CN108917225A - 一种微型质子交换膜燃料电池冷热电联供系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微型质子交换膜燃料电池冷热电联供系统，包括质子交换膜燃料电池、逆变器、热交换器、热水水箱、吸收式制冷系统和进气处理系统，所述质子交换膜燃料电池为质子交换膜燃料电池电堆，所述吸收式制冷系统为单效溴化锂制冷机，所述质子交换膜燃料电池电堆的循环冷却水系统与热交换器交换，热交换器的热水经热水水箱分流，其中一部分通往进气处理系统，一部分通往单效溴化锂制冷机，一部分用于生活热水。本发明适用作类似公寓、家庭等小微型应用场合的微型冷热电联供系统，在满足用户多种用途需求的同时，进一步提升了联供系统的输出电效率。
Description
技术领域
本发明涉及冷热电联供系统，特别是涉及一种燃料电池冷热电联供系统。
背景技术
基于燃料电池的联供系统采用燃料电池作为驱动装置，分别将氢气和空气通入燃料电池的阳极和阴极，经电化学反应发电，生成水，并释放大量的余热，可为用户同时提供电力、供热及制冷，具有能量利用效率高，污染气体排放量少等优点。燃料电池的类型有很多种，主要包括固体氧化物燃料电池、直接甲醇燃料电池、质子交换膜燃料电池等。目前燃料电池联供系统多采用固体氧化物燃料电池和直接甲醇燃料电池作为驱动装置。与传统方式驱动（燃气轮机、内燃机）的联供系统相比，燃料电池联供系统具有能量利用效率高，低污染，低噪音等特点。但质子交换膜燃料电池用于冷热电联供系统还没有。
又由于燃料电池联供系统的功率多为几十千瓦甚至上百千瓦，其分布性和应用范围有一定的局限性，现主要应用在商场、会议中心、医院等场所，由于其工作温度都很高，例如SOFC高达850-1000℃，过大的功率规模和过高的工作温度不适合家庭场合，故适用于家庭使用的微型燃料电池冷热电系统还不可见。另外，虽然冷热电联供系统多采用吸收式制冷机作为回收发电装置余热的设备，而大多数传统发电装置功率较大（例如火力发电厂），与其匹配的吸收式制冷机的功率较大，输出冷量的功率规模同样也不适用于家用场合。
发明内容
针对类似公寓、家庭等小微型应用场合对冷、热、电的功率需求，本发明的目的在于提供一种基于质子交换膜燃料电池的冷热电联供系统，在满足用户多种用途需求的同时，提高能量利用率，减少建筑环境污染，可以进一步提升联供系统的输出电效率，同时适用于家庭用户的微型冷热电联供系统。
本发明采用的技术方案是：一种微型质子交换膜燃料电池冷热电联供系统，其特征在于：包括质子交换膜燃料电池、逆变器、热交换器、热水水箱、吸收式制冷系统和进气处理系统，所述质子交换膜燃料电池为质子交换膜燃料电池电堆，所述吸收式制冷系统为单效溴化锂制冷机，其中质子交换膜燃料电池电堆由 75 ~100个单片质子交换膜燃料电池串联而成，所述质子交换膜燃料电池电堆的循环冷却水系统与热交换器交换，热交换器的热水经热水水箱分流，其中一部分通往进气处理系统，一部分通往单效溴化锂制冷机，一部分用于生活热水。
本发明质子交换膜燃料电池电堆的工作功率为5~7KW，工作温度为90~95℃。
本发明单片质子交换膜燃料电池的进气温度为80-85℃，氢气过量系数为1.15，空气过量系数为2.5，冷却方式为水冷，双极板为金属材料制成的双极板。
本发明采用的单效溴化锂制冷机主要包括五个部件：发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器和热交换器。具体工作原理：在高温高压的发生器中，溴化锂溶液经热源水加热后被分成了制冷蒸汽和溴化锂浓溶液。制冷蒸汽被送往高压的冷凝器，被冷凝成液态的制冷剂，再送往蒸发器。在蒸发器内部，液态制冷剂吸收来自冷冻水的热力，并蒸发成低温低压的蒸汽，最后在吸收器中被来自发生器的溴化锂浓溶液吸收。被稀释后的溴化锂稀溶液又被送至发生器参与下一个循环的工作。
本发明单效溴化锂制冷机的热源水进口温度为85-90℃。
本发明微型质子交换膜燃料电池联供系统，利用质子交换膜燃料电池高发电效率的特点，通过消耗氢气及电化学反应，结合小型溴化锂吸收式制冷机，可为小型住宅同时提供电力、供暖、生活热水和制冷。联供系统在夏季工况下的能量利用效率可达68%，冬季可达80%以上，高于传统方式驱动的联供系统效率。此外，在联供系统工作过程中，排放物仅有水和余热，不含有任何其他污染物质，在环境保护方面具有显著优势。原因如下：
（1）质子交换膜燃料电池由于其工作不受卡诺循环的限制，发电效率比传统动力装置及其他种类的燃料电池都要高（可达58%左右）。另外，在本发明系统中，燃料电池工作产生的余热回收后，被进一步用于供暖、制冷及进气处理。
（2）同时本发明匹配小型溴化锂吸收式制冷机。一方面，两者的功率相匹配实现了能量利用效率的最大化，另一方面，质子交换膜燃料燃料电池产生的余热符合小型单效吸收式制冷机及家庭应用场合对热源品质的要求。
