本發(fā)明涉及氫燃料電池技術(shù)，尤其涉及質(zhì)子交換膜燃料電池驅(qū)動的高溫?zé)岜脽崴到y(tǒng)。

背景技術(shù)：

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)具有效率高、工作溫度低的特點(diǎn)，是目前應(yīng)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(zhuǎn)化成電能，剩下的50％能量都以熱量的形式排放掉了。

在遠(yuǎn)離電網(wǎng)但氫氣來源較豐富的地區(qū)，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(diǎn)，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?zé)崴膱龊鲜艿较拗啤?/p>

此外，若以PEMFC發(fā)的電帶動電加熱器的方式，雖可以得到高溫?zé)崴?≤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(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)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(zhì)子交換膜燃料電池驅(qū)動的高溫?zé)岜脽崴到y(tǒng)。

本發(fā)明的實施例提供一種質(zhì)子交換膜燃料電池驅(qū)動的高溫?zé)岜脽崴到y(tǒng)，包括質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)和高溫?zé)岜孟到y(tǒng)，所述高溫?zé)岜孟到y(tǒng)包括直流制冷壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、節(jié)流元件、冷凝器、熱水箱和熱水循環(huán)泵，所述質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)生直流電，所述直流電被轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定直流電，所述穩(wěn)定直流電驅(qū)動直流制冷壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，所述直流制冷壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、節(jié)流元件和冷凝器依次連通構(gòu)成制冷劑回路，所述熱水箱通過熱水循環(huán)泵與冷凝器連通構(gòu)成熱水回路。

進(jìn)一步，所述質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)包括氫氣供應(yīng)回路、空氣供應(yīng)回路、質(zhì)子交換膜燃料電池電堆和直流-直流變換器，所述氫氣供應(yīng)回路和空氣供應(yīng)回路均連接質(zhì)子交換膜燃料電池電堆，所述氫氣供應(yīng)回路供應(yīng)氫氣，所述空氣供應(yīng)回路供應(yīng)空氣，氫氣和空氣中的氧氣在質(zhì)子交換膜燃料電池電堆中發(fā)生反應(yīng)生成直流電，所述直流-直流變換器將直流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定直流電，反應(yīng)后剩余的微量氫氣經(jīng)第一電磁閥排出到空氣中，反應(yīng)后的空氣乏氣排放到空氣中。

進(jìn)一步，所述氫氣供應(yīng)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(jīng)過減壓閥、單向閥、手動截止閥和防爆電磁閥進(jìn)入質(zhì)子交換膜燃料電池電堆；所述空氣供應(yīng)回路包括空氣濾清器、消音器和空氣壓縮機(jī)，所述空氣濾清器、消音器和空氣壓縮機(jī)依次連接，空氣經(jīng)過空氣濾清器、消音器處理后進(jìn)入空氣壓縮機(jī)，所述空氣壓縮機(jī)將空氣升壓，并送入質(zhì)子交換膜燃料電池電堆。

進(jìn)一步，所述直流制冷壓縮機(jī)將制冷劑氣體壓縮為高溫高壓氣體，所述高溫高壓氣進(jìn)入冷凝器，所述熱水箱中的水通過熱水循環(huán)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?zé)崴鋵崿F(xiàn)熱水輸出，所述高溫高壓液體流經(jīng)節(jié)流元件變?yōu)榈蜏氐蛪旱臍庖夯旌衔?，所述氣液混合物流入蒸發(fā)器，所述氣液混合物在蒸發(fā)器中再次蒸發(fā)為制冷劑氣體，所述直流制冷壓縮機(jī)的吸氣口將制冷劑氣體吸入直流制冷壓縮機(jī)內(nèi)，制冷劑氣體在直流制冷壓縮機(jī)內(nèi)再次被壓縮。

進(jìn)一步，所述制冷劑為高溫工質(zhì)，所述制冷劑的蒸發(fā)溫度范圍為45-65℃，所述制冷劑的冷凝溫度范圍為85-105℃。

進(jìn)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(jié)流元件是節(jié)流毛細(xì)管、熱力膨脹閥、電子膨脹閥、節(jié)流短管或節(jié)流孔板中的任一種。

進(jìn)一步，所述高溫?zé)岜孟到y(tǒng)還包括干燥過濾器和氣液分離器，所述干燥過濾器設(shè)在冷凝器和節(jié)流元件之間，所述氣液分離器設(shè)在蒸發(fā)器和直流制冷壓縮機(jī)之間，所述干燥過濾器過濾高溫高壓液體中的雜質(zhì)和水分，所述氣液分離器將未蒸發(fā)的氣液混合物進(jìn)行分離。

