一种采用热泵回收热量的氢能综合利用系统及其运行方法

技术领域

本发明涉及热泵技术领域，尤其涉及一种采用热泵回收热量的氢能综合利用系统及其运行方法。

背景技术

热泵是一种充分利用低品位热能的高效节能装置，热泵技术是一种以较少的电能为代价，从低温热源吸热，产生数倍热能回报效益的高效能源转换装置。氢燃料电池是一种将氢气和氧化剂中的化学能通过电化学反应转化为电能和热能的装置，去无碳排放，不仅为热泵系统提供全部或部分需要的电能，而且能进一步加热工业用水，提高工业用水进入热泵系统入口端时的温度。

专利文献1(CN114046615A)公开了一种氢燃料电池和热泵互联系统，包括氢燃料电池、热泵等，利用氢燃料电池产生的电能和热能，热能直接用于加热工业用水，电能驱动热泵回收系统废水热源中的热量，间接用于加热工业用水，实现了无碳排放及稍高于传统天然气的经济效益目标，提高了整个系统的综合能源使用效率。

专利文献1的内容是采用氢燃料电池驱动热泵，以回收废水热源中的热量，对于没有低温热源或工业用热需求的应用场景，氢燃料电池运行产生的约占氢化学能50％的热量无法回收利用，氢燃料电池的独立运行将有大量热量损失。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术存在的问题，提出一种采用热泵回收热量的氢能综合利用系统，以实现将氢燃料电池产生的低品位热能通过热泵单元升高温度，为固态储氢单元放氢供热，回收大部分氢燃料电池单元产生的热量，提高能量利用率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种采用热泵回收热量的氢能综合利用系统，包括固态储氢单元、热泵单元、氢燃料电池单元和自动控制单元，所述氢燃料电池单元设置有第一换热器，所述第一换热器的热媒进口和热媒出口分别通过管路与氢燃料电池单元内部的冷却板出口和进口相连接，所述固态储氢单元包括一个以上的储氢模块，所述固态储氢模块内部设置有第二换热器，所述固态储氢单元氢气出口通过管路与氢燃料电池单元氢气入口和外部氢气负载相连接，所述氢燃料电池单元的电源输出端与固态储氢单元的电加热结构和外部电力负载电连，所述热泵单元膨胀阀出口通过管路与第一换热器的冷媒进口相连，所述第一换热器的冷媒出口与热泵单元的压缩机入口相连接，所述热泵单元的压缩机出口通过管路与第二换热器的热媒进口相连，所述热泵单元的膨胀阀入口与第二换热器的热媒出口相连接，所述氢燃料电池单元的电源输出端与热泵单元电连。本发明将固态储氢装置、氢燃料电池和热泵机组耦合在一起，可以进行氢气大规模存储和运输，并且5能够根据负载需要为下游提供电力和氢气，同时该系统耦合了热泵机组，可以将氢燃料电池运行时放出的低温热源提升为高温热源，为固态储氢单元放氢时提供热量，大大提高了氢化学的利用率。

进一步地，所述第二换热器为均匀设置在固态储氢单元内部的热媒通道，热媒通道为上壁板和下壁板为平行的板式结构，上层热媒通道的下壁板和下层热媒通道的上壁板间填充固态储氢材料。固态储氢单元所使用的固态储氢材料通常传热系数不高，将第二换热器的热媒通道均匀布置在固态储氢单元可以提高换热面积，同时保证固态储氢材料各点温度的均匀，使固态储氢单元各处的放氢速度稳定、均匀。

进一步地，所述热媒通道的截面形状为长方形或圆形，长方形和圆形的截面可以使热媒均匀通过通道，传热效果均匀，且制造简单。

进一步地，所述自动控制单元包括控制固态储氢单元的第一子单元、控制氢燃料电池单元的第二子单元和控制热泵单元的第三子单元，第一子单元包括监测及控制固态储氢单元储氢模块的温度、导热油流量及温度、氢气流量及温度、电加热功率的部件；第二子单元包括检测及控制氢燃料电池单元阳极氢气流量、氢气湿度、阴极空气或氧气流量及湿度，氢燃料电池温度、冷却水流量及温度、氢燃料电池输出电量的部件；第三子单元包括监测热泵单元制冷温度、制热温度和导热油流量的部件。自动控制单元自动检测氢燃料电池的运行温度，通过控制热泵单元通往第一换热器的冷媒流量和温度，保持此氢燃料电池运行温度稳定。自动控制单元自动检测固态储氢单元运行温度和氢气流量，通过控制热泵单元通往第二换热器的热媒流量和温度，保持固态储氢单元放氢速度稳定。

进一步地，所述热泵单元为热电热泵或化学热泵。根据固态储氢单元运行温度和现场条件的不同，热泵单元选择采用热电热泵或化学热泵。

本发明的另一个目的还公开了一种采用热泵回收热量的氢能综合利用系统的运行方法，采用上述热泵回收热量的氢能综合利用系统，包括以下步骤：

S1.将界区外氢气通入所述氢燃料电池单元，启动氢燃料电池单元，通过自动控制单元向电力负载和热泵单元分配供电。

S2.启动所述热泵单元，通过自动控制单元调节热泵单元运行功率，并通过所述第一换热器冷媒循环移出氢燃料电池单元运行时放出的热量，使氢燃料电池单元运行温度为稳定在T1；所述T1为氢燃料电池单元稳定运行温度，T1优选为80-90℃；

