專利名稱：燃料電池和空氣源熱泵熱水器的聯(lián)合系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種能源技術(shù)領(lǐng)域的系統(tǒng)，具體的說，涉及的是一種燃料電池和空氣源熱泵熱水器的聯(lián)合系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
首先，質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)是一種采用氫氣為燃料、空氣中的氧氣為氧化劑的發(fā)電裝置，由于燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，可使其不受卡諾爾循環(huán)效率的限制，因此，質(zhì)子交換膜燃料電池組具有效率高、環(huán)境友好等特點(diǎn)。質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)在工作時(shí)，排出空氣的溫度通常在40℃左右且具有1～2m/s流速，然而具有大量低品位能量的燃料電池排出空氣往往直接排向大氣而不被利用，從而造成能量的浪費(fèi)。其次，空氣源熱泵熱水器是一種基于熱泵循環(huán)的熱水器系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用蒸發(fā)器從環(huán)境空氣中吸收熱能，并通過冷凝盤管將熱能釋放到熱水水箱中去，從而實(shí)現(xiàn)了熱水的制備。然而，目前的空氣源熱泵熱水器的蒸發(fā)溫度隨著季節(jié)的變化而不斷變化，從而使得壓縮機(jī)的季節(jié)能效比和全年經(jīng)濟(jì)性都較低；此外，空氣源熱泵熱水器的蒸發(fā)器要采用軸流風(fēng)機(jī)來提高其換熱性能，因此，進(jìn)一步增加了系統(tǒng)的耗功。
經(jīng)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專利公開號(hào)CN 2708173Y，
公開日為2005.07.06，專利名稱為容量可調(diào)的空氣源熱泵熱水器。該專利的自敘述為“一種容量可調(diào)的空氣源熱泵熱水器，由壓縮機(jī)、氣液分離器、干燥過濾器、毛細(xì)管組、風(fēng)冷換熱器、冷凝盤管、生活熱水箱、溫度傳感器及控制器等部件組成。采用三根分別按照冬季、夏季和過渡季工況進(jìn)行設(shè)計(jì)的不同長(zhǎng)度的毛細(xì)管并聯(lián)組成毛細(xì)管組，并采用三只制冷電磁閥加以通斷控制，可極大地改善空氣源熱泵熱水器的季節(jié)能效比及全年經(jīng)濟(jì)性能。帶溫度傳感器的風(fēng)機(jī)控制器可根據(jù)檢測(cè)的蒸發(fā)盤管出口制冷劑過熱度來控制軸流風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)多段式的自動(dòng)風(fēng)量調(diào)節(jié)功能，使蒸發(fā)器在任何工況下都可以獲得合理的空氣熱能。本實(shí)用新型具有高效節(jié)能、安全可靠、使用壽命長(zhǎng)、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。”其不足之處是首先，該發(fā)明采用三根毛細(xì)管并聯(lián)組成毛細(xì)管組，并對(duì)應(yīng)使用三只電磁閥，因此，該設(shè)計(jì)勢(shì)必大大增加系統(tǒng)的成本，提高系統(tǒng)控制的難度，從而削弱系統(tǒng)的穩(wěn)定性；其次，采用三只毛細(xì)管的做法并沒有從本質(zhì)上解決系統(tǒng)蒸發(fā)溫度隨季節(jié)變化的特性，因此，壓縮機(jī)的季節(jié)能效比仍然上下波動(dòng)，此外，壓縮機(jī)的變工況運(yùn)行對(duì)壓縮機(jī)的壽命也有較大的影響；最后，該系統(tǒng)