本實用新型涉及氫燃料電池技術(shù)，尤其涉及一種質(zhì)子交換膜燃料電池高溫供熱系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

以氫氣作為燃料的質(zhì)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(zhuǎn)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(fā)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。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本實用新型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(zhì)更高的質(zhì)子交換膜燃料電池高溫供熱系統(tǒng)。

本實用新型的實施例提供一種質(zhì)子交換膜燃料電池高溫供熱系統(tǒng)，包括質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)和高溫熱泵系統(tǒng)，所述高溫熱泵系統(tǒng)包括直流制冷壓縮機、冷凝裝置、節(jié)流元件和蒸發(fā)器，所述直流制冷壓縮機、冷凝裝置、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)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)定直流電驅(qū)動直流制冷壓縮機運轉(zhuǎn)，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)成冷卻水回路，所述散熱系統(tǒng)向質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)供應冷卻水，冷卻水吸收質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的反應熱而升溫，吸收了質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)反應熱的冷卻水從質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)中流出，并流入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)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(tǒng)被進一步冷卻到質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的反應溫度以下，從而再次具備冷卻質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的能力。

進一步，所述質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)包括氫氣供應回路、空氣供應回路、質(zhì)子交換膜燃料電池電堆和直流-直流變換器，所述氫氣供應回路和空氣供應回路均連接質(zhì)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(zhì)子交換膜燃料電池電堆中發(fā)生反應生成直流電，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(jīng)過減壓閥、單向閥、手動截止閥和防爆電磁閥進入質(zhì)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(jīng)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(zhì)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(qū)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(cè)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(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(fā)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(nèi)，制冷劑氣體在直流制冷壓縮機內(nèi)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(fā)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(fā)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(zhì)，所述制冷劑的蒸發(fā)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(tǒng)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(jié)流元件之間，所述氣液分離器設在蒸發(fā)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(zhì)和水分，所述氣液分離器將未蒸發(fā)的氣液混合物進行分離。

進一步，所述散熱系統(tǒng)包括散熱器、散熱風機、水泵和旁通閥，所述散熱風機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冷卻水，并泵入質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)，所述散熱器出口的冷卻水的水溫控制在45-65℃，散熱器出口的冷卻水的水溫通過散熱風機和旁通閥調(diào)節(jié)，泵入質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)中的冷卻水帶走質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的反應熱溫度升高，吸收了質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)反應熱的冷卻水從質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)中流出，并進入高溫熱泵系統(tǒng)的蒸發(fā)器，從質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)中流出的冷卻水的水溫通過水泵的轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)控制在50-70℃。

進一步，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提供冷卻水并提供冷卻水的水溫變化時所需的體積膨脹空間，所述水過濾器設在水泵和散熱器之間。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有以下有益效果：本實用新型以PEMFC發(fā)電，再以電能驅(qū)動的方式來制熱，加熱的綜合效率可以到1.5以上，可得到遠高于質(zhì)子交換膜燃料電池余熱溫度的高溫熱空氣，從而可用于需要高溫空氣作為加熱源的場合，如：煙草烘干、藥品食品干燥、木材干燥、衣物干燥等；本實用新型綜合應用了質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)和蒸氣壓縮式熱泵技術(shù)，蒸氣壓縮式熱泵所采用的循環(huán)工質(zhì)工作在45-105℃的溫度范圍，最高可將空氣溫度加熱到90-100℃；本實用新型綜合利用了燃料電池的電能和熱能，通過將燃料電池的廢熱溫度提升，使得余熱的利用品質(zhì)更高,本實用新型由于高溫熱泵系統(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是本實用新型一實施例的組成示意圖。

具體實施方式

為使本實用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本實用新型實施方式作進一步地描述。

請參考圖1，本實用新型的實施例提供了一種質(zhì)子交換膜燃料電池高溫供熱系統(tǒng)，包括質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1、散熱系統(tǒng)2和高溫熱泵系統(tǒng)3。

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

氫氣供應回路11供應氫氣，氫氣供應回路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進入質(zhì)子交換膜燃料電池電堆13。

空氣供應回路12供應空氣，空氣供應回路12包括空氣濾清器121、消音器122和空氣壓縮機123，空氣濾清器121、消音器122和空氣壓縮機123依次連接，空氣經(jīng)過空氣濾清器121、消音器122處理后進入空氣壓縮機123，空氣壓縮機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)生反應生成直流電，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。

高溫熱泵系統(tǒng)3包括直流制冷壓縮機31、冷凝裝置32、節(jié)流元件33和蒸發(fā)器34，直流制冷壓縮機31、冷凝裝置32、節(jié)流元件33和蒸發(fā)器34依次連接構(gòu)成制冷劑回路，冷凝裝置32包括冷凝器321和冷凝風機322，冷凝風機322驅(qū)動空氣流過冷凝器321，質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1生成直流電，直流電被轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定直流電，穩(wěn)定直流電驅(qū)動直流制冷壓縮機31運轉(zhuǎn)，直流制冷壓縮機31將制冷劑氣體壓縮為高溫高壓氣體，高溫高壓氣體進入冷凝器321，冷凝器321與冷凝器321外側(cè)的空氣進行換熱，得到高溫空氣，同時，高溫高壓氣體冷凝成高溫高壓液體，所高溫高壓液體流經(jīng)節(jié)流元件33變?yōu)榈蜏氐蛪旱臍庖夯旌衔?，氣液混合物在蒸發(fā)器34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(fā)為制冷劑氣體，直流制冷壓縮機31的吸氣口將制冷劑氣體吸入直流制冷壓縮機31內(nèi)，制冷劑氣體在直流制冷壓縮機31內(nèi)再次被壓縮。

