一種質子交換膜燃料電池驅動的高溫熱泵熱水系統的制作方法

本發明涉及氫燃料電池技術，尤其涉及質子交換膜燃料電池驅動的高溫熱泵熱水系統。

背景技術：

質子交換膜燃料電池(PEMFC)具有效率高、工作溫度低的特點，是目前應用最為廣泛的燃料電池類型。PEMFC的實用效率約為50％左右，即輸入燃料電池的氫能只有50％能轉化成電能，剩下的50％能量都以熱量的形式排放掉了。

在遠離電網但氫氣來源較豐富的地區，可以考慮利用氫燃料電池的余熱來制取熱水。但由于PEMFC工作溫度較低的特點，正常工作溫度約為50～65℃，若以PEMFC的余熱作為熱源，直接加熱熱水，熱水的溫度一般不能超過65℃，在需要高溫熱水的場合受到限制。

此外，若以PEMFC發的電帶動電加熱器的方式，雖可以得到高溫熱水(≤100℃)，但是此種加熱方式效率較低(因電熱的效率始終小于1)，考慮到PEMFC的效率約為0.5，因此這種加熱方式的綜合效率小于0.5。

技術實現要素：

有鑒于此，本發明的實施例提供了能充分利用燃料電池的電能和熱能；并能高效率制取熱水的質子交換膜燃料電池驅動的高溫熱泵熱水系統。

本發明的實施例提供一種質子交換膜燃料電池驅動的高溫熱泵熱水系統，包括質子交換膜燃料電池系統和高溫熱泵系統，所述高溫熱泵系統包括直流制冷壓縮機、蒸發器、節流元件、冷凝器、熱水箱和熱水循環泵，所述質子交換膜燃料電池系統產生直流電，所述直流電被轉換成穩定直流電，所述穩定直流電驅動直流制冷壓縮機運轉，所述直流制冷壓縮機、蒸發器、節流元件和冷凝器依次連通構成制冷劑回路，所述熱水箱通過熱水循環泵與冷凝器連通構成熱水回路。

進一步，所述質子交換膜燃料電池系統包括氫氣供應回路、空氣供應回路、質子交換膜燃料電池電堆和直流-直流變換器，所述氫氣供應回路和空氣供應回路均連接質子交換膜燃料電池電堆，所述氫氣供應回路供應氫氣，所述空氣供應回路供應空氣，氫氣和空氣中的氧氣在質子交換膜燃料電池電堆中發生反應生成直流電，所述直流-直流變換器將直流電轉換成穩定直流電，反應后剩余的微量氫氣經第一電磁閥排出到空氣中，反應后的空氣乏氣排放到空氣中。

進一步，所述氫氣供應回路包括高壓儲氫容器、減壓閥、單向閥、手動截止閥和防爆電磁閥，所述高壓儲氫容器、減壓閥、單向閥、手動截止閥和防爆電磁閥依次連接，氫氣從高壓儲氫容器出來，依次經過減壓閥、單向閥、手動截止閥和防爆電磁閥進入質子交換膜燃料電池電堆；所述空氣供應回路包括空氣濾清器、消音器和空氣壓縮機，所述空氣濾清器、消音器和空氣壓縮機依次連接，空氣經過空氣濾清器、消音器處理后進入空氣壓縮機，所述空氣壓縮機將空氣升壓，并送入質子交換膜燃料電池電堆。

進一步，所述直流制冷壓縮機將制冷劑氣體壓縮為高溫高壓氣體，所述高溫高壓氣進入冷凝器，所述熱水箱中的水通過熱水循環泵流向冷凝器中，所述高溫高壓氣向冷凝器中的水放熱冷凝成高溫高壓液體，同時，所述冷凝器中的水被加熱逆流回熱水箱實現熱水輸出，所述高溫高壓液體流經節流元件變為低溫低壓的氣液混合物，所述氣液混合物流入蒸發器，所述氣液混合物在蒸發器中再次蒸發為制冷劑氣體，所述直流制冷壓縮機的吸氣口將制冷劑氣體吸入直流制冷壓縮機內，制冷劑氣體在直流制冷壓縮機內再次被壓縮。

