CN206469501U - 一种质子交换膜燃料电池驱动的高温热泵热水器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种质子交换膜燃料电池驱动的高温热泵热水器,其包括散热系统、质子交换膜燃料电池系统和高温热泵系统，质子交换膜燃料电池系统生成直流电，直流电被转换成稳定直流电，稳定直流电直接输出或稳定直流电驱动高温热泵系统实现高温热水输出，由散热系统输出的冷却水依次流过燃料电池系统的电堆和热泵系统的蒸发器，冷却水在电堆中吸热，并在蒸发器中放热，高温热泵系统将在蒸发器吸收的热量升温，得到温度高于质子交换膜废热温度的热水，可用于需要高温热水的场合。本实用新型能充分利用燃料电池的电能和低温热能，得到高温热能，使得燃料电池余热的利用价值更高。

Description

一种质子交换膜燃料电池驱动的高温热泵热水器

技术领域

本实用新型涉及氢燃料电池技术，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池驱动的高温热泵热水器。

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，其正常工作温度约为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(因电加热的效率始终小于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，本实用新型的实施例提供了一种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器。

本实用新型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器,包括质子交换膜燃料电池系统、散热系统和高温热泵系统，所述散热系统、质子交换膜燃料电池系统和高温热泵系统依次连通构成冷却水回路，所述质子交换膜燃料电池系统生成直流电，所述直流电被转换成稳定直流电，所述稳定直流电直接输出或稳定直流电驱动高温热泵系统实现高温热水输出，从所述散热系统流出的冷却水依次流经燃料电池系统、高温热泵系统，并返回散热系统，所述冷却水在燃料电池系统中吸热，而在高温热泵系统中放热，并在散热系统中得到冷却。

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，所述高温热泵系统包括直流制冷压缩机、热泵水箱、节流元件、蒸发器和设置于热泵水箱中的冷凝器，所述直流制冷压缩机、冷凝器、节流元件和蒸发器依次连接构成制冷剂回路，所述质子交换膜燃料电池系统输出的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将制冷剂气体压缩为高温高压气体，所述高温高压气进入热泵水箱中的冷凝器，所述高温高压气在冷凝器中完成向热泵水箱内待加热水的放热过程,所述冷凝器设在热泵水箱的下部，所述冷凝器的两端分别连接直流制冷压缩机和节流元件。

进一步，所述热泵水箱为承压保温水箱，所述承压保温水箱包括外胆、内胆、保温层、冷水进水管和热水输出管，所述内胆设在保温层的内侧，所述保温层设在内胆和外胆之间，所述冷水进水管和热水输出管均连通内胆，所述冷水进水管的一端连通自来水管或高位水箱，所述冷水进水管的另一端插入内胆的底部，所述热水输出管的一端插入内胆的顶部，所述热水输出管的另一端通过电磁阀控制热水的输出。

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℃；所述高温热泵系统还包括气液分离器，所述气液分离器设在蒸发器和直流制冷压缩机之间，所述气液分离器将未蒸发的气液混合物进行分离。

进一步，所述冷凝器采用冷凝盘管的形式，所述冷凝盘管的外部和内胆内的待加热水直接接触。

进一步，所述冷凝器采用冷凝盘管缠绕在内胆外壁上的形式，所述冷凝盘管与内胆中的水不直接接触。

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，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℃。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：本实用新型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；本实用新型制热效率高，制取的热水温度可达80℃以上，最高可达100℃；本实用新型先以PEMFC发电，再以电能驱动热泵的方式来制热，加热的综合能效比可以到1.5以上，远高于电加热方式0.5的能效比。

附图说明

图1是本实用新型一实施例的组成示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地描述。

请参考图1，本实用新型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器,包括质子交换膜燃料电池系统1、散热系统2和高温热泵系统3，散热系统2、质子交换膜燃料电池系统1和高温热泵系统3依次连通构成冷却水回路。