中軸流風(fēng)扇的存在，進(jìn)一步增加了系統(tǒng)的成本、控制的復(fù)雜性和系統(tǒng)的功耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種燃料電池和空氣源熱泵熱水器的聯(lián)合系統(tǒng)，使其利用燃料電池排出空氣中的余熱提高空氣源熱泵的蒸發(fā)溫度，并使其恒定于該蒸發(fā)溫度，從而可以減少熱泵子系統(tǒng)中壓縮機(jī)的功耗、節(jié)流元件的數(shù)量并提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；此外，由于燃料電池排出空氣流速通常為1～2m/s，因此，蒸發(fā)器中的軸流風(fēng)機(jī)可被省略，從而可進(jìn)一步簡(jiǎn)化熱泵子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、節(jié)約成本并降低其功耗。
本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括質(zhì)子交換膜燃料電池子系統(tǒng)、空氣尾氣調(diào)節(jié)閥、蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝盤管、節(jié)流元件、熱水水箱、冷水調(diào)節(jié)閥、熱水調(diào)節(jié)閥、溫度傳感器。質(zhì)子交換膜燃料電池子系統(tǒng)通過不銹鋼管及空氣尾氣調(diào)節(jié)閥與蒸發(fā)器相連接。質(zhì)子交換膜燃料電池子系統(tǒng)通過電線與壓縮機(jī)電連接。蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝盤管、節(jié)流元件通過銅管串聯(lián)連接構(gòu)成熱泵子系統(tǒng)。冷凝盤管置于熱水水箱中。冷水調(diào)節(jié)閥安裝于熱水水箱上，其位置低于冷凝盤管水平位置；熱水調(diào)節(jié)閥安裝于熱水水箱上，其位置高于冷凝盤管水平位置。溫度傳感器安裝于熱水水箱內(nèi)，其位置與熱水調(diào)節(jié)閥水平。
所述質(zhì)子交換膜燃料電池子系統(tǒng)，包括質(zhì)子交換膜燃料電池組和直流-交流逆變器。質(zhì)子交換膜燃料電池組與直流-交流逆變器電連接；直流-交流逆變器與外界電線電連接。
所述空氣尾氣調(diào)節(jié)閥為一個(gè)自動(dòng)三通調(diào)節(jié)閥，來自質(zhì)子交換膜燃料電池組的空氣尾氣從閥門的一端進(jìn)入，按設(shè)定的流量分別排向大氣和蒸發(fā)器。
所述蒸發(fā)器，其具體結(jié)構(gòu)為管翅式，來自空氣尾氣調(diào)節(jié)閥的空氣在翅片管的外側(cè)放熱，熱量通過翅片管傳給管內(nèi)制冷工質(zhì)。
所述熱水水箱，由內(nèi)膽和保溫層構(gòu)成，內(nèi)膽為不銹鋼承壓式結(jié)構(gòu)，內(nèi)膽外包裹聚氨酯保溫層。
本發(fā)明使用時(shí)，氫氣和空氣進(jìn)入質(zhì)子交換膜燃料電池子系統(tǒng)，通過其內(nèi)部的質(zhì)子交換膜燃料電池組的電化學(xué)反應(yīng)向直流-交流逆變器輸出直流電，直流-交流逆變器通過逆變轉(zhuǎn)換對(duì)外輸出220V交流電，此電能中的一部分通過電線輸送給用戶，另一部分則供應(yīng)熱泵子系統(tǒng)的壓縮機(jī)；其次，質(zhì)子交換膜燃料電池子系統(tǒng)內(nèi)經(jīng)電化學(xué)反應(yīng)后的少量殘余氫氣被排向大氣，而溫度為40℃的熱空氣排氣經(jīng)由不銹鋼管、通過空氣尾氣調(diào)節(jié)閥進(jìn)入蒸發(fā)器；在蒸發(fā)器內(nèi)，吸收空氣排氣熱量的制冷工質(zhì)由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