[發明專利]一種質子交換膜燃料電池高溫供熱系統

在審

• 申請號: 201710059698.8
• 申請日: 2017-01-24
• 公開（公告）號: CN106642803A
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 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: F25B27/02
• 分類號: F25B27/02;F25B30/02;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高溫供熱系統。

背景技術

以氫氣作為燃料的質子交換膜燃料電池(PEMFC)具有效率高的特點，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約有50％轉化成電能，而剩下的50％能量都以熱量的形式排放掉了，如能將這部分熱量利用起來，則能大大提高氫能的綜合利用率。但是由于PEMFC工作溫度較低的特點，正常工作溫度約為50～65℃左右，若將PEMFC的余熱作為熱源，直接用于供熱的話，能夠得到的供熱溫度一般不能超過65℃，在需要高溫供熱的場合(如需要供熱溫度在80℃以上的場合)應用受到限制，這些應用場合包括食品和藥品烘干、木材干燥、煙草烘干等。

如以PEMFC發的電來帶動電加熱器以加熱空氣的方式，雖可以得到高溫空氣，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左右，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一種充分利用燃料電池的電能和熱能，并通過將燃料電池的廢熱溫度提升，使得余熱的利用品質更高的質子交換膜燃料電池高溫供熱系統。

本發明的實施例提供一種質子交換膜燃料電池高溫供熱系統，包括質子交換膜燃料電池系統、散熱系統和高溫熱泵系統，所述高溫熱泵系統包括直流制冷壓縮機、冷凝裝置、節流元件和蒸發器，所述直流制冷壓縮機、冷凝裝置、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，所述穩定直流電驅動直流制冷壓縮機運轉，所述散熱系統、質子交換膜燃料電池系統和蒸發器依次連通構成冷卻水回路，所述散熱系統向質子交換膜燃料電池系統供應冷卻水，冷卻水吸收質子交換膜燃料電池系統的反應熱而升溫，吸收了質子交換膜燃料電池系統反應熱的冷卻水從質子交換膜燃料電池系統中流出，并流入蒸發器，在蒸發器中冷卻水向制冷劑回路放熱，放熱后的冷卻水再流回散熱系統被進一步冷卻到質子交換膜燃料電池系統的反應溫度以下，從而再次具備冷卻質子交換膜燃料電池系統的能力。

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排放到空氣中，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。

進一步，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，所述冷凝裝置包括冷凝器和冷凝風機，所述冷凝風機驅動空氣流過冷凝器，所述直流制冷壓縮機將制冷劑氣體壓縮為高溫高壓氣體，所述高溫高壓氣體進入冷凝器，所述冷凝器與冷凝器外側的空氣進行換熱，得到用于供熱的高溫空氣，同時，所述高溫高壓氣體冷凝成高溫高壓液體，所述高溫高壓液體流經節流元件變為低溫低壓的氣液混合物，所述氣液混合物流入蒸發器，所述氣液混合物在蒸發器中吸收冷卻水的熱量，吸收冷卻水熱量的氣液混合物再次蒸發為制冷劑氣體，所述直流制冷壓縮機的吸氣口將制冷劑氣體吸入直流制冷壓縮機內，制冷劑氣體在直流制冷壓縮機內再次被壓縮。

進一步，所述冷凝器為冷媒—空氣換熱器，所述蒸發器為冷媒—水換熱器。

進一步，所述冷凝器為翅片管式換熱器或微通道平行流式冷凝器，所述蒸發器為板式換熱器、殼管式換熱器或套管式換熱器。

進一步，所述制冷劑為高溫工質，所述制冷劑的蒸發溫度為45-65℃，所述制冷劑的冷凝溫度為85-105℃；所述高溫熱泵系統還包括干燥過濾器和氣液分離器，所述干燥過濾器設在冷凝裝置和節流元件之間，所述氣液分離器設在蒸發器和直流制冷壓縮機之間，所述干燥過濾器過濾高溫高壓液體中的雜質和水分，所述氣液分離器將未蒸發的氣液混合物進行分離。