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、消音器122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，稳定直流电直接输出或稳定直流电驱动高温热泵系统3实现高温热水输出，高温热泵系统3包括直流制冷压缩机31、热泵水箱32、节流元件33和蒸发器34和设置在热泵水箱32内的冷凝器325，直流制冷压缩机31、冷凝器325、节流元件33和蒸发器34依次连接构成回路，质子交换膜燃料电池系统1输出的稳定直流电驱动直流制冷压缩机31运转，直流制冷压缩机31将制冷剂气体压缩为高温高压气体，高温高压气体进入冷凝器325，高温高压气体在冷凝器325内冷凝成高温高压液体，完成向热泵水箱32内待加热水的放热过程，使热泵水箱32内的待加热水被加热，得到高温热水。高温高压液体流经节流元件33变为低温低压的气液混合物，气液混合物流入蒸发器34，气液混合物在蒸发器34中通过与吸收了质子交换膜燃料电池系统1反应热的冷却水进行热量交换，气液混合物吸热而再次蒸发为制冷剂气体，直流制冷压缩机31的吸气口将制冷剂气体吸入直流制冷压缩机31内，制冷剂气体在直流制冷压缩机31内再次被压缩。在蒸发器34中放热后的冷却水流回散热系统2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℃。高温热泵系统3还包括气液分离器35，气液分离器35设在蒸发器34和直流制冷压缩机31之间，气液分离器35将未蒸发的气液混合物进行分离。

热泵水箱32为承压保温水箱，承压保温水箱32包括外胆320、内胆321、保温层322、冷水进水管323、热水输出管324，内胆321设在保温层322的内侧，保温层322设在外胆320和内胆321之间，冷水进水管323和热水输出管324均连通内胆321，冷水进水管323的一端连通自来水管(图中未示出)或高位水箱连通自来水管或高位水箱，冷水进水管323的另一端插入内胆321的底部，热水输出管324的一端插入内胆321的顶部，热水输出管324的另一端通过电磁阀326控制热水的输出。冷水进水管323和内胆321内待加热的水和热水输出管324内输出的热水构成第二水回路。

要使用热水时，打开电磁阀326，冷水在压力作用下从冷水进水管323进入内胆321，由于冷水进水管323插入内胆321的底部，进入内胆321的冷水会流向底部，由于冷凝器325设在内胆321的下部，冷水从底部流入便于和冷凝器325进行热量交换，有利于提高冷凝器325的传热温差和换热效率，同时，因水受热后往上自然对流，热水会流向内胆321的顶部，并从内胆321顶部的热水输出管，有利于内胆321内的温度分层，确保从热水输出管324的出口流出的热水始终是热的。待加热水通过第二水回路可以得到比质子交换膜燃料电池本身余热温度还高的热水，温度提升，以提高余热利用价值，余热的温度越高，其利用价值或利用品质也越高。

在一可选实施例中，冷凝器325采用冷凝盘管的形式，冷凝盘管的外部和内胆321内的待加热水直接接触。

在上述实施例中，冷凝器325为与水直接接触的冷凝盘管，其直接浸于内胆321的待加热水中，即冷凝盘管的外表面与内胆321中的水直接接触。

在另一可选实施例中，冷凝器325也可以采用冷凝盘管缠绕在内胆321外壁上的形式(图中未示出)，在此种方式中，冷凝盘管与内胆321中的水不直接接触。

散热系统2向质子交换膜燃料电池系统1供水而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反应热的冷却水流至高温热泵系统3，并在高温热泵系统3的蒸发器34中向热冷剂放热，在蒸发器34中放热后的水流回散热系统2被进一步冷却，散热系统2将冷却后的水再次供应给质子交换膜燃料电池系统1。

