本發(fā)明涉及氫燃料電池技術(shù)，尤其涉及一種質(zhì)子交換膜燃料電池驅(qū)動(dòng)的高溫?zé)岜脽崴鳌?/p>

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(shí)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(lái)源較豐富的地區(qū)，可以考慮利用氫燃料電池的余熱來(lái)制取熱水。但由于PEMFC工作溫度較低的特點(diǎn)，其正常工作溫度約為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(guò)65℃，在需要高溫?zé)崴膱?chǎng)合受到限制。

此外，若以PEMFC發(fā)的電帶動(dòng)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(因電加熱的效率始終小于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(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種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(dòng)的高溫?zé)岜脽崴鳌?/p>

本發(fā)明的實(shí)施例提供一種質(zhì)子交換膜燃料電池驅(qū)動(dòng)的高溫?zé)岜脽崴?包括質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)和高溫?zé)岜孟到y(tǒng)，所述散熱系統(tǒng)、質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)和高溫?zé)岜孟到y(tǒng)依次連通構(gòu)成冷卻水回路，所述質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)生成直流電，所述直流電被轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定直流電，所述穩(wěn)定直流電直接輸出或穩(wěn)定直流電驅(qū)動(dòng)高溫?zé)岜孟到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)高溫?zé)崴敵?，從所述散熱系統(tǒng)流出的冷卻水依次流經(jīng)燃料電池系統(tǒng)、高溫?zé)岜孟到y(tǒng)，并返回散熱系統(tǒng)，所述冷卻水在燃料電池系統(tǒng)中吸熱，而在高溫?zé)岜孟到y(tǒng)中放熱，并在散熱系統(tǒng)中得到冷卻。

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(chǔ)氫容器、減壓閥、單向閥、手動(dòng)截止閥和防爆電磁閥，所述高壓儲(chǔ)氫容器、減壓閥、單向閥、手動(dòng)截止閥和防爆電磁閥依次連接，氫氣從高壓儲(chǔ)氫容器出來(lái)，依次經(jīng)過(guò)減壓閥、單向閥、手動(dòng)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(guò)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，所述高溫?zé)岜孟到y(tǒng)包括直流制冷壓縮機(jī)、熱泵水箱、節(jié)流元件、蒸發(fā)器和設(shè)置于熱泵水箱中的冷凝器，所述直流制冷壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流元件和蒸發(fā)器依次連接構(gòu)成制冷劑回路，所述質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定直流電驅(qū)動(dòng)直流制冷壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，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)入熱泵水箱中的冷凝器，所述高溫高壓氣在冷凝器中完成向熱泵水箱內(nèi)待加熱水的放熱過(guò)程,所述冷凝器設(shè)在熱泵水箱的下部，所述冷凝器的兩端分別連接直流制冷壓縮機(jī)和節(jié)流元件。

進(jìn)一步，所述熱泵水箱為承壓保溫水箱，所述承壓保溫水箱包括外膽、內(nèi)膽、保溫層、冷水進(jìn)水管和熱水輸出管，所述內(nèi)膽設(shè)在保溫層的內(nèi)側(cè)，所述保溫層設(shè)在內(nèi)膽和外膽之間，所述冷水進(jìn)水管和熱水輸出管均連通內(nèi)膽，所述冷水進(jìn)水管的一端連通自來(lái)水管或高位水箱，所述冷水進(jìn)水管的另一端插入內(nèi)膽的底部，所述熱水輸出管的一端插入內(nèi)膽的頂部，所述熱水輸出管的另一端通過(guò)電磁閥控制熱水的輸出。

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℃；所述高溫?zé)岜孟到y(tǒng)還包括氣液分離器，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，所述冷凝器采用冷凝盤管的形式，所述冷凝盤管的外部和內(nèi)膽內(nèi)的待加熱水直接接觸。

進(jìn)一步，所述冷凝器采用冷凝盤管纏繞在內(nèi)膽外壁上的形式，所述冷凝盤管與內(nèi)膽中的水不直接接觸。

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(duì)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(guò)散熱風(fēng)機(jī)和旁通閥調(diào)節(jié)，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(guò)水泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)控制在50-70℃。

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)100℃；本發(fā)明先以PEMFC發(fā)電，再以電能驅(qū)動(dòng)熱泵的方式來(lái)制熱，加熱的綜合能效比可以到1.5以上，遠(yuǎn)高于電加熱方式0.5的能效比。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明一實(shí)施例的組成示意圖。

具體實(shí)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(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地描述。

