CN106642802A - 一种质子交换膜燃料电池驱动的高温热泵热水系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池驱动的高温热泵热水系统，包括质子交换膜燃料电池系统和高温热泵系统，所述高温热泵系统包括直流制冷压缩机、蒸发器、节流元件、冷凝器、热水箱和热水循环泵，所述质子交换膜燃料电池系统产生直流电，所述直流电被转换成稳定直流电，所述稳定直流电驱动直流制冷压缩机运转，所述直流制冷压缩机、蒸发器、节流元件和冷凝器依次连通构成制冷剂回路，所述热水箱通过热水循环泵与冷凝器连通构成热水回路。本发明能充分利用燃料电池的电能和热能，而得到远高于质子交换膜燃料电池余热温度的高温热水，可应于需要高温供热或采暖的场合，使质子交换膜燃料电池余热的利用价值提高，综合经济效益更高。

Description

一种质子交换膜燃料电池驱动的高温热泵热水系统
技术领域
本发明涉及氢燃料电池技术，尤其涉及质子交换膜燃料电池驱动的高温热泵热水系统。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有效率高、工作温度低的特点，是目前应用最为广泛的燃料电池类型。PEMFC的实用效率约为50％左右，即输入燃料电池的氢能只有50％能转化成电能，剩下的50％能量都以热量的形式排放掉了。
在远离电网但氢气来源较丰富的地区，可以考虑利用氢燃料电池的余热来制取热水。但由于PEMFC工作温度较低的特点，正常工作温度约为50～65℃，若以PEMFC的余热作为热源，直接加热热水，热水的温度一般不能超过65℃，在需要高温热水的场合受到限制。
此外，若以PEMFC发的电带动电加热器的方式，虽可以得到高温热水(≤100℃)，但是此种加热方式效率较低(因电热的效率始终小于1)，考虑到PEMFC的效率约为0.5，因此这种加热方式的综合效率小于0.5。
发明内容
有鉴于此，本发明的实施例提供了能充分利用燃料电池的电能和热能；并能高效率制取热水的质子交换膜燃料电池驱动的高温热泵热水系统。
本发明的实施例提供一种质子交换膜燃料电池驱动的高温热泵热水系统，包括质子交换膜燃料电池系统和高温热泵系统，所述高温热泵系统包括直流制冷压缩机、蒸发器、节流元件、冷凝器、热水箱和热水循环泵，所述质子交换膜燃料电池系统产生直流电，所述直流电被转换成稳定直流电，所述稳定直流电驱动直流制冷压缩机运转，所述直流制冷压缩机、蒸发器、节流元件和冷凝器依次连通构成制冷剂回路，所述热水箱通过热水循环泵与冷凝器连通构成热水回路。
进一步，所述质子交换膜燃料电池系统包括氢气供应回路、空气供应回路、质子交换膜燃料电池电堆和直流-直流变换器，所述氢气供应回路和空气供应回路均连接质子交换膜燃料电池电堆，所述氢气供应回路供应氢气，所述空气供应回路供应空气，氢气和空气中的氧气在质子交换膜燃料电池电堆中发生反应生成直流电，所述直流-直流变换器将直流电转换成稳定直流电，反应后剩余的微量氢气经第一电磁阀排出到空气中，反应后的空气乏气排放到空气中。
进一步，所述氢气供应回路包括高压储氢容器、减压阀、单向阀、手动截止阀和防爆电磁阀，所述高压储氢容器、减压阀、单向阀、手动截止阀和防爆电磁阀依次连接，氢气从高压储氢容器出来，依次经过减压阀、单向阀、手动截止阀和防爆电磁阀进入质子交换膜燃料电池电堆；所述空气供应回路包括空气滤清器、消音器和空气压缩机，所述空气滤清器、消音器和空气压缩机依次连接，空气经过空气滤清器、消音器处理后进入空气压缩机，所述空气压缩机将空气升压，并送入质子交换膜燃料电池电堆。
进一步，所述直流制冷压缩机将制冷剂气体压缩为高温高压气体，所述高温高压气进入冷凝器，所述热水箱中的水通过热水循环泵流向冷凝器中，所述高温高压气向冷凝器中的水放热冷凝成高温高压液体，同时，所述冷凝器中的水被加热逆流回热水箱实现热水输出，所述高温高压液体流经节流元件变为低温低压的气液混合物，所述气液混合物流入蒸发器，所述气液混合物在蒸发器中再次蒸发为制冷剂气体，所述直流制冷压缩机的吸气口将制冷剂气体吸入直流制冷压缩机内，制冷剂气体在直流制冷压缩机内再次被压缩。