)后經(jīng)由銅管被吸入壓縮機(jī)，在壓縮機(jī)內(nèi)制冷工質(zhì)被壓縮成為高溫、高壓氣體后送入冷凝盤管，在冷凝盤管內(nèi)制冷工質(zhì)所含熱量被傳遞給熱水水箱中的冷水，冷凝盤管內(nèi)氣態(tài)制冷工質(zhì)放出熱量后變?yōu)楦邏阂簯B(tài)，該液態(tài)制冷工質(zhì)進(jìn)一步經(jīng)由銅管進(jìn)入節(jié)流元件后變?yōu)?0℃的低溫、低壓液態(tài)制冷工質(zhì)，該制冷工質(zhì)再次進(jìn)入蒸發(fā)器吸熱從而完成熱泵循環(huán)；來自城市水管網(wǎng)的自來水通過冷水調(diào)節(jié)閥進(jìn)入熱水水箱，從冷凝盤管中吸熱后，由熱水調(diào)節(jié)閥輸出熱水，輸出熱水的溫度(30～70℃)通過溫度傳感器加以監(jiān)測(cè)，并通過改變空氣尾氣調(diào)節(jié)閥向蒸發(fā)器輸送熱空氣的流量以及壓縮機(jī)的啟停加以調(diào)節(jié)；熱水水箱由內(nèi)膽和保溫層構(gòu)成，為了承受水的靜態(tài)壓力內(nèi)膽為不銹鋼承壓式結(jié)構(gòu)，為了防止熱量的損失內(nèi)膽外包裹聚氨酯保溫層。
本發(fā)明的有益效果是(1)由于質(zhì)子交換膜燃料電池子系統(tǒng)的空氣出口溫度通常恒定在40℃左右，與之相應(yīng)的蒸發(fā)器內(nèi)制冷工質(zhì)的溫度可提高并恒定在10℃左右，因此，無須采用多個(gè)節(jié)流元件調(diào)節(jié)熱泵子系統(tǒng)對(duì)于季節(jié)的適應(yīng)性，從而簡(jiǎn)化了熱泵子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制，進(jìn)而可節(jié)約成本；(2)當(dāng)熱水水箱的出水溫度保持一定、且蒸發(fā)溫度提高至10℃時(shí)，熱泵子系統(tǒng)中壓縮機(jī)的功耗可比原先減少50％以上；(3)由于質(zhì)子交換膜燃料電池子系統(tǒng)的排出空氣流速通常為1～2m/s，因此，蒸發(fā)器中的軸流風(fēng)機(jī)被省略，從而可進(jìn)一步簡(jiǎn)化熱泵子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、節(jié)約成本并降低其功耗；(4)熱泵子系統(tǒng)中壓縮機(jī)的耗功直接來源于燃料電池子系統(tǒng)的輸出功耗，因此可減少電網(wǎng)的負(fù)荷。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明包括質(zhì)子交換膜燃料電池子系統(tǒng)1、空氣尾氣調(diào)節(jié)閥2、蒸發(fā)器3、壓縮機(jī)4、冷凝盤管5、節(jié)流元件6、熱水水箱7、冷水調(diào)節(jié)閥8、熱水調(diào)節(jié)閥9、溫度傳感器10。所述質(zhì)子交換膜燃料電池子系統(tǒng)1通過不銹鋼管11及空氣尾氣調(diào)節(jié)閥2與蒸發(fā)器3相連接。質(zhì)子交換膜燃料電池子系統(tǒng)1通過電線12與壓縮機(jī)4電連接。蒸發(fā)器3、壓縮機(jī)4、冷凝盤管5、節(jié)流元件6通過銅管13串聯(lián)連接構(gòu)成熱泵子系統(tǒng)。冷凝盤管5置于熱水水箱7中。冷水調(diào)節(jié)閥8安裝于熱水水箱7上，其位置低于冷凝盤管5水平位置；熱水調(diào)節(jié)閥9安裝于熱水水箱7上，其位置高于冷凝盤管5水平位置。溫度傳感器10安裝于熱水水箱7內(nèi)，其位置與熱水調(diào)節(jié)閥9水平。
所述質(zhì)子交換膜燃料電池子系統(tǒng)1，包括質(zhì)子交換膜燃料電池組14和直流-交流逆變器15。質(zhì)子交換膜燃料電池組14與直流-交流逆變器15電連接；直流-交流逆變器15與外界電線12電連接。
