本發(fā)明涉及電池領(lǐng)域，具體而言，涉及一種電池系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)需要以氫氣作為反應(yīng)原料。目前，一般采用高壓儲氫的方式，然而，其放電的可持續(xù)性受儲氫裝置的規(guī)模限制，需定期補(bǔ)充氫氣燃料?，F(xiàn)有技術(shù)也有一些用于提供氫氣燃料其他方法：例如，方法一，用重整器將富氫燃料轉(zhuǎn)化為氫氣提供給燃料電池作為燃料，但存在以下問題，重整器需要消耗額外電力及造成熱量能量損耗，重整器需要脫硫脫一氧化碳造成其系統(tǒng)極為復(fù)雜昂貴；方法二，使用市電作為能量來源通過電解電堆制氫，以提供燃料電池作為燃料，但該系統(tǒng)分別包含電解電堆與燃料電池堆，系統(tǒng)集成性較低，造成可靠性不足；不涉及系統(tǒng)中水的循環(huán)利用，系統(tǒng)可持續(xù)性不足；不涉及系統(tǒng)能量的綜合管理，使用市電作為能量主要來源經(jīng)過二次轉(zhuǎn)換，造成能量效率較低。

針對相關(guān)技術(shù)中質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的能量利用效率低的問題，目前尚未提出有效的解決方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于提供一種電池系統(tǒng)，以解決相關(guān)技術(shù)中質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的能量利用效率低的問題。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：電解單元，用于電解水產(chǎn)生氫氣和氧氣，其中所述氫氣和所述氧氣中混有水蒸氣；燃料電池單元，與所述電解單元相連，利用空氣和所述電解單元產(chǎn)生的所述氫氣的反應(yīng)產(chǎn)生熱能；第一換熱單元，所述電解單元產(chǎn)生的氫氣和/或氧氣通過所述第一換熱單元以利用所述第一換熱單元吸收所述氫氣和/或所述氧氣中的熱量并將所述水蒸氣液化成冷卻水；熱用戶單元，與所述第一換熱單元相連以回收利用所述第一換熱單元產(chǎn)生的熱量。

進(jìn)一步地，所述電池系統(tǒng)還包括冷卻水回收管線，所述冷卻水回收管線連接所述第一換熱單元和所述電解單元，將所述第一換熱單元產(chǎn)生的所述冷卻水輸送至所述電解單元為所述電解單元提供電解水。

進(jìn)一步地，所述電池系統(tǒng)還包括冷卻水儲存單元，設(shè)置在所述冷卻水回收管線上。

進(jìn)一步地，所述冷卻水儲存單元為恒溫水箱。

進(jìn)一步地，所述第一換熱單元包括第一換熱器，所述第一換熱器設(shè)置在所述電解單元與所述燃料電池單元之間，用于吸收所述電解單元產(chǎn)生的所述氫氣中的熱量以將所述氫氣中的水蒸氣冷卻為冷卻水；所述電池系統(tǒng)還包括第一汽水分離器，第一汽水分離器設(shè)置在所述第一換熱器與所述燃料電池單元之間，并且與所述冷卻水儲存單元相連，用于將經(jīng)過所述第一換熱器之后的所述氫氣中的所述冷卻水分離出來，將所述冷卻水輸送至所述冷卻水儲存單元。

進(jìn)一步地，所述第一換熱單元包括第二換熱器，所述第二換熱器設(shè)置在所述電解單元與所述冷卻水儲存單元之間，用于吸收所述電解單元產(chǎn)生的氧氣中的熱量以將所述氧氣中的水蒸氣冷卻為冷卻水；所述電池系統(tǒng)還包括第二汽水分離器，所述第二汽水分離器設(shè)置在所述第二換熱器與所述冷卻水儲存單元之間，用于將經(jīng)過所述第二換熱器之后的所述氧氣中的冷卻水分離出來，并將所述冷卻水輸送至所述冷卻水儲存單元。

進(jìn)一步地，所述燃料電池單元產(chǎn)生的陽極尾氣和/或陰極尾氣中具有水蒸氣，所述電池系統(tǒng)還包括第二換熱單元，所述陽極尾氣和/或所述陰極尾氣通過所述第二換熱單元以利用所述第二換熱單元吸收所述陽極尾氣和/或陰極尾氣中的熱量并將其中的所述水蒸氣液化成冷卻水，所述熱用戶單元與所述第二換熱單元相連以回收利用所述第二換熱單元產(chǎn)生的熱量。

