[發明專利]一種質子交換膜燃料電池驅動的高溫熱泵熱水器

在審

• 申請號: 201710059667.2
• 申請日: 2017-01-24
• 公開（公告）號: CN106839426A
• 公開（公告）日: 2017-06-13
• 發明（設計）人: 吳波;楊宇飛;柴國民;歐陽瑞;郝義國;熊鋼
• 申請（專利權）人: 武漢地質資源環境工業技術研究院有限公司
• 主分類號: F24H4/02
• 分類號: F24H4/02;F24H9/00;H01M8/04007
• 代理公司: 武漢知產時代知識產權代理有限公司42238
• 代理人: 馮必發,郝明琴

技術領域

本發明涉及氫燃料電池技術，尤其涉及一種質子交換膜燃料電池驅動的高溫熱泵熱水器。

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，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。

發明內容

有鑒于此，本發明的實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子交換膜燃料電池驅動的高溫熱泵熱水器。

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器,包括質子交換膜燃料電池系統、散熱系統和高溫熱泵系統，所述散熱系統、質子交換膜燃料電池系統和高溫熱泵系統依次連通構成冷卻水回路，所述質子交換膜燃料電池系統生成直流電，所述直流電被轉換成穩定直流電，所述穩定直流電直接輸出或穩定直流電驅動高溫熱泵系統實現高溫熱水輸出，從所述散熱系統流出的冷卻水依次流經燃料電池系統、高溫熱泵系統，并返回散熱系統，所述冷卻水在燃料電池系統中吸熱，而在高溫熱泵系統中放熱，并在散熱系統中得到冷卻。

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，所述高溫熱泵系統包括直流制冷壓縮機、熱泵水箱、節流元件、蒸發器和設置于熱泵水箱中的冷凝器，所述直流制冷壓縮機、冷凝器、節流元件和蒸發器依次連接構成制冷劑回路，所述質子交換膜燃料電池系統輸出的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將制冷劑氣體壓縮為高溫高壓氣體，所述高溫高壓氣進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待加熱水的放熱過程,所述冷凝器設在熱泵水箱的下部，所述冷凝器的兩端分別連接直流制冷壓縮機和節流元件。

進一步，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、內膽、保溫層、冷水進水管和熱水輸出管，所述內膽設在保溫層的內側，所述保溫層設在內膽和外膽之間，所述冷水進水管和熱水輸出管均連通內膽，所述冷水進水管的一端連通自來水管或高位水箱，所述冷水進水管的另一端插入內膽的底部，所述熱水輸出管的一端插入內膽的頂部，所述熱水輸出管的另一端通過電磁閥控制熱水的輸出。

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℃；所述高溫熱泵系統還包括氣液分離器，所述氣液分離器設在蒸發器和直流制冷壓縮機之間，所述氣液分離器將未蒸發的氣液混合物進行分離。

進一步，所述冷凝器采用冷凝盤管的形式，所述冷凝盤管的外部和內膽內的待加熱水直接接觸。

進一步，所述冷凝器采用冷凝盤管纏繞在內膽外壁上的形式，所述冷凝盤管與內膽中的水不直接接觸。