請(qǐng)參考圖1，本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種質(zhì)子交換膜燃料電池驅(qū)動(dòng)的高溫?zé)岜脽崴?包括質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1、散熱系統(tǒng)2和高溫?zé)岜孟到y(tǒng)3，散熱系統(tǒng)2、質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1和高溫?zé)岜孟到y(tǒng)3依次連通構(gòu)成冷卻水回路。

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(chǔ)氫容器111、減壓閥112、單向閥113、手動(dòng)截止閥114和防爆電磁閥115，高壓儲(chǔ)氫容器111、減壓閥112、單向閥113、手動(dòng)截止閥114和防爆電磁閥115依次連接，氫氣從高壓儲(chǔ)氫容器111出來(lái)，依次經(jīng)過(guò)減壓閥112、單向閥113、手動(dòng)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(guò)空氣濾清器121、消音器122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，穩(wěn)定直流電直接輸出或穩(wěn)定直流電驅(qū)動(dòng)高溫?zé)岜孟到y(tǒng)3實(shí)現(xiàn)高溫?zé)崴敵?，高溫?zé)岜孟到y(tǒng)3包括直流制冷壓縮機(jī)31、熱泵水箱32、節(jié)流元件33和蒸發(fā)器34和設(shè)置在熱泵水箱32內(nèi)的冷凝器325，直流制冷壓縮機(jī)31、冷凝器325、節(jié)流元件33和蒸發(fā)器34依次連接構(gòu)成回路，質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1輸出的穩(wěn)定直流電驅(qū)動(dòng)直流制冷壓縮機(jī)31運(yùn)轉(zhuǎn)，直流制冷壓縮機(jī)31將制冷劑氣體壓縮為高溫高壓氣體，高溫高壓氣體進(jìn)入冷凝器325，高溫高壓氣體在冷凝器325內(nèi)冷凝成高溫高壓液體，完成向熱泵水箱32內(nèi)待加熱水的放熱過(guò)程，使熱泵水箱32內(nèi)的待加熱水被加熱，得到高溫?zé)崴?。高溫高壓液體流經(jīng)節(jié)流元件33變?yōu)榈蜏氐蛪旱臍庖夯旌衔?，氣液混合物流入蒸發(fā)器34，氣液混合物在蒸發(fā)器34中通過(guò)與吸收了質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1反應(yīng)熱的冷卻水進(jìn)行熱量交換，氣液混合物吸熱而再次蒸發(fā)為制冷劑氣體，直流制冷壓縮機(jī)31的吸氣口將制冷劑氣體吸入直流制冷壓縮機(jī)31內(nèi)，制冷劑氣體在直流制冷壓縮機(jī)31內(nèi)再次被壓縮。在蒸發(fā)器34中放熱后的冷卻水流回散熱系統(tǒng)2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℃。高溫?zé)岜孟到y(tǒng)3還包括氣液分離器35，氣液分離器35設(shè)在蒸發(fā)器34和直流制冷壓縮機(jī)31之間，氣液分離器35將未蒸發(fā)的氣液混合物進(jìn)行分離。

熱泵水箱32為承壓保溫水箱，承壓保溫水箱32包括外膽320、內(nèi)膽321、保溫層322、冷水進(jìn)水管323、熱水輸出管324，內(nèi)膽321設(shè)在保溫層322的內(nèi)側(cè)，保溫層322設(shè)在外膽320和內(nèi)膽321之間，冷水進(jìn)水管323和熱水輸出管324均連通內(nèi)膽321，冷水進(jìn)水管323的一端連通自來(lái)水管(圖中未示出)或高位水箱連通自來(lái)水管或高位水箱，冷水進(jìn)水管323的另一端插入內(nèi)膽321的底部，熱水輸出管324的一端插入內(nèi)膽321的頂部，熱水輸出管324的另一端通過(guò)電磁閥326控制熱水的輸出。冷水進(jìn)水管323和內(nèi)膽321內(nèi)待加熱的水和熱水輸出管324內(nèi)輸出的熱水構(gòu)成第二水回路。

要使用熱水時(shí)，打開(kāi)電磁閥326，冷水在壓力作用下從冷水進(jìn)水管323進(jìn)入內(nèi)膽321，由于冷水進(jìn)水管323插入內(nèi)膽321的底部，進(jìn)入內(nèi)膽321的冷水會(huì)流向底部，由于冷凝器325設(shè)在內(nèi)膽321的下部，冷水從底部流入便于和冷凝器325進(jìn)行熱量交換，有利于提高冷凝器325的傳熱溫差和換熱效率，同時(shí)，因水受熱后往上自然對(duì)流，熱水會(huì)流向內(nèi)膽321的頂部，并從內(nèi)膽321頂部的熱水輸出管，有利于內(nèi)膽321內(nèi)的溫度分層，確保從熱水輸出管324的出口流出的熱水始終是熱的。待加熱水通過(guò)第二水回路可以得到比質(zhì)子交換膜燃料電池本身余熱溫度還高的熱水，溫度提升，以提高余熱利用價(jià)值，余熱的溫度越高，其利用價(jià)值或利用品質(zhì)也越高。