進(jìn)一步地，所述第二換熱單元包括第三換熱器，與所述燃料電池單元連接，用于吸收所述燃料電池單元產(chǎn)生的陽極尾氣中的熱量；所述電池系統(tǒng)還包括：第三汽水分離器，與所述第三換熱器連接，用于將經(jīng)過所述第三換熱器之后的所述陽極尾氣中的水分分離，將分離出的水分輸送至所述冷卻水儲存單元。

進(jìn)一步地，所述第二換熱單元包括：第四換熱器，與所述燃料電池單元連接，用于吸收所述燃料電池單元產(chǎn)生的陰極尾氣中的熱量；所述電池系統(tǒng)還包括：第四汽水分離器，與所述第四換熱器連接，用于將經(jīng)過所述第四換熱器之后的所述陰極尾氣中的水分分離，將分離出的水分輸送至所述冷卻水儲存單元。

進(jìn)一步地，所述第一換熱單元還包括：第五換熱器，與所述電解單元連接，用于吸收所述電解單元釋放的熱量；所述第二換熱單元還包括：第六換熱器，與所述燃料電池單元連接，用于吸收所述燃料電池單元釋放的熱量。

進(jìn)一步地，所述系統(tǒng)還包括：第一液體泵，與所述冷卻水儲存單元和所述電解單元連接，用于將所述冷卻水儲存單元中的水輸送到所述電解單元中；第二液體泵，與所述冷卻水儲存單元和所述燃料電池單元連接，用于將所述冷卻水儲存單元中的水輸送至所述燃料電池單元處，為所述燃料電池單元提供冷卻水。

進(jìn)一步地，所述第五換熱器中有冷卻水，所述系統(tǒng)的工作模式包括電解制氫模式和燃料電池發(fā)電模式，在所述電解制氫模式下，所述第五換熱器中的冷卻水流量Q_w通過以下公式計(jì)算：

$Q_w=\frac{n_{\_cell\_EC}\·(V_{EC}-1.44)\·I_{EC}}{{\mathrm{\ρ}}_w\·C_w\·(T_{EC}-T_{HE3}-T_0)}$

其中，ρ_w為水的密度，C_w為水的比熱容，T_EC為工作溫度，T_HE3為第五熱交換器的冷熱流之間最低溫差，T₀為冷卻水的溫度，n_cell__EC為所述電解單元中電解單元的節(jié)數(shù)，V_EC為每節(jié)電解單元的工作電壓，I_EC為所述電解單元的工作電流。

進(jìn)一步地，所述第六換熱器中有冷卻水，所述電池系統(tǒng)的工作模式包括電解制氫模式和燃料電池發(fā)電模式，在所述燃料電池發(fā)電模式下，所述第六換熱器中的冷卻水流量Qw通過以下公式計(jì)算：

$Q_w=\frac{n_{\_cell\_FC}\·(1.44-V_{FC})\·I_{FC}}{{\mathrm{\ρ}}_w\·C_w\·(T_{FC}-T_{HE6}-T_0)}$

其中，ρ_w為水的密度，C_w為水的比熱容，T_FC為工作溫度，T_HE6為第六熱交換器的冷熱流之間最低溫差，T₀為冷卻水的溫度，n_cell__FC為所述燃料電池單元中燃料電池的節(jié)數(shù)，V_FC為每節(jié)燃料電池的工作電壓，I_FC為所述燃料電池的工作電流。

進(jìn)一步地，所述第三汽水分離器具有氣體出口和冷卻水出口，所述冷卻水出口與所述冷卻水儲存單元相連，所述電池系統(tǒng)還包括：燃燒器，與所述第三汽水分離器的所述氣體出口相連，具有產(chǎn)物出口；第七換熱器，與所述燃燒器的所述產(chǎn)物出口連接。

進(jìn)一步地，所述系統(tǒng)的工作模式包括電解制氫模式和燃料電池發(fā)電模式，在所述電解制氫模式下，所述燃燒器的燃燒供氫量QH通過以下公式計(jì)算：