進(jìn)一步，所述質(zhì)子交換膜燃料電池驅(qū)動的高溫?zé)岜脽崴到y(tǒng)還包括散熱系統(tǒng)，所述散熱系統(tǒng)、質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)和蒸發(fā)器依次連通構(gòu)成回路，所述散熱系統(tǒng)向質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)供水并讓水吸收質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的反應(yīng)熱，吸收了質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)反應(yīng)熱的水從質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)中流出，并流入蒸發(fā)器，向蒸發(fā)器傳熱，水溫降低被冷卻，再流回散熱系統(tǒng)中被進(jìn)一步冷卻，所述散熱系統(tǒng)將冷卻后的水循環(huán)供應(yīng)給質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)。

進(jìn)一步，所述散熱系統(tǒng)包括散熱器、散熱風(fēng)機(jī)、水泵和旁通閥，所述散熱風(fēng)機(jī)加速散熱器外部空氣的對流，所述旁通閥和散熱器并聯(lián)，所述水泵從散熱器的底部抽水，并泵入質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)，所述散熱器出口處的水溫控制在45-65℃，水溫通過散熱風(fēng)機(jī)和旁通閥調(diào)節(jié)，當(dāng)水溫過高時，散熱風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速加大，同時旁通閥關(guān)閉；當(dāng)水溫過低時，散熱風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速減小，同時旁通閥打開，泵入質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)中的水帶走質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的反應(yīng)熱溫度升高，吸收了質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)反應(yīng)熱的水從質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)中流出，并進(jìn)入高溫?zé)岜孟到y(tǒng)的蒸發(fā)器，從質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)中流出的水的水溫通過水泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)控制在50-70℃，從質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)中流出的水的水溫過高時，增大水泵的轉(zhuǎn)速，使進(jìn)入質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的水流量增大，從質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)中流出的水的水溫過低時，減小水泵的轉(zhuǎn)速，使進(jìn)入質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的水流量減小。

進(jìn)一步，所述散熱系統(tǒng)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(shè)在水泵和散熱器之間。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明能充分利用燃料電池的電能和熱能，符合可持續(xù)發(fā)展的要求，經(jīng)濟(jì)效益提高；本發(fā)明制熱效率高，制取的熱水溫度可達(dá)80℃以上，最高可達(dá)到100℃；本發(fā)明先以PEMFC發(fā)電，再以電能驅(qū)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(dá)到3左右)，遠(yuǎn)高于一般電熱水器的效率。另外，本發(fā)明通過熱水循環(huán)泵實現(xiàn)強(qiáng)迫對流換熱，對流換熱的傳熱系數(shù)遠(yuǎn)高于自然對流的傳熱系數(shù)，大大提高了制熱效率，本發(fā)明由于高溫?zé)岜孟到y(tǒng)所采用的制冷劑為高溫工質(zhì)，其蒸發(fā)溫度為45-65℃，因此其可以從溫度為50-70℃的、從燃料電池系統(tǒng)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(fā)明一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實施方式作進(jìn)一步地描述。

請參考圖1，本發(fā)明的實施例提供了一種質(zhì)子交換膜燃料電池驅(qū)動的高溫?zé)岜脽崴到y(tǒng)，包括質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1和高溫?zé)岜孟到y(tǒng)2。

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

氫氣供應(yīng)回路11供應(yīng)氫氣，氫氣供應(yīng)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(jīng)過減壓閥112、單向閥113、手動截止閥114和防爆電磁閥115進(jìn)入質(zhì)子交換膜燃料電池電堆13。

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

氫氣和空氣中的氧氣在質(zhì)子交換膜燃料電池電堆13中發(fā)生反應(yīng)生成直流電，反應(yīng)后剩余的微量氫氣經(jīng)第一電磁閥116排出到空氣中，反應(yīng)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(zhuǎn)換成穩(wěn)定直流電。

高溫?zé)岜孟到y(tǒng)2包括直流制冷壓縮機(jī)21、蒸發(fā)器22、節(jié)流元件23、冷凝器24、熱水箱25和熱水循環(huán)泵26，直流制冷壓縮機(jī)21、蒸發(fā)器22、節(jié)流元件23和冷凝器24依次連通構(gòu)成制冷劑回路，熱水箱25通過熱水循環(huán)泵26與冷凝器24連通構(gòu)成熱水回路，穩(wěn)定直流電驅(qū)動直流制冷壓縮機(jī)21運(yùn)轉(zhuǎn)，直流制冷壓縮機(jī)21將制冷劑氣體壓縮為高溫高壓氣體，高溫高壓氣進(jìn)入冷凝器24，熱水箱25中的水通過熱水循環(huán)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?zé)崴?5實現(xiàn)熱水輸出，高溫高壓液體流經(jīng)節(jié)流元件23變?yōu)榈蜏氐蛪旱臍庖夯旌衔?，氣液混合物流入蒸發(fā)器22，氣液混合物在蒸發(fā)器22中再次蒸發(fā)為制冷劑氣體，直流制冷壓縮機(jī)21的吸氣口將制冷劑氣體吸入直流制冷壓縮機(jī)21內(nèi)，制冷劑氣體在直流制冷壓縮機(jī)21內(nèi)再次被壓縮。

