CN106642803A - 一种质子交换膜燃料电池高温供热系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种质子交换膜燃料电池高温供热系统，包括质子交换膜燃料电池系统、散热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以驱动高温热泵系统的直流制冷压缩机运转。散热系统、质子交换膜燃料电池系统和高温热泵系统的蒸发器依次连通，构成冷却水回路。冷却水从燃料电池系统吸热，而向高温热泵系统的蒸发器供热。高温热泵系统采用的制冷剂工质为高温工质，其蒸发温度范围为45‑65℃，冷凝温度范围为85‑105℃。本发明综合利用了燃料电池的电力和废热，可得到比质子交换膜燃料电池本身的废热温度高得多的热空气(温度可达80℃以上)，从而可以用于某些需要高温空气来进行加热或采暖的应用场合。
Description
技术领域
本发明涉及氢燃料电池技术，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池高温供热系统。
背景技术
以氢气作为燃料的质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有效率高的特点，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约有50％转化成电能，而剩下的50％能量都以热量的形式排放掉了，如能将这部分热量利用起来，则能大大提高氢能的综合利用率。但是由于PEMFC工作温度较低的特点，正常工作温度约为50～65℃左右，若将PEMFC的余热作为热源，直接用于供热的话，能够得到的供热温度一般不能超过65℃，在需要高温供热的场合(如需要供热温度在80℃以上的场合)应用受到限制，这些应用场合包括食品和药品烘干、木材干燥、烟草烘干等。
如以PEMFC发的电来带动电加热器以加热空气的方式，虽可以得到高温空气，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左右，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一种充分利用燃料电池的电能和热能，并通过将燃料电池的废热温度提升，使得余热的利用品质更高的质子交换膜燃料电池高温供热系统。
本发明的实施例提供一种质子交换膜燃料电池高温供热系统，包括质子交换膜燃料电池系统、散热系统和高温热泵系统，所述高温热泵系统包括直流制冷压缩机、冷凝装置、节流元件和蒸发器，所述直流制冷压缩机、冷凝装置、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，所述稳定直流电驱动直流制冷压缩机运转，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冷却水回路，所述散热系统向质子交换膜燃料电池系统供应冷却水，冷却水吸收质子交换膜燃料电池系统的反应热而升温，吸收了质子交换膜燃料电池系统反应热的冷却水从质子交换膜燃料电池系统中流出，并流入蒸发器，在蒸发器中冷却水向制冷剂回路放热，放热后的冷却水再流回散热系统被进一步冷却到质子交换膜燃料电池系统的反应温度以下，从而再次具备冷却质子交换膜燃料电池系统的能力。
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排放到空气中，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。
进一步，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，所述冷凝装置包括冷凝器和冷凝风机，所述冷凝风机驱动空气流过冷凝器，所述直流制冷压缩机将制冷剂气体压缩为高温高压气体，所述高温高压气体进入冷凝器，所述冷凝器与冷凝器外侧的空气进行换热，得到用于供热的高温空气，同时，所述高温高压气体冷凝成高温高压液体，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吸收冷却水的热量，吸收冷却水热量的气液混合物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，所述冷凝器为冷媒—空气换热器，所述蒸发器为冷媒—水换热器。
进一步，所述冷凝器为翅片管式换热器或微通道平行流式冷凝器，所述蒸发器为板式换热器、壳管式换热器或套管式换热器。
进一步，所述制冷剂为高温工质，所述制冷剂的蒸发温度为45-65℃，所述制冷剂的冷凝温度为85-105℃；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装置和节流元件之间，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冷却水，并泵入质子交换膜燃料电池系统，所述散热器出口的冷却水的水温控制在45-65℃，散热器出口的冷却水的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冷却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冷却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冷却水的水温通过水泵的转速进行调节控制在50-70℃。
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提供冷却水并提供冷却水的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：本发明以PEMFC发电，再以电能驱动的方式来制热，加热的综合效率可以到1.5以上，可得到远高于质子交换膜燃料电池余热温度的高温热空气，从而可用于需要高温空气作为加热源的场合，如：烟草烘干、药品食品干燥、木材干燥、衣物干燥等；本发明综合应用了质子交换膜燃料电池技术和蒸气压缩式热泵技术，蒸气压缩式热泵所采用的循环工质工作在45-105℃的温度范围，最高可将空气温度加热到90-100℃；本发明综合利用了燃料电池的电能和热能，通过将燃料电池的废热温度提升，使得余热的利用品质更高,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组成示意图。
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高温供热系统，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。
质子交换膜燃料电池1系统包括氢气供应回路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排放到空气中，反应后的空气乏气排放到空气中。
高温热泵系统3包括直流制冷压缩机31、冷凝装置32、节流元件33和蒸发器34，直流制冷压缩机31、冷凝装置32、节流元件33和蒸发器34依次连接构成制冷剂回路，冷凝装置32包括冷凝器321和冷凝风机322，冷凝风机322驱动空气流过冷凝器321，质子交换膜燃料电池系统1生成直流电，直流电被转换成稳定直流电，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，高温高压气体进入冷凝器321，冷凝器321与冷凝器321外侧的空气进行换热，得到高温空气，同时，高温高压气体冷凝成高温高压液体，所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，气液混合物在蒸发器34中吸收冷却水的热量，吸收冷却水热量的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。
在一实施例中，冷凝器321为冷媒—空气换热器，蒸发器34为冷媒—水换热器。冷凝器321为翅片管式换热器或微通道平行流式冷凝器，蒸发器34为板式换热器、壳管式换热器或套管式换热器。制冷剂为高温工质，制冷剂的蒸发温度为45-65℃，制冷剂的冷凝温度为85-105℃；高温热泵系统3还包括干燥过滤器35和气液分离器36，干燥过滤器35设在冷凝装置32和节流元件33之间，气液分离器36设在蒸发器34和直流制冷压缩机31之间，干燥过滤器35过滤高温高压液体中的杂质和水分，气液分离器26将未蒸发的气液混合物进行分离。