散热系统2包括散热器21、散热风机22、水泵23和旁通阀24，散热风机22加速散热器21外部空气的对流，旁通阀24和散热器21并联，水泵23从散热器21的底部抽水，并泵入质子交换膜燃料电池系统1，散热器21出口的水温控制在45-65℃，水温通过散热风机22和旁通阀24调节，当水温过高时，散热风机22的转速加大，同时旁通阀24关闭；当水温过低时，散热风机22的转速减小，同时旁通阀24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系统1中流出，并进入高温热泵系统3的蒸发器34，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23的转速进行调节控制在50-70℃，例如，当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23的转速，使进入质子交换膜燃料电池系统1的水流量增大，当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23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2还包括膨胀水箱25和水过滤器26，膨胀水箱25连通散热器21，膨胀水箱25为散热器21供水并提供水温变化时所需的体积膨胀空间，水过滤器26设在水泵23和散热器21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31运转，直流制冷压缩机31将制冷剂气体压缩为高温高压气体，高温高压气进入热泵水箱32，并通过向热泵水箱32内的水放热冷凝成高温高压液体，同时，热泵水箱32内的水被加热实现热水输出，高温高压液体流经节流元件33变为低温低压的气液混合物，气液混合物流入蒸发器34。

气液混合物在蒸发器34中通过与吸收了质子交换膜燃料电池系统1反应热的水进行热量交换，吸收了质子交换膜燃料电池系统1反应热的水冷却，同时，气液混合物再次蒸发为制冷剂气体，直流制冷压缩机31的吸气口将制冷剂气体吸入直流制冷压缩机31内，制冷剂气体在直流制冷压缩机31内再次被压缩。

本实用新型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；本实用新型高温热泵系统的制热效率高，从热水输出管324的出口流出的热水温度可达80℃以上(最高可达100℃)；本实用新型先以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，远高于一般的采用电加热的方式。

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。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种质子交换膜燃料电池驱动的高温热泵热水器,其特征在于，包括质子交换膜燃料电池系统、散热系统和高温热泵系统，所述散热系统、质子交换膜燃料电池系统和高温热泵系统依次连通构成冷却水回路，所述质子交换膜燃料电池系统生成直流电，所述直流电被转换成稳定直流电，所述稳定直流电直接输出或稳定直流电驱动高温热泵系统实现高温热水输出，从所述散热系统流出的冷却水依次流经所述质子交换膜燃料电池系统、高温热泵系统，并返回散热系统，所述冷却水在所述质子交换膜燃料电池系统中吸热，而后在所述高温热泵系统中放热，并在所述散热系统中得到冷却。

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器,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器,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器,其特征在于，所述高温热泵系统包括直流制冷压缩机、热泵水箱、节流元件、蒸发器和设置于热泵水箱中的冷凝器，所述直流制冷压缩机、冷凝器、节流元件和蒸发器依次连接构成制冷剂回路，所述质子交换膜燃料电池系统输出的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将制冷剂气体压缩为高温高压气体，所述高温高压气进入热泵水箱中的冷凝器，所述高温高压气在冷凝器中完成向热泵水箱内待加热水的放热过程,所述冷凝器设在热泵水箱的下部，所述冷凝器的两端分别连接直流制冷压缩机和节流元件。

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器,其特征在于，所述热泵水箱为承压保温水箱，所述承压保温水箱包括外胆、内胆、保温层、冷水进水管和热水输出管，所述内胆设在保温层的内侧，所述保温层设在内胆和外胆之间，所述冷水进水管和热水输出管均连通内胆，所述冷水进水管的一端连通自来水管或高位水箱，所述冷水进水管的另一端插入内胆的底部，所述热水输出管的一端插入内胆的顶部，所述热水输出管的另一端通过电磁阀控制热水的输出。

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器,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℃；所述高温热泵系统还包括气液分离器，所述气液分离器设在蒸发器和直流制冷压缩机之间，所述气液分离器将未蒸发的气液混合物进行分离。

7.根据权利要求5所述的质子交换膜燃料电池驱动的高温热泵热水器,其特征在于，所述冷凝器采用冷凝盘管的形式，所述冷凝盘管的外部和内胆内的待加热水直接接触。

8.根据权利要求5所述的质子交换膜燃料电池驱动的高温热泵热水器,其特征在于，所述冷凝器采用冷凝盘管缠绕在内胆外壁上的形式，所述冷凝盘管与内胆中的水不直接接触。

9.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器,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℃。