$Q_H=\frac{Q_0\·{\mathrm{\ρ}}_w\·C_w\·(T_{xhot}-T_8)}{E_H\·{\mathrm{\η}}_{HE7}}$

其中，Q₀為用戶用水需求量，ρ_w為水的密度，C_w為水的比熱容，T_xhot為所述燃燒器出口處高溫?zé)崴涞脑O(shè)定溫度，T8為所述燃燒器入口處的中溫?zé)崴涞膶?shí)時(shí)監(jiān)測溫度，E_H為氫氣熱值，η_HE7為燃燒器與所述第七換熱器的熱能效率。

本發(fā)明通過電解單元，用于電解水產(chǎn)生氫氣和氧氣，其中所述氫氣和所述氧氣中混有水蒸氣；燃料電池單元，與所述電解單元相連，利用空氣和所述電解單元產(chǎn)生的所述氫氣的反應(yīng)產(chǎn)生熱能；第一換熱單元，所述電解單元產(chǎn)生的氫氣和/或氧氣通過所述第一換熱單元以利用所述第一換熱單元吸收所述氫氣和/或所述氧氣中的熱量并將所述水蒸氣液化成冷卻水；熱用戶單元，與所述第一換熱單元相連以回收利用所述第一換熱單元產(chǎn)生的熱量，由于采用了第一換熱單元吸收電解電堆和燃料電池管道中的汽水混合物的熱量，對能量進(jìn)行回收，解決了相關(guān)技術(shù)中質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的能量利用效率低的問題，進(jìn)而達(dá)到了對熱量進(jìn)行回收以提高能量利用效率的效果。

附圖說明

構(gòu)成本申請的一部分的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的電池系統(tǒng)的示意圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的電池系統(tǒng)的示意圖；

圖3是根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的電池系統(tǒng)的示意圖；

圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的熱水供給示意圖；以及

圖5是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的換熱子系統(tǒng)示意圖。

具體實(shí)施方式

需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例來詳細(xì)說明本發(fā)明。

為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本申請方案，下面將結(jié)合本申請實(shí)施例中的附圖，對本申請實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本申請一部分的實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本申請中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本申請保護(hù)的范圍。

需要說明的是，本申請的說明書和權(quán)利要求書及上述附圖中的術(shù)語“第一”、“第二”等是用于區(qū)別類似的對象，而不必用于描述特定的順序或先后次序。應(yīng)該理解這樣使用的數(shù)據(jù)在適當(dāng)情況下可以互換，以便這里描述的本申請的實(shí)施例。此外，術(shù)語“包括”和“具有”以及他們的任何變形，意圖在于覆蓋不排他的包含，例如，包含了一系列步驟或單元的過程、方法、系統(tǒng)、產(chǎn)品或設(shè)備不必限于清楚地列出的那些步驟或單元，而是可包括沒有清楚地列出的或?qū)τ谶@些過程、方法、產(chǎn)品或設(shè)備固有的其它步驟或單元。

本發(fā)明實(shí)施例提供了一種電池系統(tǒng)。

圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的電池系統(tǒng)的示意圖，如圖1所示，該系統(tǒng)包括：

電解單元10，用于電解水產(chǎn)生氫氣和氧氣，其中氫氣和氧氣中混有水蒸氣。

燃料電池單元20，與電解單元10相連，利用空氣和電解單元10產(chǎn)生的氫氣的反應(yīng)產(chǎn)生熱能。

第一換熱單元30，電解單元10產(chǎn)生的氫氣和/或氧氣通過第一換熱單元以利用第一換熱單元30吸收氫氣和/或氧氣中的熱量并將水蒸氣液化成冷卻水。

熱用戶單元40，與第一換熱單元30相連以回收利用第一換熱單元30產(chǎn)生的熱量。

熱用戶單元40可以是需要使用熱量的裝置，第一換熱單元30可以將熱量輸送至熱用戶單元以實(shí)現(xiàn)熱量的回收利用。

該實(shí)施例通過模塊化設(shè)計(jì)燃料電池與電解制氫的一體化系統(tǒng)，并將系統(tǒng)中各個(gè)發(fā)熱模塊的熱量通過多個(gè)換熱器進(jìn)行熱量回收，同時(shí)將系統(tǒng)中各個(gè)模塊產(chǎn)生的液態(tài)水進(jìn)行回收并用于系統(tǒng)自身用水(如電解用水等)，解決了相關(guān)技術(shù)中質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的能量利用效率低的問題，從而提高系統(tǒng)運(yùn)行的可持續(xù)性與系統(tǒng)能量效率；設(shè)計(jì)一體化恒溫水箱，減少系統(tǒng)部件數(shù)量，降低成本，提高系統(tǒng)集成度與可靠性，提高充電與放電模式的切換速率，同時(shí)提高一體化系統(tǒng)的熱效率與總能量效率；為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)供熱品質(zhì)，通過多模塊的換熱子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制，實(shí)現(xiàn)可控溫的熱水供給，進(jìn)而達(dá)到了對熱量進(jìn)行回收以提高能量利用效率的效果。