所述空氣尾氣調(diào)節(jié)閥2為一個(gè)自動(dòng)三通調(diào)節(jié)閥，來自質(zhì)子交換膜燃料電池組14的空氣尾氣從閥門的一端進(jìn)入，按設(shè)定的流量分別排向大氣和蒸發(fā)器3。
所述蒸發(fā)器3，其具體結(jié)構(gòu)為管翅式，來自空氣尾氣調(diào)節(jié)閥2的空氣在翅片管的外側(cè)放熱，熱量通過翅片管傳給管內(nèi)制冷工質(zhì)。
所述熱水水箱7，由內(nèi)膽16和保溫層17構(gòu)成，內(nèi)膽16為不銹鋼承壓式結(jié)構(gòu)，內(nèi)膽16外包裹聚氨酯保溫層17。
本發(fā)明使用時(shí)，氫氣和空氣進(jìn)入質(zhì)子交換膜燃料電池子系統(tǒng)1，通過其內(nèi)部的質(zhì)子交換膜燃料電池組14的電化學(xué)反應(yīng)向直流-交流逆變器輸15出直流電，直流-交流逆變器15通過逆變轉(zhuǎn)換對(duì)外輸出220V交流電，此電能中的一部分通過電線12輸送給用戶，另一部分則供應(yīng)熱泵子系統(tǒng)的壓縮機(jī)；其次，質(zhì)子交換膜燃料電池子系統(tǒng)1內(nèi)經(jīng)電化學(xué)反應(yīng)后的少量殘余氫氣被排向大氣，而溫度為40℃的熱空氣排氣經(jīng)由不銹鋼管11、通過空氣尾氣調(diào)節(jié)閥2進(jìn)入蒸發(fā)器3；在蒸發(fā)器3內(nèi)，吸收空氣排氣熱量的制冷工質(zhì)由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)后經(jīng)由銅管13被吸入壓縮機(jī)4，在壓縮機(jī)4內(nèi)制冷工質(zhì)被壓縮成為高溫、高壓氣體后送入冷凝盤管5，在冷凝盤管5內(nèi)制冷工質(zhì)所含熱量被傳遞給熱水水箱7中的冷水，冷凝盤管5內(nèi)氣態(tài)制冷工質(zhì)放出熱量后變?yōu)楦邏阂簯B(tài)，該液態(tài)制冷工質(zhì)進(jìn)一步經(jīng)由銅管13進(jìn)入節(jié)流元件6后變?yōu)?0℃的低溫、低壓液態(tài)制冷工質(zhì)，該制冷工質(zhì)再次進(jìn)入蒸發(fā)器3吸熱從而完成熱泵循環(huán)；來自城市水管網(wǎng)的自來水通過冷水調(diào)節(jié)閥8進(jìn)入熱水水箱7，從冷凝盤管5中吸熱后，由熱水調(diào)節(jié)閥9輸出熱水，輸出熱水的溫度(30～70℃)通過溫度傳感器10加以監(jiān)測(cè)，并通過改變空氣尾氣調(diào)節(jié)閥2向蒸發(fā)器3輸送熱空氣的流量以及壓縮機(jī)4的啟停加以調(diào)節(jié)；熱水水箱7由內(nèi)膽16和保溫層17構(gòu)成，為了承受水的靜態(tài)壓力內(nèi)膽16為不銹鋼承壓式結(jié)構(gòu)，為了防止熱量的損失內(nèi)膽16外包裹聚氨酯保溫層17。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池和空氣源熱泵熱水器的聯(lián)合系統(tǒng)，包括質(zhì)子交換膜燃料電池子系統(tǒng)(1)、空氣尾氣調(diào)節(jié)閥(2)、蒸發(fā)器(3)、壓縮機(jī)(4)、冷凝盤管(5)、節(jié)流元件(6)、熱水水箱(7)、冷水調(diào)節(jié)閥(8)、熱水調(diào)節(jié)閥(9)、溫度傳感器(10)，其特征在于，質(zhì)子交換膜燃料電池子系統(tǒng)(1)通過不銹鋼管(11)及空氣尾氣調(diào)節(jié)閥(2)與蒸發(fā)器(3)相連接，質(zhì)子交換膜燃料電池子系統(tǒng)(1)通過電線(12)與壓縮機(jī)(4)電連接，蒸發(fā)器(3)、壓縮機(jī)(4)、冷凝盤管(5)、節(jié)流元件(6)通過銅管(13)串聯(lián)連接構(gòu)成熱泵子系統(tǒng)，冷凝盤管(5)置于熱水水箱(7)中，冷水調(diào)節(jié)閥(8)設(shè)置于熱水水箱(7)上，其位置低于冷凝盤管(5)水平位置，熱水調(diào)節(jié)閥(9)設(shè)置于熱水水箱(7)上，其位置高于冷凝盤管(5)水平位置，溫度傳感器(10)設(shè)置于熱水水箱(7)內(nèi)，其位置與熱水調(diào)節(jié)閥(9)水平。