進一步，所述制冷劑為高溫工質，所述制冷劑的蒸發溫度范圍為45-65℃，所述制冷劑的冷凝溫度范圍為85-105℃。

進一步，所述冷凝器是冷媒-水換熱器，特別地，是板式換熱器、殼管式換熱器或套管式換熱器，所述節流元件是節流毛細管、熱力膨脹閥、電子膨脹閥、節流短管或節流孔板中的任一種。

進一步，所述高溫熱泵系統還包括干燥過濾器和氣液分離器，所述干燥過濾器設在冷凝器和節流元件之間，所述氣液分離器設在蒸發器和直流制冷壓縮機之間，所述干燥過濾器過濾高溫高壓液體中的雜質和水分，所述氣液分離器將未蒸發的氣液混合物進行分離。

進一步，所述質子交換膜燃料電池驅動的高溫熱泵熱水系統還包括散熱系統，所述散熱系統、質子交換膜燃料電池系統和蒸發器依次連通構成回路，所述散熱系統向質子交換膜燃料電池系統供水并讓水吸收質子交換膜燃料電池系統的反應熱，吸收了質子交換膜燃料電池系統反應熱的水從質子交換膜燃料電池系統中流出，并流入蒸發器，向蒸發器傳熱，水溫降低被冷卻，再流回散熱系統中被進一步冷卻，所述散熱系統將冷卻后的水循環供應給質子交換膜燃料電池系統。

進一步，所述散熱系統包括散熱器、散熱風機、水泵和旁通閥，所述散熱風機加速散熱器外部空氣的對流，所述旁通閥和散熱器并聯，所述水泵從散熱器的底部抽水，并泵入質子交換膜燃料電池系統，所述散熱器出口處的水溫控制在45-65℃，水溫通過散熱風機和旁通閥調節，當水溫過高時，散熱風機的轉速加大，同時旁通閥關閉；當水溫過低時，散熱風機的轉速減小，同時旁通閥打開，泵入質子交換膜燃料電池系統中的水帶走質子交換膜燃料電池系統的反應熱溫度升高，吸收了質子交換膜燃料電池系統反應熱的水從質子交換膜燃料電池系統中流出，并進入高溫熱泵系統的蒸發器，從質子交換膜燃料電池系統中流出的水的水溫通過水泵的轉速進行調節控制在50-70℃，從質子交換膜燃料電池系統中流出的水的水溫過高時，增大水泵的轉速，使進入質子交換膜燃料電池系統的水流量增大，從質子交換膜燃料電池系統中流出的水的水溫過低時，減小水泵的轉速，使進入質子交換膜燃料電池系統的水流量減小。

進一步，所述散熱系統還包括膨脹水箱和水過濾器，所述膨脹水箱連通散熱器，所述膨脹水箱為散熱器供水并提供水溫變化時所需的體積膨脹空間，所述水過濾器設在水泵和散熱器之間。

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：本發明能充分利用燃料電池的電能和熱能，符合可持續發展的要求，經濟效益提高；本發明制熱效率高，制取的熱水溫度可達80℃以上，最高可達到100℃；本發明先以PEMFC發電，再以電能驅動熱泵的方式來制熱，加熱的綜合效率可以到1.5以上(熱泵的效率一般可以達到3左右)，遠高于一般電熱水器的效率。另外，本發明通過熱水循環泵實現強迫對流換熱，對流換熱的傳熱系數遠高于自然對流的傳熱系數，大大提高了制熱效率，本發明由于高溫熱泵系統所采用的制冷劑為高溫工質，其蒸發溫度為45-65℃，因此其可以從溫度為50-70℃的、從燃料電池系統中流出的冷卻水吸收熱量。同時，由于制冷劑的冷凝溫度范圍為85-105℃，因此可將熱水加熱到80℃以上，最高可以得到100℃的熱水。

附圖說明

圖1是本發明一實施例的結構示意圖。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明實施方式作進一步地描述。