可選地，電池系統(tǒng)還包括冷卻水回收管線，冷卻水回收管線連接第一換熱單元30和電解單元10，將第一換熱單元30產(chǎn)生的冷卻水輸送至電解單元10為電解單元10提供電解水。

可選地，電池系統(tǒng)還包括冷卻水儲存單元，設(shè)置在冷卻水回收管線上。

可選地，冷卻水儲存單元為恒溫水箱。

可選地，第一換熱單元30包括第一換熱器，第一換熱器設(shè)置在電解單元10與燃料電池單元20之間，用于吸收電解單元10產(chǎn)生的氫氣中的熱量以將氫氣中的水蒸氣冷卻為冷卻水；電池系統(tǒng)還包括第一汽水分離器，第一汽水分離器設(shè)置在第一換熱器與燃料電池單元20之間，并且與冷卻水儲存單元相連，用于將經(jīng)過第一換熱器之后的氫氣中的冷卻水分離出來，將冷卻水輸送至冷卻水儲存單元。

可選地，第一換熱單元30包括第二換熱器，第二換熱器設(shè)置在電解單元10與冷卻水儲存單元之間，用于吸收電解單元10產(chǎn)生的氧氣中的熱量以將氧氣中的水蒸氣冷卻為冷卻水；電池系統(tǒng)還包括第二汽水分離器，第二汽水分離器設(shè)置在第二換熱器與冷卻水儲存單元之間，用于將經(jīng)過第二換熱器之后的氧氣中的冷卻水分離出來，并將冷卻水輸送至冷卻水儲存單元。

可選地，燃料電池單元20產(chǎn)生的陽極尾氣和/或陰極尾氣中具有水蒸氣，電池系統(tǒng)還包括第二換熱單元，陽極尾氣和/或陰極尾氣通過第二換熱單元以利用第二換熱單元吸收陽極尾氣和/或陰極尾氣中的熱量并將其中的水蒸氣液化成冷卻水，熱用戶單元40與第二換熱單元相連以回收利用第二換熱單元產(chǎn)生的熱量。

可選地，第二換熱單元包括第三換熱器，與燃料電池單元20連接，用于吸收燃料電池單元20產(chǎn)生的陽極尾氣中的熱量；電池系統(tǒng)還包括：第三汽水分離器，與第三換熱器連接，用于將經(jīng)過第三換熱器之后的陽極尾氣中的水分分離，將分離出的水分輸送至冷卻水儲存單元。

可選地，第二換熱單元包括：第四換熱器，與燃料電池單元20連接，用于吸收燃料電池單元20產(chǎn)生的陰極尾氣中的熱量；電池系統(tǒng)還包括：第四汽水分離器，與第四換熱器連接，用于將經(jīng)過第四換熱器之后的陰極尾氣中的水分分離，將分離出的水分輸送至冷卻水儲存單元。

可選地，第一換熱單元30還包括：第五換熱器，與電解單元10連接，用于吸收電解單元10釋放的熱量；第二換熱單元還包括：第六換熱器，與燃料電池單元20連接，用于吸收燃料電池單元20釋放的熱量。

可選地，系統(tǒng)還包括：第一液體泵，與冷卻水儲存單元和電解單元10連接，用于將冷卻水儲存單元中的水輸送到電解單元10中；第二液體泵，與冷卻水儲存單元和燃料電池單元20連接，用于將冷卻水儲存單元中的水輸送至燃料電池單元20處，為燃料電池單元20提供冷卻水。

可選地，第五換熱器中有冷卻水，系統(tǒng)的工作模式包括電解制氫模式和燃料電池發(fā)電模式，在電解制氫模式下，第五換熱器中的冷卻水流量Q_w通過以下公式計(jì)算：

$Q_w=\frac{n_{\_cell\_EC}\·(V_{EC}-1.44)\·I_{EC}}{{\mathrm{\ρ}}_w\·C_w\·(T_{EC}-T_{HE3}-T_0)}$