进一步，所述制冷剂为高温工质，所述制冷剂的蒸发温度范围为45-65℃，所述制冷剂的冷凝温度范围为85-105℃。
进一步，所述冷凝器是冷媒-水换热器，特别地，是板式换热器、壳管式换热器或套管式换热器，所述节流元件是节流毛细管、热力膨胀阀、电子膨胀阀、节流短管或节流孔板中的任一种。
进一步，所述高温热泵系统还包括干燥过滤器和气液分离器，所述干燥过滤器设在冷凝器和节流元件之间，所述气液分离器设在蒸发器和直流制冷压缩机之间，所述干燥过滤器过滤高温高压液体中的杂质和水分，所述气液分离器将未蒸发的气液混合物进行分离。
进一步，所述质子交换膜燃料电池驱动的高温热泵热水系统还包括散热系统，所述散热系统、质子交换膜燃料电池系统和蒸发器依次连通构成回路，所述散热系统向质子交换膜燃料电池系统供水并让水吸收质子交换膜燃料电池系统的反应热，吸收了质子交换膜燃料电池系统反应热的水从质子交换膜燃料电池系统中流出，并流入蒸发器，向蒸发器传热，水温降低被冷却，再流回散热系统中被进一步冷却，所述散热系统将冷却后的水循环供应给质子交换膜燃料电池系统。
进一步，所述散热系统包括散热器、散热风机、水泵和旁通阀，所述散热风机加速散热器外部空气的对流，所述旁通阀和散热器并联，所述水泵从散热器的底部抽水，并泵入质子交换膜燃料电池系统，所述散热器出口处的水温控制在45-65℃，水温通过散热风机和旁通阀调节，当水温过高时，散热风机的转速加大，同时旁通阀关闭；当水温过低时，散热风机的转速减小，同时旁通阀打开，泵入质子交换膜燃料电池系统中的水带走质子交换膜燃料电池系统的反应热温度升高，吸收了质子交换膜燃料电池系统反应热的水从质子交换膜燃料电池系统中流出，并进入高温热泵系统的蒸发器，从质子交换膜燃料电池系统中流出的水的水温通过水泵的转速进行调节控制在50-70℃，从质子交换膜燃料电池系统中流出的水的水温过高时，增大水泵的转速，使进入质子交换膜燃料电池系统的水流量增大，从质子交换膜燃料电池系统中流出的水的水温过低时，减小水泵的转速，使进入质子交换膜燃料电池系统的水流量减小。
进一步，所述散热系统还包括膨胀水箱和水过滤器，所述膨胀水箱连通散热器，所述膨胀水箱为散热器供水并提供水温变化时所需的体积膨胀空间，所述水过滤器设在水泵和散热器之间。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明能充分利用燃料电池的电能和热能，符合可持续发展的要求，经济效益提高；本发明制热效率高，制取的热水温度可达80℃以上，最高可达到100℃；本发明先以PEMFC发电，再以电能驱动热泵的方式来制热，加热的综合效率可以到1.5以上(热泵的效率一般可以达到3左右)，远高于一般电热水器的效率。另外，本发明通过热水循环泵实现强迫对流换热，对流换热的传热系数远高于自然对流的传热系数，大大提高了制热效率，本发明由于高温热泵系统所采用的制冷剂为高温工质，其蒸发温度为45-65℃，因此其可以从温度为50-70℃的、从燃料电池系统中流出的冷却水吸收热量。同时，由于制冷剂的冷凝温度范围为85-105℃，因此可将热水加热到80℃以上，最高可以得到100℃的热水。
附图说明
图1是本发明一实施例的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1，本发明的实施例提供了一种质子交换膜燃料电池驱动的高温热泵热水系统，包括质子交换膜燃料电池系统1和高温热泵系统2。
质子交换膜燃料电池系统1包括氢气供应回路11、空气供应回路12、质子交换膜燃料电池电堆13和直流-直流变换器14，氢气供应回路11和空气供应回路12均连接质子交换膜燃料电池电堆13。