散热系统2、质子交换膜燃料电池系统1和蒸发器34依次连通构成冷却水回路，散热系统2向质子交换膜燃料电池系统1供应冷却水并让冷却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反应热的冷却水从质子交换膜燃料电池系统1中流出，并流入蒸发器34，在蒸发器34中冷却水向制冷剂回路放热，放热后的冷却水降温后再流回散热系统2被进一步冷却到质子交换膜燃料电池系统的反应温度以下，从而再次具备冷却质子交换膜燃料电池系统的能力，散热系统2将冷却后的冷却水循环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的底部抽取冷却水，并泵入质子交换膜燃料电池系统1，散热器21出口处的冷却水的水温控制在45-65℃，散热器21出口的冷却水的水温通过散热风机22和旁通阀24调节，当冷却水的水温过高时，散热风机22的转速加大，同时旁通阀24关闭；当冷却水的水温过低时，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中的冷却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反应热的冷却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中流出的冷却水的水温通过水泵23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中流出的冷却水的水温过高时，增大水泵的转速，使进入质子交换膜燃料电池系统1的水流量增大，从质子交换膜燃料电池系统1中流出的冷却水的水温过低时，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，高温高压气体进入冷凝器321，冷凝器321与冷凝器321外侧的空气进行换热，得到高温空气，同时，高温高压气体冷凝成高温高压液体，所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。
同时，在反应过程中，水泵23从散热器21的底部抽冷却水，并泵入质子交换膜燃料电池系统1，散热器21中的冷却水的水温控制在45-65℃，泵入质子交换膜燃料电池系统1中的冷却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反应热的冷却水从质子交换膜燃料电池系统1中流出，从质子交换膜燃料电池系统1中流出的冷却水的水温通过水泵23的转速进行调节控制在50-70℃，并进入蒸发器34，因此，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，吸收了质子交换膜燃料电池系统1反应热的冷却水温度降低，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，而，冷却水在蒸发器34中被冷却后再流回散热系统2被进一步冷却，散热系统2将冷却后的冷却水循环供应给质子交换膜燃料电池系统1。
本发明以PEMFC发电，再以电能驱动的方式来制热，加热的综合效率可以到1.5以上，制热温度可达到80℃以上，远高于一般质子交换膜燃料电池50-60℃的余热温度，从而可应用于需要高温空气作为加热源的场合，如：烟草烘干、药品食品干燥、木材干燥、衣物干燥等；本发明综合应用了质子交换膜燃料电池技术和蒸气压缩式热泵技术，蒸气压缩式热泵所采用的循环工质工作在45-105℃的温度范围，最高可将空气温度加热到90-100℃；本发明综合利用了燃料电池的电能和热能，通过将燃料电池的废热温度提升，使得余热的利用品质更高。
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高温供热系统，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，所述高温热泵系统包括直流制冷压缩机、冷凝装置、节流元件和蒸发器，所述直流制冷压缩机、冷凝装置、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，所述稳定直流电驱动直流制冷压缩机运转，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冷却水回路，所述散热系统向质子交换膜燃料电池系统供应冷却水，冷却水吸收质子交换膜燃料电池系统的反应热而升温，吸收了质子交换膜燃料电池系统反应热的冷却水从质子交换膜燃料电池系统中流出，并流入蒸发器，在蒸发器中冷却水向制冷剂回路放热，放热后的冷却水再流回散热系统被进一步冷却到质子交换膜燃料电池系统的反应温度以下，从而再次具备冷却质子交换膜燃料电池系统的能力。
2.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池高温供热系统,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排放到空气中，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高温供热系统,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。
4.根据权利要求2所述的质子交换膜燃料电池高温供热系统,其特征在于，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。
5.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池高温供热系统，其特征在于，所述冷凝装置包括冷凝器和冷凝风机，所述冷凝风机驱动空气流过冷凝器，所述直流制冷压缩机将制冷剂气体压缩为高温高压气体，所述高温高压气体进入冷凝器，所述冷凝器与冷凝器外侧的空气进行换热，得到用于供热的高温空气，同时，所述高温高压气体冷凝成高温高压液体，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吸收冷却水的热量，吸收冷却水热量的气液混合物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。
6.根据权利要求5所述的质子交换膜燃料电池高温供热系统，其特征在于，所述冷凝器为冷媒—空气换热器，所述蒸发器为冷媒—水换热器。
7.根据权利要求5所述的质子交换膜燃料电池高温供热系统，其特征在于，所述冷凝器为翅片管式换热器或微通道平行流式冷凝器，所述蒸发器为板式换热器、壳管式换热器或套管式换热器。
8.根据权利要求5所述的质子交换膜燃料电池高温供热系统，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为45-65℃，所述制冷剂的冷凝温度为85-105℃；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装置和节流元件之间，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。
9.根据权利要求1所述的质子交换膜燃料电池高温供热系统，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冷却水，并泵入质子交换膜燃料电池系统，所述散热器出口的冷却水的水温控制在45-65℃，散热器出口的冷却水的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冷却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冷却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冷却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高温供热系统，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提供冷却水并提供冷却水的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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