請參考圖1，本發明的實施例提供了一種質子交換膜燃料電池驅動的高溫熱泵熱水系統，包括質子交換膜燃料電池系統1和高溫熱泵系統2。

質子交換膜燃料電池系統1包括氫氣供應回路11、空氣供應回路12、質子交換膜燃料電池電堆13和直流-直流變換器14，氫氣供應回路11和空氣供應回路12均連接質子交換膜燃料電池電堆13。

氫氣供應回路11供應氫氣，氫氣供應回路11包括高壓儲氫容器111、減壓閥112、單向閥113、手動截止閥114和防爆電磁閥115，高壓儲氫容器111、減壓閥112、單向閥113、手動截止閥114和防爆電磁閥115依次連接，氫氣從高壓儲氫容器111出來，依次經過減壓閥112、單向閥113、手動截止閥114和防爆電磁閥115進入質子交換膜燃料電池電堆13。

空氣供應回路12供應空氣，空氣供應回路12包括空氣濾清器121、消音器122和空氣壓縮機123，空氣濾清器121、消音器122和空氣壓縮機123依次連接，空氣經過空氣濾清器121和消音器123處理后進入空氣壓縮機123，空氣壓縮機123將空氣升壓，并送入質子交換膜燃料電池電堆13。

氫氣和空氣中的氧氣在質子交換膜燃料電池電堆13中發生反應生成直流電，反應后剩余的微量氫氣經第一電磁閥116排出到空氣中，反應后的空氣乏氣排放到空氣中，直流-直流變換器14將直流電轉換成穩定直流電。

高溫熱泵系統2包括直流制冷壓縮機21、蒸發器22、節流元件23、冷凝器24、熱水箱25和熱水循環泵26，直流制冷壓縮機21、蒸發器22、節流元件23和冷凝器24依次連通構成制冷劑回路，熱水箱25通過熱水循環泵26與冷凝器24連通構成熱水回路，穩定直流電驅動直流制冷壓縮機21運轉，直流制冷壓縮機21將制冷劑氣體壓縮為高溫高壓氣體，高溫高壓氣進入冷凝器24，熱水箱25中的水通過熱水循環泵26流向冷凝器24中，高溫高壓氣向冷凝器24中的水放熱冷凝成高溫高壓液體，同時，冷凝器24中的水被加熱逆流回熱水箱25實現熱水輸出，高溫高壓液體流經節流元件23變為低溫低壓的氣液混合物，氣液混合物流入蒸發器22，氣液混合物在蒸發器22中再次蒸發為制冷劑氣體，直流制冷壓縮機21的吸氣口將制冷劑氣體吸入直流制冷壓縮機21內，制冷劑氣體在直流制冷壓縮機21內再次被壓縮。

在一實施例中，制冷劑為高溫工質，制冷劑的蒸發溫度范圍為45-65℃，制冷劑的冷凝溫度范圍為85-105℃，冷凝器24是冷媒-水換熱器，冷凝器24是板式換熱器、殼管式換熱器或套管式換熱器，優選板式換熱器，節流元件23是節流毛細管、熱力膨脹閥、電子膨脹閥、節流短管或節流孔板中的任一種。

高溫熱泵系統2還包括干燥過濾器27和氣液分離器28，干燥過濾器27設在冷凝器24和節流元件23之間，氣液分離器28設在蒸發器22和直流制冷壓縮機21之間，干燥過濾器27過濾高溫高壓液體中的雜質和水分，氣液分離器28將未蒸發的氣液混合物進行分離。

質子交換膜燃料電池驅動的高溫熱泵熱水系統還包括散熱系統3，散熱系統3、質子交換膜燃料電池系統1和蒸發器22依次連通構成回路，散熱系統3向質子交換膜燃料電池系統1供水并讓水吸收質子交換膜燃料電池系統1的反應熱，吸收了質子交換膜燃料電池系統1反應熱的水從質子交換膜燃料電池系統1中流出，并流入蒸發器22，向蒸發器22傳熱，水溫降低被冷卻，再流回散熱系統3中被進一步冷卻，散熱系統3將冷卻后的水循環供應給質子交換膜燃料電池系統1。

