[发明专利]一种质子交换膜燃料电池驱动的高温热泵热水器

说明书

技术领域

本发明涉及氢燃料电池技术，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池驱动的高温热泵热水器。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有效率高、工作温度低的特点，是目前应用最为广泛的燃料电池类型。PEMFC的实用效率约为50％左右，即输入燃料电池的氢能只有50％能转化成电能，剩下的50％能量都以热量的形式排放掉了。

在远离电网但氢气来源较丰富的地区，可以考虑利用氢燃料电池的余热来制取热水。但由于PEMFC工作温度较低的特点，其正常工作温度约为50～65℃，若以PEMFC的余热作为热源，直接加热热水，热水的温度一般不能超过65℃，在需要高温热水的场合受到限制。

此外，若以PEMFC发的电带动电加热器的方式，虽可以得到高温热水(≤100℃)，但是此种加热方式效率较低(因电加热的效率始终小于1)，考虑到PEMFC的效率约为0.5，因此这种加热方式的综合效率小于0.5。

发明内容

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种能充分利用燃料电池的电能和热能，并能高效率制取热水的质子交换膜燃料电池驱动的高温热泵热水器。

本发明的实施例提供一种质子交换膜燃料电池驱动的高温热泵热水器,包括质子交换膜燃料电池系统、散热系统和高温热泵系统，所述散热系统、质子交换膜燃料电池系统和高温热泵系统依次连通构成冷却水回路，所述质子交换膜燃料电池系统生成直流电，所述直流电被转换成稳定直流电，所述稳定直流电直接输出或稳定直流电驱动高温热泵系统实现高温热水输出，从所述散热系统流出的冷却水依次流经燃料电池系统、高温热泵系统，并返回散热系统，所述冷却水在燃料电池系统中吸热，而在高温热泵系统中放热，并在散热系统中得到冷却。

进一步，所述质子交换膜燃料电池系统包括氢气供应回路、空气供应回路、质子交换膜燃料电池电堆和直流-直流变换器，所述氢气供应回路和空气供应回路均连接质子交换膜燃料电池电堆，所述氢气供应回路供应氢气，所述空气供应回路供应空气，氢气和空气中的氧气在质子交换膜燃料电池电堆中发生反应生成直流电，所述直流-直流变换器将直流电转换成稳定直流电，反应后剩余的微量氢气经第一电磁阀排出到空气中，反应后的空气乏气排放到空气中。

进一步，所述氢气供应回路包括高压储氢容器、减压阀、单向阀、手动截止阀和防爆电磁阀，所述高压储氢容器、减压阀、单向阀、手动截止阀和防爆电磁阀依次连接，氢气从高压储氢容器出来，依次经过减压阀、单向阀、手动截止阀和防爆电磁阀进入质子交换膜燃料电池电堆；所述空气供应回路包括空气滤清器、消音器和空气压缩机，所述空气滤清器、消音器和空气压缩机依次连接，空气经过空气滤清器、消音器处理后进入空气压缩机，所述空气压缩机将空气升压，并送入质子交换膜燃料电池电堆。

进一步，所述高温热泵系统包括直流制冷压缩机、热泵水箱、节流元件、蒸发器和设置于热泵水箱中的冷凝器，所述直流制冷压缩机、冷凝器、节流元件和蒸发器依次连接构成制冷剂回路，所述质子交换膜燃料电池系统输出的稳定直流电驱动直流制冷压缩机运转，所述直流制冷压缩机将制冷剂气体压缩为高温高压气体，所述高温高压气进入热泵水箱中的冷凝器，所述高温高压气在冷凝器中完成向热泵水箱内待加热水的放热过程,所述冷凝器设在热泵水箱的下部，所述冷凝器的两端分别连接直流制冷压缩机和节流元件。

进一步，所述热泵水箱为承压保温水箱，所述承压保温水箱包括外胆、内胆、保温层、冷水进水管和热水输出管，所述内胆设在保温层的内侧，所述保温层设在内胆和外胆之间，所述冷水进水管和热水输出管均连通内胆，所述冷水进水管的一端连通自来水管或高位水箱，所述冷水进水管的另一端插入内胆的底部，所述热水输出管的一端插入内胆的顶部，所述热水输出管的另一端通过电磁阀控制热水的输出。

进一步，所述制冷剂为高温工质，所述制冷剂的蒸发温度范围为45-65℃，所述制冷剂的冷凝温度范围为85-105℃；所述高温热泵系统还包括气液分离器，所述气液分离器设在蒸发器和直流制冷压缩机之间，所述气液分离器将未蒸发的气液混合物进行分离。

进一步，所述冷凝器采用冷凝盘管的形式，所述冷凝盘管的外部和内胆内的待加热水直接接触。

进一步，所述冷凝器采用冷凝盘管缠绕在内胆外壁上的形式，所述冷凝盘管与内胆中的水不直接接触。