其中，ρ_w為水的密度，C_w為水的比熱容，T_EC為工作溫度，T_HE3為第五熱交換器的冷熱流之間最低溫差，T₀為冷卻水的溫度，n_{_cell_EC}為電解單元10中電解單元10的節(jié)數(shù)，V_EC為每節(jié)電解單元10的工作電壓，I_EC為電解單元10的工作電流。

可選地，第六換熱器中有冷卻水，電池系統(tǒng)的工作模式包括電解制氫模式和燃料電池發(fā)電模式，在燃料電池發(fā)電模式下，第六換熱器中的冷卻水流量Q_w通過以下公式計(jì)算：

$Q_w=\frac{n_{\_cell\_FC}\·(1.44-V_{FC})\·I_{FC}}{{\mathrm{\ρ}}_w\·C_w\·(T_{FC}-T_{HE6}-T_0)}$

其中，ρ_w為水的密度，C_w為水的比熱容，T_FC為工作溫度，T_HE6為第六熱交換器的冷熱流之間最低溫差，T₀為冷卻水的溫度，n_{_cell_FC}為燃料電池單元20中燃料電池的節(jié)數(shù)，V_FC為每節(jié)燃料電池的工作電壓，I_FC為燃料電池的工作電流。

可選地，第三汽水分離器具有氣體出口和冷卻水出口，冷卻水出口與冷卻水儲存單元相連，電池系統(tǒng)還包括：燃燒器，與第三汽水分離器的氣體出口相連，具有產(chǎn)物出口；第七換熱器，與燃燒器的產(chǎn)物出口連接。

可選地，系統(tǒng)的工作模式包括電解制氫模式和燃料電池發(fā)電模式，在電解制氫模式下，燃燒器的燃燒供氫量Q_H通過以下公式計(jì)算：

$Q_H=\frac{Q_0\·{\mathrm{\ρ}}_w\·C_w\·(T_{xhot}-T_8)}{E_H\·{\mathrm{\η}}_{HE7}}$

其中，Q₀為用戶用水需求量，ρ_w為水的密度，C_w為水的比熱容，T_xhot為燃燒器出口處高溫?zé)崴涞脑O(shè)定溫度，T₈為燃燒器入口處的中溫?zé)崴涞膶?shí)時(shí)監(jiān)測溫度，E_H為氫氣熱值，η_HE7為燃燒器與第七換熱器的熱能效率。

下面結(jié)合具體的實(shí)施方式對本發(fā)明實(shí)施例的電池系統(tǒng)進(jìn)一步說明：

圖2是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的電池系統(tǒng)的示意圖，該電池系統(tǒng)為電解制氫-燃料電池一體化熱電聯(lián)供系統(tǒng)，如圖2所示，001為輸入電能，為電網(wǎng)谷期的電能或者太陽能風(fēng)能等新能源余裕電能，在系統(tǒng)充電期間作為輸入能量；002為燃料電池輸出電能，在系統(tǒng)放電時(shí)的輸出電能；在系統(tǒng)充電或放電期間均能產(chǎn)生熱能，則通過熱交換子系統(tǒng)進(jìn)行熱能回收，并通過熱水的形式向用戶提供熱能，HE1～HE7表示熱交換器。其中，HE1為第一換熱器，HE2是第二換熱器，HE5是第三換熱器，HE4是第四換熱器，HE3是第五換熱器，HE6是第六換熱器，HE7為第七換熱器，燃料電池單元可以是燃料電池電堆，電解單元可以是電解電堆。

101～107為氫氣側(cè)氣體流程，其中，101為電解電堆通過電解水產(chǎn)生的氫氣(含有一定水蒸氣)；102為冷凝脫水后的氫氣，冷凝放熱通過HE1進(jìn)行熱量回收，冷凝水402回收至一體化恒溫水箱；103為氫氣瓶輸出的氫氣供燃料電池反應(yīng)；104為經(jīng)過燃料電池反應(yīng)后的剩余氫氣(含有一定水蒸氣)，冷凝放熱通過HE5進(jìn)行熱量回收，冷凝水405回收至一體化恒溫水箱；105為冷凝脫水后的剩余氫氣并經(jīng)過燃燒器燃燒放熱，燃燒尾氣106的熱量通過HE7進(jìn)行回收；107為由儲氫罐直接供氫給燃燒器燃燒的氫氣路線。