氢气供应回路11供应氢气，氢气供应回路11包括高压储氢容器111、减压阀112、单向阀113、手动截止阀114和防爆电磁阀115，高压储氢容器111、减压阀112、单向阀113、手动截止阀114和防爆电磁阀115依次连接，氢气从高压储氢容器111出来，依次经过减压阀112、单向阀113、手动截止阀114和防爆电磁阀115进入质子交换膜燃料电池电堆13。
空气供应回路12供应空气，空气供应回路12包括空气滤清器121、消音器122和空气压缩机123，空气滤清器121、消音器122和空气压缩机123依次连接，空气经过空气滤清器121和消音器123处理后进入空气压缩机123，空气压缩机123将空气升压，并送入质子交换膜燃料电池电堆13。
氢气和空气中的氧气在质子交换膜燃料电池电堆13中发生反应生成直流电，反应后剩余的微量氢气经第一电磁阀116排出到空气中，反应后的空气乏气排放到空气中，直流-直流变换器14将直流电转换成稳定直流电。
高温热泵系统2包括直流制冷压缩机21、蒸发器22、节流元件23、冷凝器24、热水箱25和热水循环泵26，直流制冷压缩机21、蒸发器22、节流元件23和冷凝器24依次连通构成制冷剂回路，热水箱25通过热水循环泵26与冷凝器24连通构成热水回路，稳定直流电驱动直流制冷压缩机21运转，直流制冷压缩机21将制冷剂气体压缩为高温高压气体，高温高压气进入冷凝器24，热水箱25中的水通过热水循环泵26流向冷凝器24中，高温高压气向冷凝器24中的水放热冷凝成高温高压液体，同时，冷凝器24中的水被加热逆流回热水箱25实现热水输出，高温高压液体流经节流元件23变为低温低压的气液混合物，气液混合物流入蒸发器22，气液混合物在蒸发器22中再次蒸发为制冷剂气体，直流制冷压缩机21的吸气口将制冷剂气体吸入直流制冷压缩机21内，制冷剂气体在直流制冷压缩机21内再次被压缩。
在一实施例中，制冷剂为高温工质，制冷剂的蒸发温度范围为45-65℃，制冷剂的冷凝温度范围为85-105℃，冷凝器24是冷媒-水换热器，冷凝器24是板式换热器、壳管式换热器或套管式换热器，优选板式换热器，节流元件23是节流毛细管、热力膨胀阀、电子膨胀阀、节流短管或节流孔板中的任一种。
高温热泵系统2还包括干燥过滤器27和气液分离器28，干燥过滤器27设在冷凝器24和节流元件23之间，气液分离器28设在蒸发器22和直流制冷压缩机21之间，干燥过滤器27过滤高温高压液体中的杂质和水分，气液分离器28将未蒸发的气液混合物进行分离。
质子交换膜燃料电池驱动的高温热泵热水系统还包括散热系统3，散热系统3、质子交换膜燃料电池系统1和蒸发器22依次连通构成回路，散热系统3向质子交换膜燃料电池系统1供水并让水吸收质子交换膜燃料电池系统1的反应热，吸收了质子交换膜燃料电池系统1反应热的水从质子交换膜燃料电池系统1中流出，并流入蒸发器22，向蒸发器22传热，水温降低被冷却，再流回散热系统3中被进一步冷却，散热系统3将冷却后的水循环供应给质子交换膜燃料电池系统1。
散热系统3包括散热器31、散热风机32、水泵33和旁通阀34，散热风机32加速散热器31外部空气的对流，旁通阀34和散热器31并联，水泵33从散热器31的底部抽水，并泵入质子交换膜燃料电池系统1，散热器31中的水温控制在45-65℃，水温通过散热风机32和旁通阀34调节，当水温过高时，散热风机32的转速加大，同时旁通阀34关闭；当水温过低时，散热风机32的转速减小，同时旁通阀34打开，泵入质子交换膜燃料电池系统1中的水带走质子交换膜燃料电池系统1的反应热温度升高，吸收了质子交换膜燃料电池系统1反应热的水从质子交换膜燃料电池1系统中流出，并进入高温热泵系统2的蒸发器22，从质子交换膜燃料电池系统1中流出的水的水温通过水泵33的转速进行调节控制在50-70℃，从质子交换膜燃料电池系统1中流出的水的水温过高时，增大水泵33的转速，使进入质子交换膜燃料电池系统1的水流量增大，从质子交换膜燃料电池系统1中流出的水的水温过低时，减小水泵33的转速，使进入质子交换膜燃料电池系统1的水流量减小。