散熱系統3包括散熱器31、散熱風機32、水泵33和旁通閥34，散熱風機32加速散熱器31外部空氣的對流，旁通閥34和散熱器31并聯，水泵33從散熱器31的底部抽水，并泵入質子交換膜燃料電池系統1，散熱器31中的水溫控制在45-65℃，水溫通過散熱風機32和旁通閥34調節，當水溫過高時，散熱風機32的轉速加大，同時旁通閥34關閉；當水溫過低時，散熱風機32的轉速減小，同時旁通閥34打開，泵入質子交換膜燃料電池系統1中的水帶走質子交換膜燃料電池系統1的反應熱溫度升高，吸收了質子交換膜燃料電池系統1反應熱的水從質子交換膜燃料電池1系統中流出，并進入高溫熱泵系統2的蒸發器22，從質子交換膜燃料電池系統1中流出的水的水溫通過水泵33的轉速進行調節控制在50-70℃，從質子交換膜燃料電池系統1中流出的水的水溫過高時，增大水泵33的轉速，使進入質子交換膜燃料電池系統1的水流量增大，從質子交換膜燃料電池系統1中流出的水的水溫過低時，減小水泵33的轉速，使進入質子交換膜燃料電池系統1的水流量減小。

散熱系統3還包括膨脹水箱35和水過濾器36，膨脹水箱35連通散熱器31，膨脹水箱35為散熱器31供水并提供水溫變化時所需的體積膨脹空間，水過濾器36設在水泵33和散熱器31之間。

工作過程：氫氣和空氣中的氧氣在質子交換膜燃料電池電堆13中反應生成直流電，反應生成的直流電經直流-直流變換器14轉換為穩定直流電，穩定直流電驅動直流制冷壓縮機21運轉，直流制冷壓縮機21將制冷劑氣體壓縮為高溫高壓氣體，高溫高壓氣進入冷凝器24，熱水箱25中的水通過熱水循環泵26流向冷凝器24中，高溫高壓氣向冷凝器24中的水放熱冷凝成高溫高壓液體，同時，冷凝器24中的水被加熱逆流回熱水箱25實現熱水輸出，高溫高壓液體流經節流元件23變為低溫低壓的氣液混合物，氣液混合物流入蒸發器22。

同時，在反應過程中，水泵33從散熱器31的底部抽水，并泵入質子交換膜燃料電池系統1，散熱器31中的水溫控制在45-65℃，泵入質子交換膜燃料電池系統1中的水帶走質子交換膜燃料電池系統1的反應熱溫度升高，吸收了質子交換膜燃料電池系統1反應熱的水從質子交換膜燃料電池1系統中流出，從質子交換膜燃料電池系統1中流出的水的水溫通過水泵33的轉速進行調節控制在50-70℃，并進入高溫熱泵系統2的蒸發器22。

氣液混合物從流入蒸發器22中的水吸熱，水溫降低被冷卻，再流回散熱系統3中被進一步冷卻，散熱系統3將冷卻后的水循環供應給質子交換膜燃料電池系統1，氣液混合物在蒸發器22中再次蒸發為制冷劑氣體，直流制冷壓縮機21的吸氣口將制冷劑氣體吸入直流制冷壓縮機21內，制冷劑氣體在直流制冷壓縮機21內再次被壓縮。

本發明能充分利用燃料電池的電能和熱能，符合可持續發展的要求，經濟效益提高；本發明制熱效率高，制取的熱水溫度可達80℃以上，最高可達到100℃；本發明先以PEMFC發電，再以電能驅動熱泵的方式來制熱，加熱的綜合效率可以到1.5以上(熱泵的效率一般可以達到3左右)，遠高于一般電熱水器的效率。另外，本發明通過熱水循環泵實現強迫對流換熱，對流換熱的傳熱系數遠高于自然對流的傳熱系數，大大提高了制熱效率。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位詞是以附圖中零部件位于圖中以及零部件相互之間的位置來定義的，只是為了表達技術方案的清楚及方便。應當理解，所述方位詞的使用不應限制本申請請求保護的范圍。

在不沖突的情況下，本文中上述實施例及實施例中的特征可以相互結合。

以上所述僅為本發明的較佳實施例，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。