S3.在维持氢燃料电池单元运行温度为稳定在T1的前提下，通过所述热泵单元将第二换热器热媒温度提升至T2，为固态储氢单元供热；所述T2为固态储氢单元热媒的入口温度，T2优选为300-320℃；

S4.当所述固态储氢单元温度达到T3时，固态储氢单元开始放氢，通过自动控制单元调节供给氢气负载和氢燃料电池单元的氢气流量；所述T3为固态储氢单元起始放氢温度，T3优选为250℃；

S5.逐步退出界区外氢气，完全使用固态储氢单元产生的氢气作为氢燃料电池单元的燃料。

本发明一种采用热泵回收热量的氢能综合利用系统，与现有技术相比较具有以下优点：

1)氢燃料电池运行过程中产生的大部分热量可以通过热泵系统进行回收升温、为固态储氢单元提供放氢所需的热量，大大提高了氢化学能的利用率。

2)本发明通过自动控制单元，自动控制氢燃料电池的运行温度、固态储氢单元的运行温度，并能根据需要自动调节对外输出电力功率和氢气流量，通过对热泵单元的功率控制，最大限度地提高综合换热效率。

附图说明

图1为固态储氢装置、氢燃料电池与热泵机组的耦合系统的工艺流程图；

图2为固态储氢装置俯视剖面图；

图3为固态储氢装置正视剖面图。

1、固态储氢单元；2、第二换热器；3、热泵单元；4、第一换热器；5、氢燃料电池单元；11、热媒进口；12、热媒出口；13、热媒通道。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进一步说明：

实施例1

本实施例公开了一种采用热泵回收热量的氢能综合利用系统，如图1-3所示，包括固态储氢单元1、热泵单元3、氢燃料电池单元5以及自动控制单元，所述氢燃料电池单元设置有第一换热器4，所述第一换热器4的热媒进口和热媒出口分别通过管路与氢燃料电池单元5内部的冷却板出口和进口相连接，所述固态储氢单元1包括一个以上的储氢模块，所述固态储氢模块内部设置有第二换热器2，所述固态储氢单元1通过管路与氢燃料电池单元相连接，所述固态储氢单元1与氢燃料电池单元5电连，所述热泵单元3通过管路分别与第一换热器4的冷媒进口和冷媒出口相连接，所述热泵单元3的压缩机出口通过管路与第二换热器2的热媒进口11相连接，所述热泵单元3的膨胀阀入口和第二换热器2的热媒出口12相连接，所述氢燃料电池单元5与热泵单元3电连。所述第二换热器2为均匀设置在固态储氢单元1内部的热媒通道13。所述热媒通道13的截面形状为长方形，热媒通道13为上壁板和下壁板为平行的板式结构，上层热媒通道的下壁板和下层热媒通道的上壁板之间填充固态储氢材料。所述热泵单元采用热电热泵。

所述自动控制单元包括控制固态储氢单元1的第一子单元、控制氢燃料电池单元5的第二子单元和控制热泵单元3的第三子单元，第一子单元包括监测及控制固态储氢单元1储氢模块的温度、热媒流量及温度、氢气流量及温度、电加热功率的部件，在储氢模块的储氢材料内部设置了多个温度传感器探头，第二换热器热媒人口11和热媒出口12分别设置有流量计，第二换热器的热媒人口11和热媒出口12分别设置有温度传感器，通过温度传感器反馈的温度自动调节第二换热器热媒流量；第二子单元包括检测及控制氢燃料电池单元5阳极氢气流量、氢气湿度、阴极空气或氧气流量及湿度，氢燃料电池温度、冷却水流量及温度、氢燃料电池输出电量的部件，燃料电池的氢气入口管道设置有氢气流量计和湿度计，燃料电池内部设置有温度传感器，燃料电池的冷却水管路设置有流量计，冷却水进口与和出口分别设置有温度传感器，通过燃料电池内部的温度传感器反馈温度自动调节燃料电池冷却水流量；第三子单元包括监测热泵单元3制冷温度、制热温度和导热介质流量的部件，压缩机进口和出口分别设置有温度传感器，膨胀阀进口和出口分别设置有温度传感器，在热泵机组导热介质的管路上设置有压力传感器和流量计，压缩机电机采用变频电机。

系统启动时，首先将界区外氢气通入所述氢燃料电池单元，启动氢燃料电池单元，通过自动控制单元向电力负载和热泵单元分配供电。启动所述热泵单元，通过自动控制单元调节热泵单元运行功率，并通过所述第一换热器冷媒循环移出氢燃料电池单元运行时放出的热量，使氢燃料电池单元运行温度为稳定在90℃。维持氢燃料电池单元运行温度为稳定在90℃，通过所述热泵单元将第二换热器热媒温度提升至320℃，为固态储氢单元供热。当所述固态储氢单元温度达到250℃时，固态储氢单元开始放氢，自动控制单元调节固态储氢单元温度维持在250℃～300℃，维持供给氢气负载和氢燃料电池单元的氢气流量稳定。逐步退出界区外氢气，完全使用固态储氢单元产生的氢气作为氢燃料电池单元的燃料。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。