（3）本发明适用作类似公寓、家庭等小微型应用场合的微型冷热电联供系统，在满足用户多种用途需求的同时，提高能量利用率，减少建筑环境污染。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明单效溴化锂制冷机的结构示意图；
图中，101、第一压气机；102、第二压气机；103、第一加湿器；104、第一排水管道；105、第二加湿器；106、第二排水管道； 107、 PEMFC电堆； 108、第一节流阀；109、逆变器；110、第一泵；111、第一换热器112、第二节流阀；113、第三节流阀；114、第二泵；115、热水水箱；116、吸收式制冷机；117、冷冻水出口；118、供暖管道；119、制冷管道；121、进气加湿管道；120、生活热水管道；201、发生器；202、冷凝器；203、蒸发器；204、吸收器；205、热交换器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步描述。
从图1可知，本发明是一种微型质子交换膜燃料电池冷热电联供系统，其特征在于：包括质子交换膜燃料电池、逆变器、热交换器、热水水箱、吸收式制冷系统、进气处理系统，所述质子交换膜燃料电池为质子交换膜燃料电池电堆，所述吸收式制冷系统为单效溴化锂制冷机，其中质子交换膜燃料电池电堆由 75 ~100个单片质子交换膜燃料电池串联而成。所述质子交换膜燃料电池电堆的循环冷却水系统与热交换器交换，热交换器的热水经热水水箱分流，其中一部分通往进气处理系统给质子交换膜燃料电池电堆的进气进行加湿、加热处理，一部分用于生活热水，热天时一部分通往单效溴化锂制冷机，冬天时一部分用于供暧。
本发明质子交换膜燃料电池电堆的工作功率为5~7KW，工作温度为90~95℃，单片质子交换膜燃料电池的进气温度为80-85℃，氢气过量系数为1.15，空气过量系数为2.5，冷却方式为水冷，双极板采用金属材料，与传统石墨材料相比，可减轻电池重量。
从图2可知，本发明采用的单效溴化锂制冷机主要包括五个部件：发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器和热交换器。具体工作原理：在高温高压的发生器中，溴化锂溶液经85~90℃的热源水加热后被分成了制冷蒸汽和溴化锂浓溶液。制冷蒸汽被送往高压的冷凝器，被冷凝成液态的制冷剂，再送往蒸发器。在蒸发器内部，液态制冷剂吸收来自冷冻水的热力，并蒸发成低温低压的蒸汽，最后在吸收器中被来自发生器的溴化锂浓溶液吸收。被稀释后的溴化锂稀溶液又被送至发生器参与下一个循环的工作。
本发明的工作原理：氢气、空气首先通过进气加湿器进行加湿、加热处理，再分别送入质子交换膜燃料电池的阳极和阴极。氢气在阳极被离子化，释放出电子并产生氢离子，经外部电路发电。氢离子经电解质膜从阳极传送至阴极与氧气结合生成水，并产生热。产生的电能经逆变器，由直流转化为交流，送入电网供用户使用。发电过程中产生的大量余热，通过循环冷却水系统与热交换器交换，产生的贮存于热水水箱。水箱中的热水可分别为进气处理系统、溴化锂制冷机提供热源，或直接用于生活热水，或采暖。
最后应说明的是：以上实施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精神和范围。
Claims (5)
1.一种微型质子交换膜燃料电池冷热电联供系统，其特征在于：包括质子交换膜燃料电池、逆变器、热交换器、热水水箱、吸收式制冷系统、进气处理系统，所述质子交换膜燃料电池为质子交换膜燃料电池电堆，所述吸收式制冷系统为单效溴化锂制冷机，其中质子交换膜燃料电池电堆由 75 ~100个单片质子交换膜燃料电池串联而成，所述质子交换膜燃料电池电堆的循环冷却水系统与热交换器交换，热交换器的热水经热水水箱分流，其中一部分通往进气处理系统，一部分通往单效溴化锂制冷机，一部分用于生活热水。
2.根据权利要求1所述的微型质子交换膜燃料电池冷热电联供系统，其特征在于：所述质子交换膜燃料电池电堆的工作功率为5~7KW，工作温度为90~95℃。
3.根据权利要求1所述的微型质子交换膜燃料电池冷热电联供系统，其特征在于：所述单片质子交换膜燃料电池的进气温度为80-85℃，氢气过量系数为1.15，空气过量系数为2.5，冷却方式为水冷。
4.根据权利要求1所述的微型质子交换膜燃料电池冷热电联供系统，其特征在于：所述单片质子交换膜燃料电池的双极板采用金属材料制成的双极板。
5.根据权利要求1所述的微型质子交换膜燃料电池冷热电联供系统，其特征在于：所述单效溴化锂制冷机的热源水进口温度为85~90℃。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20181130 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |