之间，所述第一冷却支路的输出端设置在所述电堆总成与所述第一换热器之间；所述第一冷却支路包括并联设置的中冷器以及去离子器，其中所述中冷器设置在所述电堆总成的空气进气支路中，所述第一冷却支路用于对所述中冷器进行降温；所述第一冷却支路还包括有第一水加热器，所述第一水加热器与所述中冷器串联设置。

3.根据权利要求1所述的船用质子交换膜氢燃料电池热电联产系统，其特征在于：所述燃料电池热管理系统包括有第二冷却支路，所述第二冷却支路的输入端设置在所述电堆总成与所述第一水泵之间，所述第二冷却支路的输出端设置在所述电堆总成与所述第一换热器之间；所述第二冷却支路依次串设有第二换热器的热侧、空压机以及空压机控制器，其中所述空压机设置在所述电堆总成的空气进气支路中，所述第二冷却支路用于对所述空压机以及所述空压机控制器进行降温；所述第二换热器的冷侧连接有第一供水支路。

4.根据权利要求3所述的船用质子交换膜氢燃料电池热电联产系统，其特征在于：所述燃料电池热管理系统包括有第一温度控制支路，所述第一温度控制支路的输入端设置在所述电堆总成与所述第一换热器之间，所述第一温度控制支路的输出端设置在所述第一换热器与第一水泵之间；所述第一温度控制支路中设置有第三换热器的热侧，所述第三换热器的冷侧连接有所述第一供水支路；所述第一温度控制支路的输入端设有第一三通阀。

5.根据权利要求4所述的船用质子交换膜氢燃料电池热电联产系统，其特征在于：所述第一供水支路依次串设有第三过滤器、第三水泵以及并联设置的所述第二换热器以及所述第三换热器，所述第一供水支路的输入端以及输出端均连接至大海。

6.根据权利要求4所述的船用质子交换膜氢燃料电池热电联产系统，其特征在于：所述燃料电池热管理系统包括有第二温度控制支路，所述第二温度控制支路的输入端设置在所述第一三通阀与所述第一换热器之间，所述第二温度控制支路的输出端设置在所述第一换热器与第一水泵之间；所述第二温度控制支路的输入端设有第二三通阀。

7.根据权利要求1所述的船用质子交换膜氢燃料电池热电联产系统，其特征在于：所述燃料电池热管理系统包括有第一稳压支路，所述第一稳压支路的输入端以及输出端分别设置在所述第一换热器的两端，所述第一稳压支路上设置有第一膨胀水箱。

8.根据权利要求1所述的船用质子交换膜氢燃料电池热电联产系统，其特征在于：所述船舶设备包括并联设置的暖气设备以及热水储水箱，其中所述暖气设备所在的支路上设有第一电磁阀；所述热水储水箱包括有第一进水接口、第一出水接口、第二进水接口以及第二出水接口，所述第一进水接口以及所述第一出水接口连接所述船舶热量利用系统，所述第二进水接口以及所述第二出水接口连接热水循环回路，所述热水循环回路依次串设有第四水泵以及船上热水设备。

9.根据权利要求8所述的船用质子交换膜氢燃料电池热电联产系统，其特征在于：所述热水储水箱的内部设有高液位传感器以及低液位传感器，所述热水储水箱包括有第三进水接口，所述第三进水接口连接第二供水支路，所述第二供水支路依次串设有船上淡水源以及第二电磁阀，所述第二电磁阀与所述高液位传感器以及所述低液位传感器电性连接。

10.根据权利要求8所述的船用质子交换膜氢燃料电池热电联产系统，其特征在于：所述热水储水箱包括有第四进水接口；所述电堆总成的氢气出气支路经过第一气液分离器进行分离后得到第一分离液体，所述第一分离液体与所述电堆总成的空气出气支路相交于混合室，所述混合室的输出端经过第二气液分离器进行分离后得到第二分离液体，所述第二分离液体注入至所述第四进水接口。

技术总结
本发明涉及质子交换膜氢燃料电池技术领域，具体公开了一种船用质子交换膜氢燃料电池热电联产系统，包括燃料电池热管理系统，所述燃料电池热管理系统依次循环连接有第一换热器的热侧、第一水泵以及电堆总成，所述燃料电池热管理系统中流动有第一液体，所述第一液体用于对所述电堆总成进行冷却；船舶热量利用系统，所述船舶热量利用系统依次循环连接有所述第一换热器的冷侧、船舶设备以及第二水泵，所述船舶热量利用系统中流动有第二液体，所述第二液体用于作为所述船舶设备的热量来源。通过本发明将质子交换膜燃料电池所产生的热量与船上生活相结合，使得热量利用得到最大化，实现提高系统的能源利用效率。

技术研发人员：吴苗丰,郭跃新,付苏明,罗少伟,邓赛赛,陈海江,伍玉龙
受保护的技术使用者：深圳市氢蓝时代动力科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12