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池和空氣源熱泵熱水器的聯(lián)合系統(tǒng)，其特征是，所述質(zhì)子交換膜燃料電池子系統(tǒng)(1)，包括質(zhì)子交換膜燃料電池組(14)和直流—交流逆變器(15)，質(zhì)子交換膜燃料電池組(14)與直流—交流逆變器(15)電連接，直流—交流逆變器(15)與外界電線(12)電連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池和空氣源熱泵熱水器的聯(lián)合系統(tǒng)，其特征是，所述空氣尾氣調(diào)節(jié)閥(2)，為—個(gè)自動(dòng)三通調(diào)節(jié)閥，來自質(zhì)子交換膜燃料電池組(14)的空氣尾氣從閥門的一端進(jìn)入，按設(shè)定的流量分別排向大氣和蒸發(fā)器(3)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池和空氣源熱泵熱水器的聯(lián)合系統(tǒng)，其特征是，所述蒸發(fā)器(3)，其結(jié)構(gòu)為管翅式，來自空氣尾氣調(diào)節(jié)閥(2)的空氣在翅片管的外側(cè)放熱，熱量通過翅片管傳給管內(nèi)制冷工質(zhì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池和空氣源熱泵熱水器的聯(lián)合系統(tǒng)，其特征是，所述熱水水箱(7)，由內(nèi)膽(16)和保溫層(17)構(gòu)成，內(nèi)膽(16)為不銹鋼承壓式結(jié)構(gòu)，內(nèi)膽(16)外包裹聚氨酯保溫層(17)。
全文摘要
一種能源技術(shù)領(lǐng)域的質(zhì)子交換膜燃料電池和空氣源熱泵熱水器的聯(lián)合系統(tǒng)，包括質(zhì)子交換膜燃料電池子系統(tǒng)、空氣尾氣調(diào)節(jié)閥、蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝盤管、節(jié)流元件、熱水水箱、冷水調(diào)節(jié)閥、熱水調(diào)節(jié)閥、溫度傳感器，質(zhì)子交換膜燃料電池子系統(tǒng)通過空氣尾氣調(diào)節(jié)閥與蒸發(fā)器相連接，質(zhì)子交換膜燃料電池子系統(tǒng)與壓縮機(jī)電連接，蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝盤管、節(jié)流元件通過銅管串聯(lián)連接構(gòu)成熱泵子系統(tǒng)，冷凝盤管置于熱水水箱中，冷水調(diào)節(jié)閥安裝于熱水水箱上，熱水調(diào)節(jié)閥安裝于熱水水箱上，溫度傳感器安裝于熱水水箱內(nèi)。本發(fā)明可以利用質(zhì)子交換膜電池子系統(tǒng)排出空氣的余熱，從而使空氣源熱泵子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、運(yùn)行穩(wěn)定、功耗減少以及經(jīng)濟(jì)性得到提高。
文檔編號(hào)H01M8/00GK1786611SQ20051011122
公開日2006年6月14日 申請(qǐng)日期2005年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月8日
發(fā)明者胡鳴若, 曹廣益, 隋升, 余晴春, 朱新堅(jiān), 屠衡勇 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)