在一可選實(shí)施例中，冷凝器325采用冷凝盤管的形式，冷凝盤管的外部和內(nèi)膽321內(nèi)的待加熱水直接接觸。

在上述實(shí)施例中，冷凝器325為與水直接接觸的冷凝盤管，其直接浸于內(nèi)膽321的待加熱水中，即冷凝盤管的外表面與內(nèi)膽321中的水直接接觸。

在另一可選實(shí)施例中，冷凝器325也可以采用冷凝盤管纏繞在內(nèi)膽321外壁上的形式(圖中未示出)，在此種方式中，冷凝盤管與內(nèi)膽321中的水不直接接觸。

散熱系統(tǒng)2向質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1供水而讓水吸收質(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)熱的冷卻水流至高溫?zé)岜孟到y(tǒng)3，并在高溫?zé)岜孟到y(tǒng)3的蒸發(fā)器34中向熱冷劑放熱，在蒸發(fā)器34中放熱后的水流回散熱系統(tǒng)2被進(jìn)一步冷卻，散熱系統(tǒng)2將冷卻后的水再次供應(yīng)給質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1。

散熱系統(tǒng)2包括散熱器21、散熱風(fēng)機(jī)22、水泵23和旁通閥24，散熱風(fēng)機(jī)22加速散熱器21外部空氣的對(duì)流，旁通閥24和散熱器21并聯(lián)，水泵23從散熱器21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21出口的水溫控制在45-65℃，水溫通過(guò)散熱風(fēng)機(jī)22和旁通閥24調(diào)節(jié)，當(dāng)水溫過(guò)高時(shí)，散熱風(fēng)機(jī)22的轉(zhuǎn)速加大，同時(shí)旁通閥24關(guān)閉；當(dāng)水溫過(guò)低時(shí)，散熱風(fēng)機(jī)22的轉(zhuǎn)速減小，同時(shí)旁通閥24打開(kāi)，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)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1中流出，并進(jìn)入高溫?zé)岜孟到y(tǒng)3的蒸發(fā)器34，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(guò)水泵23的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)控制在50-70℃，例如，當(dāng)從質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1中流出的水的水溫過(guò)高時(shí)，增大水泵23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，當(dāng)從質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1中流出的水的水溫過(guò)低時(shí)，減小水泵23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)2還包括膨脹水箱25和水過(guò)濾器26，膨脹水箱25連通散熱器21，膨脹水箱25為散熱器21供水并提供水溫變化時(shí)所需的體積膨脹空間，水過(guò)濾器26設(shè)在水泵23和散熱器21之間。

工作過(guò)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(dòng)直流制冷壓縮機(jī)31運(yùn)轉(zhuǎn)，直流制冷壓縮機(jī)31將制冷劑氣體壓縮為高溫高壓氣體，高溫高壓氣進(jìn)入熱泵水箱32，并通過(guò)向熱泵水箱32內(nèi)的水放熱冷凝成高溫高壓液體，同時(shí)，熱泵水箱32內(nèi)的水被加熱實(shí)現(xiàn)熱水輸出，高溫高壓液體流經(jīng)節(jié)流元件33變?yōu)榈蜏氐蛪旱臍庖夯旌衔?，氣液混合物流入蒸發(fā)器34。

氣液混合物在蒸發(fā)器34中通過(guò)與吸收了質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1反應(yīng)熱的水進(jìn)行熱量交換，吸收了質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1反應(yīng)熱的水冷卻，同時(shí)，氣液混合物再次蒸發(fā)為制冷劑氣體，直流制冷壓縮機(jī)31的吸氣口將制冷劑氣體吸入直流制冷壓縮機(jī)31內(nèi)，制冷劑氣體在直流制冷壓縮機(jī)31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)明高溫?zé)岜孟到y(tǒng)的制熱效率高，從熱水輸出管324的出口流出的熱水溫度可達(dá)80℃以上(最高可達(dá)100℃)；本發(fā)明先以PEMFC發(fā)電，再以電能驅(qū)動(dòng)熱泵的方式來(lái)制熱，加熱的綜合效率可以到1.5以上，遠(yuǎn)高于一般的采用電加熱的方式。

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(lái)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(qǐng)請(qǐng)求保護(hù)的范圍。

在不沖突的情況下，本文中上述實(shí)施例及實(shí)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(shí)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)。