在一實施例中，冷凝器321為冷媒—空氣換熱器，蒸發(fā)器34為冷媒—水換熱器。冷凝器321為翅片管式換熱器或微通道平行流式冷凝器，蒸發(fā)器34為板式換熱器、殼管式換熱器或套管式換熱器。制冷劑為高溫工質(zhì)，制冷劑的蒸發(fā)溫度為45-65℃，制冷劑的冷凝溫度為85-105℃；高溫熱泵系統(tǒng)3還包括干燥過濾器35和氣液分離器36，干燥過濾器35設在冷凝裝置32和節(jié)流元件33之間，氣液分離器36設在蒸發(fā)器34和直流制冷壓縮機31之間，干燥過濾器35過濾高溫高壓液體中的雜質(zhì)和水分，氣液分離器26將未蒸發(fā)的氣液混合物進行分離。

散熱系統(tǒng)2、質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1和蒸發(fā)器34依次連通構(gòu)成冷卻水回路，散熱系統(tǒng)2向質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1供應冷卻水并讓冷卻水吸收質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1的反應熱，吸收了質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1反應熱的冷卻水從質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1中流出，并流入蒸發(fā)器34，在蒸發(fā)器34中冷卻水向制冷劑回路放熱，放熱后的冷卻水降溫后再流回散熱系統(tǒng)2被進一步冷卻到質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的反應溫度以下，從而再次具備冷卻質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的能力，散熱系統(tǒng)2將冷卻后的冷卻水循環(huán)供應給質(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、散熱風機22、水泵23和旁通閥24，散熱風機22加速散熱器21外部空氣的對流，旁通閥24和散熱器21并聯(lián)，水泵23從散熱器21的底部抽取冷卻水，并泵入質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1，散熱器21出口處的冷卻水的水溫控制在45-65℃，散熱器21出口的冷卻水的水溫通過散熱風機22和旁通閥24調(diào)節(jié)，當冷卻水的水溫過高時，散熱風機22的轉(zhuǎn)速加大，同時旁通閥24關(guān)閉；當冷卻水的水溫過低時，散熱風機22的轉(zhuǎn)速減小，同時旁通閥24打開，泵入質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1中的冷卻水帶走質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1的反應熱溫度升高，吸收了質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1反應熱的冷卻水從質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1中流出，并進入高溫熱泵系統(tǒng)3的蒸發(fā)器34，從質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1中流出的冷卻水的水溫通過水泵23的轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)控制在50-70℃，從質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1中流出的冷卻水的水溫過高時，增大水泵的轉(zhuǎn)速，使進入質(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中流出的冷卻水的水溫過低時，減小水泵23的轉(zhuǎn)速，使進入質(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所需的體積膨脹空間，水過濾器26設在水泵23和散熱器21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中反應生成直流電，反應生成的直流電經(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31運轉(zhuǎn)，直流制冷壓縮機31將制冷劑氣體壓縮為高溫高壓氣體，高溫高壓氣體進入冷凝器321，冷凝器321與冷凝器321外側(cè)的空氣進行換熱，得到高溫空氣，同時，高溫高壓氣體冷凝成高溫高壓液體，所高溫高壓液體流經(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。

同時，在反應過程中，水泵23從散熱器21的底部抽冷卻水，并泵入質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1，散熱器21中的冷卻水的水溫控制在45-65℃，泵入質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1中的冷卻水帶走質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1的反應熱溫度升高，吸收了質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1反應熱的冷卻水從質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1中流出，從質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1中流出的冷卻水的水溫通過水泵23的轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)控制在50-70℃，并進入蒸發(fā)器34，因此，氣液混合物在蒸發(fā)器34中通過與吸收了質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1反應熱的冷卻水進行熱量交換，吸收了質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1反應熱的冷卻水溫度降低，同時，氣液混合物再次蒸發(fā)為制冷劑氣體，直流制冷壓縮機31的吸氣口將制冷劑氣體吸入直流制冷壓縮機31內(nèi)，制冷劑氣體在直流制冷壓縮機31內(nèi)再次被壓縮，而，冷卻水在蒸發(fā)器34中被冷卻后再流回散熱系統(tǒng)2被進一步冷卻，散熱系統(tǒng)2將冷卻后的冷卻水循環(huán)供應給質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)1。

本實用新型以PEMFC發(fā)電，再以電能驅(qū)動的方式來制熱，加熱的綜合效率可以到1.5以上，制熱溫度可達到80℃以上，遠高于一般質(zhì)子交換膜燃料電池50-60℃的余熱溫度，從而可應用于需要高溫空氣作為加熱源的場合，如：煙草烘干、藥品食品干燥、木材干燥、衣物干燥等；本實用新型綜合應用了質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)和蒸氣壓縮式熱泵技術(shù)，蒸氣壓縮式熱泵所采用的循環(huán)工質(zhì)工作在45-105℃的溫度范圍，最高可將空氣溫度加熱到90-100℃；本實用新型綜合利用了燃料電池的電能和熱能，通過將燃料電池的廢熱溫度提升，使得余熱的利用品質(zhì)更高。

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，只是為了表達技術(shù)方案的清楚及方便。應當理解，所述方位詞的使用不應限制本申請請求保護的范圍。

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。

以上所述僅為本實用新型的較佳實施例，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。