散热系统3还包括膨胀水箱35和水过滤器36，膨胀水箱35连通散热器31，膨胀水箱35为散热器31供水并提供水温变化时所需的体积膨胀空间，水过滤器36设在水泵33和散热器31之间。
工作过程：氢气和空气中的氧气在质子交换膜燃料电池电堆13中反应生成直流电，反应生成的直流电经直流-直流变换器14转换为稳定直流电，稳定直流电驱动直流制冷压缩机21运转，直流制冷压缩机21将制冷剂气体压缩为高温高压气体，高温高压气进入冷凝器24，热水箱25中的水通过热水循环泵26流向冷凝器24中，高温高压气向冷凝器24中的水放热冷凝成高温高压液体，同时，冷凝器24中的水被加热逆流回热水箱25实现热水输出，高温高压液体流经节流元件23变为低温低压的气液混合物，气液混合物流入蒸发器22。
同时，在反应过程中，水泵33从散热器31的底部抽水，并泵入质子交换膜燃料电池系统1，散热器31中的水温控制在45-65℃，泵入质子交换膜燃料电池系统1中的水带走质子交换膜燃料电池系统1的反应热温度升高，吸收了质子交换膜燃料电池系统1反应热的水从质子交换膜燃料电池1系统中流出，从质子交换膜燃料电池系统1中流出的水的水温通过水泵33的转速进行调节控制在50-70℃，并进入高温热泵系统2的蒸发器22。
气液混合物从流入蒸发器22中的水吸热，水温降低被冷却，再流回散热系统3中被进一步冷却，散热系统3将冷却后的水循环供应给质子交换膜燃料电池系统1，气液混合物在蒸发器22中再次蒸发为制冷剂气体，直流制冷压缩机21的吸气口将制冷剂气体吸入直流制冷压缩机21内，制冷剂气体在直流制冷压缩机21内再次被压缩。
本发明能充分利用燃料电池的电能和热能，符合可持续发展的要求，经济效益提高；本发明制热效率高，制取的热水温度可达80℃以上，最高可达到100℃；本发明先以PEMFC发电，再以电能驱动热泵的方式来制热，加热的综合效率可以到1.5以上(热泵的效率一般可以达到3左右)，远高于一般电热水器的效率。另外，本发明通过热水循环泵实现强迫对流换热，对流换热的传热系数远高于自然对流的传热系数，大大提高了制热效率。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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。

Claims (10)

1.一种质子交换膜燃料电池驱动的高温热泵热水系统，其特征在于，包括质子交换膜燃料电池系统和高温热泵系统，所述高温热泵系统包括直流制冷压缩机、蒸发器、节流元件、冷凝器、热水箱和热水循环泵，所述质子交换膜燃料电池系统产生直流电，所述直流电被转换成稳定直流电，所述稳定直流电驱动直流制冷压缩机运转，所述直流制冷压缩机、蒸发器、节流元件和冷凝器依次连通构成制冷剂回路，所述热水箱通过热水循环泵与冷凝器连通构成热水回路。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池驱动的高温热泵热水系统，其特征在于，所述质子交换膜燃料电池系统包括氢气供应回路、空气供应回路、质子交换膜燃料电池电堆和直流-直流变换器，所述氢气供应回路和空气供应回路均连接质子交换膜燃料电池电堆，所述氢气供应回路供应氢气，所述空气供应回路供应空气，氢气和空气中的氧气在质子交换膜燃料电池电堆中发生反应生成直流电，所述直流-直流变换器将直流电转换成稳定直流电，反应后剩余的微量氢气经第一电磁阀排出到空气中，反应后的空气乏气排放到空气中。