201～202為電解制氫的氧氣側(cè)氣體流程，其中，201為電解電堆通過電解水產(chǎn)生的氧氣(含有一定水蒸氣)；202為冷凝脫水后的氧氣，冷凝放熱通過HE2進(jìn)行熱量回收，冷凝水403回收至一體化恒溫水箱。電解過程產(chǎn)生的氧氣可排放至大氣中，也可經(jīng)壓縮機(jī)增壓存儲于氧氣儲存瓶作為副產(chǎn)品。

301～304為燃料電池空氣側(cè)氣體流程，其中，301為環(huán)境空氣，經(jīng)過濾(圖中未顯示)、增壓傳輸(302)至燃料電池進(jìn)行反應(yīng)；303為經(jīng)燃料電池反應(yīng)發(fā)電后剩余的空氣(含有一定水蒸氣)，冷凝放熱通過HE4進(jìn)行熱量回收，冷凝水406回收至一體化恒溫水箱；304為冷凝脫水后的剩余空氣，排放尾氣。

401～408為液態(tài)水流程，包括電解反應(yīng)用水、冷卻水、以及水蒸氣冷凝水等。(注：401～408表示的液態(tài)水流程均為蒸餾水或去離子水等，可直接用于電解用水或者燃料電池的冷卻用水；區(qū)別于用戶使用的熱水源，比如一般的自來水)其中，401為電解電堆電解水循環(huán)回路，電解所需的水由一體化恒溫水箱內(nèi)部的去離子水提供，電解電堆反應(yīng)產(chǎn)生的熱量回收至HE3；402為氫氣的冷凝水，回收至一體化恒溫水箱；403為氧氣的冷凝水，回收至一體化恒溫水箱；404為燃料電池冷卻水回路，一體化恒溫水箱也作為冷卻水循環(huán)水箱，燃料電池電堆反應(yīng)產(chǎn)生的熱量回收至HE6；405為燃料電池陽極尾氣冷凝水，回收至一體化恒溫水箱；406為燃料電池陰極尾氣冷凝水，回收至一體化恒溫水箱；407為外部去離子水源供水；408為水箱溢滿時(shí)向外部排水。

該系統(tǒng)中的燃料電池采用具備一定自加濕能力的電池堆，因此在系統(tǒng)沒有采用加濕器部件，自加濕電堆的輸出性能略低于帶有外加濕器的普通電堆性能，但采用自加濕電堆的系統(tǒng)省去了加濕器部件及其換熱換水過程，并提高了系統(tǒng)整體熱交換模塊的換熱效率、集成度、可控性。

圖3是根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的電池系統(tǒng)的示意圖，如圖3所示，E1～E7分別為系統(tǒng)中相應(yīng)部件釋放的熱量，E1、E2分別為電解產(chǎn)生的氫氣與氧氣中水蒸氣冷凝時(shí)釋放的熱量，分別回收至熱交換器HE1與HE2；E3為電解電堆在電解水反應(yīng)過程釋放的熱量，回收至熱交換器HE3；E5、E4分別為陽極與陰極尾氣中水蒸氣冷凝時(shí)釋放的熱量，分別回收至熱交換器HE5與HE4；E6為燃料電池反應(yīng)放熱，回收至熱交換器HE6；E7為燃料電池陽極尾氣剩余氫氣經(jīng)燃燒釋放的熱量，回收至熱交換器HE7。熱交換器HE1～HE7回收的熱量通過冷水流進(jìn)行熱交換，分別將熱能XE1～XE7釋放給冷水流使其升溫，最終向用戶提供所需溫度的熱水水源。

圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的熱水供給示意圖，圖5是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的換熱子系統(tǒng)示意圖，在圖2與圖3中主要給出電池系統(tǒng)的示意圖，并沒有顯示冷水流的實(shí)際換熱方式，在圖4與圖5中主要描述冷水流的換熱方式與控制策略。其中，HE1～HE7為熱交換器，T0～T9分別為各個(gè)階段冷水流的溫度，實(shí)線為冷流，虛線為熱流。