在一實施例中，制冷劑為高溫工質(zhì)，制冷劑的蒸發(fā)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(yōu)選板式換熱器，節(jié)流元件23是節(jié)流毛細(xì)管、熱力膨脹閥、電子膨脹閥、節(jié)流短管或節(jié)流孔板中的任一種。

高溫?zé)岜孟到y(tǒng)2還包括干燥過濾器27和氣液分離器28，干燥過濾器27設(shè)在冷凝器24和節(jié)流元件23之間，氣液分離器28設(shè)在蒸發(fā)器22和直流制冷壓縮機(jī)21之間，干燥過濾器27過濾高溫高壓液體中的雜質(zhì)和水分，氣液分離器28將未蒸發(fā)的氣液混合物進(jìn)行分離。

質(zhì)子交換膜燃料電池驅(qū)動的高溫?zé)岜脽崴到y(tǒng)還包括散熱系統(tǒng)3，散熱系統(tǒng)3、質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1和蒸發(fā)器22依次連通構(gòu)成回路，散熱系統(tǒng)3向質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1供水并讓水吸收質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1的反應(yīng)熱，吸收了質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1反應(yīng)熱的水從質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1中流出，并流入蒸發(fā)器22，向蒸發(fā)器22傳熱，水溫降低被冷卻，再流回散熱系統(tǒng)3中被進(jìn)一步冷卻，散熱系統(tǒng)3將冷卻后的水循環(huán)供應(yīng)給質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1。

散熱系統(tǒng)3包括散熱器31、散熱風(fēng)機(jī)32、水泵33和旁通閥34，散熱風(fēng)機(jī)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(lián)，水泵33從散熱器31的底部抽水，并泵入質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1，散熱器31中的水溫控制在45-65℃，水溫通過散熱風(fēng)機(jī)32和旁通閥34調(diào)節(jié)，當(dāng)水溫過高時，散熱風(fēng)機(jī)32的轉(zhuǎn)速加大，同時旁通閥34關(guān)閉；當(dāng)水溫過低時，散熱風(fēng)機(jī)32的轉(zhuǎn)速減小，同時旁通閥34打開，泵入質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1中的水帶走質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1的反應(yīng)熱溫度升高，吸收了質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1反應(yīng)熱的水從質(zhì)子交換膜燃料電池1系統(tǒng)中流出，并進(jìn)入高溫?zé)岜孟到y(tǒng)2的蒸發(fā)器22，從質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1中流出的水的水溫通過水泵33的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)控制在50-70℃，從質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1中流出的水的水溫過高時，增大水泵33的轉(zhuǎn)速，使進(jìn)入質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1的水流量增大，從質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1中流出的水的水溫過低時，減小水泵33的轉(zhuǎn)速，使進(jìn)入質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1的水流量減小。

散熱系統(tǒng)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(shè)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(zhì)子交換膜燃料電池電堆13中反應(yīng)生成直流電，反應(yīng)生成的直流電經(jīng)直流-直流變換器14轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定直流電，穩(wěn)定直流電驅(qū)動直流制冷壓縮機(jī)21運(yùn)轉(zhuǎn)，直流制冷壓縮機(jī)21將制冷劑氣體壓縮為高溫高壓氣體，高溫高壓氣進(jìn)入冷凝器24，熱水箱25中的水通過熱水循環(huán)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?zé)崴?5實現(xiàn)熱水輸出，高溫高壓液體流經(jīng)節(jié)流元件23變?yōu)榈蜏氐蛪旱臍庖夯旌衔?，氣液混合物流入蒸發(fā)器22。

同時，在反應(yīng)過程中，水泵33從散熱器31的底部抽水，并泵入質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1，散熱器31中的水溫控制在45-65℃，泵入質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1中的水帶走質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1的反應(yīng)熱溫度升高，吸收了質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1反應(yīng)熱的水從質(zhì)子交換膜燃料電池1系統(tǒng)中流出，從質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1中流出的水的水溫通過水泵33的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)控制在50-70℃，并進(jìn)入高溫?zé)岜孟到y(tǒng)2的蒸發(fā)器22。

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

本發(fā)明能充分利用燃料電池的電能和熱能，符合可持續(xù)發(fā)展的要求，經(jīng)濟(jì)效益提高；本發(fā)明制熱效率高，制取的熱水溫度可達(dá)80℃以上，最高可達(dá)到100℃；本發(fā)明先以PEMFC發(fā)電，再以電能驅(qū)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(dá)到3左右)，遠(yuǎn)高于一般電熱水器的效率。另外，本發(fā)明通過熱水循環(huán)泵實現(xiàn)強(qiáng)迫對流換熱，對流換熱的傳熱系數(shù)遠(yuǎn)高于自然對流的傳熱系數(shù)，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(dá)技術(shù)方案的清楚及方便。應(yīng)當(dāng)理解，所述方位詞的使用不應(yīng)限制本申請請求保護(hù)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(jié)合。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。