3.根据权利要求2所述的质子交换膜燃料电池驱动的高温热泵热水系统，其特征在于，所述氢气供应回路包括高压储氢容器、减压阀、单向阀、手动截止阀和防爆电磁阀，所述高压储氢容器、减压阀、单向阀、手动截止阀和防爆电磁阀依次连接，氢气从高压储氢容器出来，依次经过减压阀、单向阀、手动截止阀和防爆电磁阀进入质子交换膜燃料电池电堆；所述空气供应回路包括空气滤清器、消音器和空气压缩机，所述空气滤清器、消音器和空气压缩机依次连接，空气经过空气滤清器、消音器处理后进入空气压缩机，所述空气压缩机将空气升压，并送入质子交换膜燃料电池电堆。
4.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池驱动的高温热泵热水系统，其特征在于，所述直流制冷压缩机将制冷剂气体压缩为高温高压气体，所述高温高压气进入冷凝器，所述热水箱中的水通过热水循环泵流向冷凝器中，所述高温高压气向冷凝器中的水放热冷凝成高温高压液体，同时，所述冷凝器中的水被加热逆流回热水箱实现热水输出，所述高温高压液体流经节流元件变为低温低压的气液混合物，所述气液混合物流入蒸发器，所述气液混合物在蒸发器中再次蒸发为制冷剂气体，所述直流制冷压缩机的吸气口将制冷剂气体吸入直流制冷压缩机内，制冷剂气体在直流制冷压缩机内再次被压缩。
5.根据权利要求4所述的质子交换膜燃料电池驱动的高温热泵热水系统，其特征在于，所述制冷剂为高温工质，所述制冷剂的蒸发温度范围为45-65℃，所述制冷剂的冷凝温度范围为85-105℃。
6.根据权利要求4所述的质子交换膜燃料电池驱动的高温热泵热水系统，其特征在于，所述冷凝器是冷媒-水换热器，所述冷凝器是板式换热器、壳管式换热器或套管式换热器，所述节流元件是节流毛细管、热力膨胀阀、电子膨胀阀、节流短管或节流孔板中的任一种。
7.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池驱动的高温热泵热水系统，其特征在于，所述高温热泵系统还包括干燥过滤器和气液分离器，所述干燥过滤器设在冷凝器和节流元件之间，所述气液分离器设在蒸发器和直流制冷压缩机之间，所述干燥过滤器过滤高温高压液体中的杂质和水分，所述气液分离器将未蒸发的气液混合物进行分离。
8.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池驱动的高温热泵热水系统，其特征在于，所述质子交换膜燃料电池驱动的高温热泵热水系统还包括散热系统，所述散热系统、质子交换膜燃料电池系统和蒸发器依次连通构成回路，所述散热系统向质子交换膜燃料电池系统供水并让水吸收质子交换膜燃料电池系统的反应热，吸收了质子交换膜燃料电池系统反应热的水从质子交换膜燃料电池系统中流出，并流入蒸发器，向蒸发器传热，水温降低被冷却，再流回散热系统中被进一步冷却，所述散热系统将冷却后的水循环供应给质子交换膜燃料电池系统。
9.根据权利要求8所述的质子交换膜燃料电池驱动的高温热泵热水系统，其特征在于，所述散热系统包括散热器、散热风机、水泵和旁通阀，所述散热风机加速散热器外部空气的对流，所述旁通阀和散热器并联，所述水泵从散热器的底部抽水，并泵入质子交换膜燃料电池系统，所述散热器出口处的水温控制在45-65℃，水温通过散热风机和旁通阀调节，泵入质子交换膜燃料电池系统中的水带走质子交换膜燃料电池系统的反应热温度升高，吸收了质子交换膜燃料电池系统反应热的水从质子交换膜燃料电池系统中流出，并进入高温热泵系统的蒸发器，从质子交换膜燃料电池系统中流出的水的水温通过水泵的转速进行调节控制在50-70℃。
10.根据权利要求9所述的质子交换膜燃料电池驱动的高温热泵热水系统，其特征在于，所述散热系统还包括膨胀水箱和水过滤器，所述膨胀水箱连通散热器，所述膨胀水箱为散热器供水并提供水温变化时所需的体积膨胀空间，所述水过滤器设在水泵和散热器之间。
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