如圖4所示，當(dāng)一體化系統(tǒng)處于充電狀態(tài)(即電解制氫狀態(tài))，冷水源501(溫度T0)通過502進(jìn)入HE1進(jìn)行熱交換(其熱源為電解水產(chǎn)生的氫氣101(含有一定水蒸氣)冷凝脫水的釋放熱量)，溫度提高至T1；隨后，5021進(jìn)入HE2進(jìn)行熱交換(其熱源為電解水產(chǎn)生的氧氣201(含有一定水蒸氣)冷凝脫水的釋放熱量)，溫度提高至T2；隨后，5022進(jìn)入HE3進(jìn)行熱交換(其熱源為電解電堆在電解水反應(yīng)過程釋放的熱量)，溫度提高至T3；隨后，5023進(jìn)入HE7進(jìn)行熱交換(其熱源為氫氣燃燒產(chǎn)生的熱量)，溫度提高至T7，該過程由圖1中的107氫氣供給路線實(shí)現(xiàn)；隨后，504進(jìn)入熱水箱，505為熱水箱對用戶提供的熱水。

如圖5所示，當(dāng)一體化系統(tǒng)處于放電狀態(tài)(即燃料電池發(fā)電狀態(tài))，冷水源501(溫度T0)通過503進(jìn)入HE4進(jìn)行熱交換(其熱源為經(jīng)燃料電池反應(yīng)發(fā)電后剩余的空氣(含有一定水蒸氣)303，經(jīng)冷凝脫水釋放的熱量)，溫度提高至T4；隨后，5031進(jìn)入HE5進(jìn)行熱交換(其熱源為經(jīng)燃料電池反應(yīng)發(fā)電后剩余的氫氣(含有一定水蒸氣)104，經(jīng)冷凝脫水釋放的熱量)，溫度提高至T5；隨后，5032進(jìn)入HE6進(jìn)行熱交換(其熱源為燃料電池發(fā)電過程釋放的熱量)，溫度提高至T6；隨后，5033進(jìn)入HE7進(jìn)行熱交換(其熱源為氫氣燃燒產(chǎn)生的熱量)，溫度提高至T7，該過程由圖1中的105燃料電池出口剩余氫氣的供給路線實(shí)現(xiàn)；隨后，504進(jìn)入熱水箱，505為熱水箱對用戶提供的熱水。

為了獲得可控溫度的熱水源，通過一體化系統(tǒng)的操作參數(shù)，推導(dǎo)出冷水流量從而實(shí)時(shí)控制，同時(shí)控制氫氣燃燒器的供熱量，以供應(yīng)用戶需求溫度的熱水源，同時(shí)最大化系統(tǒng)的能量效率。

設(shè)冷水源的流量為Q_w，用戶設(shè)置熱水箱需求溫度為T_x，水的比熱容為C_w，水的密度為ρ_w。

設(shè)電解制氫電堆的節(jié)數(shù)為n_{_cell_EC}，節(jié)電池工作電壓為V_EC，工作電流為I_EC，工作溫度為T_EC；設(shè)熱交換器HE3的冷熱流之間最低溫差為T_HE3(該值為熱交換器的工作參數(shù)之一，為已知參數(shù))；

設(shè)燃料電池電堆的節(jié)數(shù)為n_{_cell_FC}，節(jié)電池工作電壓為V_FC，工作電流為I_FC，工作溫度為T_FC；設(shè)熱交換器HE6的冷熱流之間最低溫差為T_HE6(該值為熱交換器的工作參數(shù)之一，為已知參數(shù))；

根據(jù)上述工作條件與固有參數(shù)，可推導(dǎo)出一體化系統(tǒng)在電解制氫工作模式下，實(shí)時(shí)所需的冷水流量Qw：

$Q_w=\frac{n_{\_cell\_EC}\·(V_{EC}-1.44)\·I_{EC}}{{\mathrm{\ρ}}_w\·C_w\·(T_{EC}-T_{HE3}-T_0)}---(m^3/s)$

此時(shí)，若用戶需求熱水溫度Tx<T3，則無需通過107額外供氫進(jìn)行燃燒，燃燒器不工作；若用戶需求熱水溫度Tx>T3，則需通過107額外供氫進(jìn)行燃燒，從而提升504水流的溫度T7，直至T7＝Tx。

根據(jù)上述工作條件與固有參數(shù)，可推導(dǎo)出一體化系統(tǒng)在燃料電池發(fā)電工作模式下，實(shí)時(shí)所需的冷水流量Q_w：

$Q_w=\frac{n_{\_cell\_FC}\&CenterDot;(1.44-V_{FC})\&CenterDot;I_{FC}}{{\mathrm{\&rho;}}_w\&CenterDot;C_w\&CenterDot;(T_{FC}-T_{HE6}-T_0)}(m^3/s)$

此時(shí)，燃料電池氫氣尾氣均通過105進(jìn)入燃燒器燃燒，進(jìn)一步將水流溫度T6提升至T7，若用戶需求熱水溫度Tx<T7，則用戶取水通過熱水箱內(nèi)的熱水與冷源自來水混合至需求的溫度；若用戶需求熱水溫度Tx>T7，則提高燃料電池進(jìn)口處氫氣103的流量，從而提高出口處氫氣燃燒量，從而提升504水流的溫度T7，直至T7＝Tx。

圖4與圖5的設(shè)計(jì)方案在HE1～HE6熱交換模塊區(qū)域類似，在后端通過中溫?zé)崴渑c高溫?zé)崴涞呐浜?，?shí)現(xiàn)更為靈活的熱水供應(yīng)。其中，電解制氫模式下產(chǎn)生的熱水5023與燃料電池發(fā)電模式下產(chǎn)生的熱水5033，均通入中溫?zé)崴?，其?shí)時(shí)溫度為T8，該溫度一般略低于燃料電池與電解制氫電堆的工作溫度；中溫水箱的部分水504，通過氫氣燃燒與HE7換熱升溫至T9，形成505，并通入高溫?zé)崴洹?/p>

設(shè)T8為中溫?zé)崴涞膶?shí)時(shí)監(jiān)測溫度，Txhot為高溫?zé)崴涞挠脩粼O(shè)置溫度。高溫?zé)崴鋬?nèi)部水的體積為Vhot，Vhot處于V1與V2之間。一般V1取水箱容積的20％～25％，V2取水箱容積的90％～95％。

當(dāng)一體化系統(tǒng)處于充電狀態(tài)(即電解制氫狀態(tài))：

若V_hot<V1，則接入107額外供氫燃燒，根據(jù)用戶用水需求量Q₀推導(dǎo)出所需的燃燒供氫量Q_H；

$Q_H=\frac{Q_0\&CenterDot;{\mathrm{\&rho;}}_w\&CenterDot;C_w\&CenterDot;(T_{xhot}-T_8)}{E_H\&CenterDot;{\mathrm{\&eta;}}_{HE7}}(kg/s)$

其中，E_H為氫氣熱值，η_HE7為燃燒器與熱交換器HE7的熱能效率。

若V_hot>V1，則無需進(jìn)行額外供氫燃燒。

當(dāng)一體化系統(tǒng)處于放電狀態(tài)(即燃料電池發(fā)電狀態(tài))，通過燃料電池出口處氫氣105進(jìn)入燃燒器燃燒，進(jìn)一步將水流溫度T8提升至T9，若T9<Txhot，則降低中溫?zé)崴渲粮邷責(zé)崴涞乃魉俣龋敝罷9＝Txhot。若Vhot>V2，則停止燃料電池出口氫氣的燃燒，同時(shí)停止熱水由中溫?zé)崴渲粮邷責(zé)崴涞墓┧?，燃料電池出口氫氣直接排放?/p>

通過上述的本發(fā)明實(shí)施例的電池系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)電解制氫和燃料電池的一體化聯(lián)供，通過多個(gè)換熱模塊換熱，采用熱水供給系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及控制策略控制，能夠?yàn)橛脩敉瑫r(shí)提供穩(wěn)定的電能(平穩(wěn)的功率輸出)，同時(shí)在保證高效的能量利用效率(熱電聯(lián)供效率)的前提下，提供可控溫的優(yōu)質(zhì)熱水源；系統(tǒng)集成度更高，省去了多個(gè)熱交換模塊、水箱、水泵及其控制部件，同時(shí)降低了成本；一體化恒溫水箱的存在能夠大幅提高系統(tǒng)充電與放電運(yùn)行模式的切換速度；系統(tǒng)可持續(xù)性高，無需定期更換氫氣瓶；系統(tǒng)可持續(xù)性高，充放電過程中各模塊產(chǎn)生的水，實(shí)現(xiàn)最大限度的能量回收利用。

在本發(fā)明的上述實(shí)施例中，對各個(gè)實(shí)施例的描述都各有側(cè)重，某個(gè)實(shí)施例中沒有詳述的部分，可以參見其他實(shí)施例的相關(guān)描述。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。