CN105716326B - 基于甲醇水重整制氢发电***的热泵空调及制热制冷方法 - Google Patents

基于甲醇水重整制氢发电***的热泵空调及制热制冷方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于甲醇水重整制氢发电***的热泵空调，包括压缩机、四通换向阀、室内换热器、节流阀、室外换热器、甲醇水储存容器、输送泵、重整器、燃料电池、电力转换装置及空气余气混合器；所述重整器产生的高温余气，从排气囱口排向空气余气混合器或外界；所述空气余气混合器用于将外界空气与高温余气混合成中温混合气体，输向室外换热器；所述燃料电池用于氢气与空气中的氧气发生电化学反应，产生电能输出；所述电力转换装置用于将燃料电池输出的电能转换为负载所需求的电，为压缩机及输送泵供电。本发明在制热工况下，室外空气低于‑5℃时，仍能正常高效工作，蒸发器上也不会结霜，无需定期除霜，并且本发明的使用不受地域限制。

Description

基于甲醇水重整制氢发电***的热泵空调及制热制冷方法
技术领域
本发明涉及热泵空调技术领域，特别涉及一种基于甲醇水重整制氢发电***的热泵空调及制热制冷方法。
背景技术
随着不可再生能源如煤、石油、天然气等越来越少，耗电量非常小的空气能热泵空调应运而生。空气源热泵原理就是利用逆卡诺原理，在制热工况下，室内换热器为冷凝器，室外换热器为蒸发器，蒸发器从室外空气中的环境热能中吸取热量以蒸发传热工质，工质蒸气经压缩机压缩后压力和温度上升，高温蒸气通过冷凝器冷凝成液体时，释放出的热量传递给用热的室内空间，冷凝后的传热工质通过膨胀阀返回到蒸发器，然后再被蒸发，如此循环往复。在制冷工况下，室外换热器为冷凝器，室内换热器为蒸发器，蒸发器从室内空间空气中的热能中吸取热量以蒸发传热工质，工质蒸气经压缩机压缩后压力和温度上升，高温蒸气通过冷凝器冷凝成液体时，释放出的热量传递至室外，冷凝后的传热工质通过膨胀阀返回到蒸发器，然后再被蒸发，如此循环往复。
然而，空气源热泵的缺点是室外空气温度越低时供热量越小，特别是当室外空气温度低于-5℃时，热泵就难以正常工作，需要用电或其他辅助热源对空气进行加热，热泵的效率大大降低。空气源热泵在制热工况下，蒸发器上会结霜，需要定期除霜，除霜模块技术可参照中国专利申请201210152219.4用于空气源热泵***的除霜方法、201410108455.5一种热泵空调除霜控制方法及热泵空调***，空气源热泵增加除霜模块之后，不但稳定性降低、维护成本增加，而且也损失相当大一部分能量。此外，现有热泵空调的供电来源通常为市电，因此现有热泵空调的使用受到较大的地域限制。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术中的不足，提供一种基于甲醇水重整制氢发电***的热泵空调，该热泵空调在制热工况下，室外空气低于-5℃时，仍能正常高效工作，蒸发器上也不会结霜，无需定期除霜，并且该热泵空调的使用不受地域限制, 能使重整器的高温余气热量得到利用，提高甲醇水原料的利用效率，能同时利用高温余气及外界空气的热量。为此，本发明还要提供一种该热泵空调的制热制冷方法。
为解决上述第一个技术问题，本发明的技术方案是：一种基于甲醇水重整制氢发电***的热泵空调，包括压缩机、四通换向阀、室内换热器、节流阀、室外换热器、甲醇水储存容器、输送泵、重整器、燃料电池、电力转换装置及空气余气混合器；所述压缩机、四通换向阀、室内换热器、节流阀与室外换热器之间形成热泵空调的工质输送回路；所述甲醇水储存容器储存有液态的甲醇水原料；所述输送泵用于将甲醇水储存容器中的甲醇水原料通过输送管道泵送至重整器的重整室；重整器设有重整室、氢气纯化装置、燃烧腔及排气囱口，所述重整室用于甲醇与水蒸汽发生重整制氢反应制得氢气和二氧化碳的混合气体，所述氢气纯化装置用于分离出制得的氢气，该氢气输向燃料电池，所述燃烧腔用于部分制得的氢气与外界空气中的氧气燃烧，为重整器的运行提供热量；所述氢气纯化装置分离之后的二氧化碳、燃烧腔内氢气氧气燃烧产生的水汽以及外界空气中的未燃烧气体混合成高温余气，从排气囱口排向空气余气混合器或外界；所述空气余气混合器用于将外界空气与高温余气混合成中温混合气体，输向室外换热器；所述燃料电池用于氢气与空气中的氧气发生电化学反应，产生电能输出；所述电力转换装置用于将燃料电池输出的电能转换为负载所需求的电，为压缩机及输送泵供电。
优选地，所述工质输送回路设有用于输送制冷工况状态下的工质的止回阀，所述节流阀包括主毛细管和副毛细管，其中副毛细管与止回阀相并联；所述工质输送回路上还设有过滤器及***。
优选地，所述排气囱口与空气余气混合器之间设有换向阀，在制热工况状态下，从排气囱口排出的高温余气经换向阀后排向空气余气混合器，在制冷工况状态下，从排气囱口排出的高温余气经换向阀后排向外界。
优选地，所述空气余气混合器设有风扇及温度感应器，风扇用于将外界空气扇入空气余气混合器，温度感应器用于检测空气余气混合器内的混合气体温度，该混合气体温度范围为25～70℃。
优选地，所述输送泵与重整器之间的输送管道上设有换热器，低温的甲醇和水原料在换热器中，与重整室输出的高温氢气进行换热，甲醇和水原料温度升高，氢气温度降低。
优选地，所述氢气纯化装置为在多孔陶瓷表面真空镀钯银合金的膜分离装置，镀膜层为钯银合金，钯银合金的质量百分比钯占75%-78%，银占22%-25%。
为解决上述第二个技术问题，本发明的技术方案是：所述基于甲醇水重整制氢发电***的热泵空调的制热制冷方法，包括以下步骤：
a.重整器在运行过程中，发生甲醇水重整制氢反应，制得的氢气输向燃料电池，在燃料电池内，氢气与空气中的氧气发生电化学反应，产生电能输出，与此同时，从重整器的排气囱口排出高温余气；
b.在制热工况下，室内换热器成为冷凝器，室外换热器成为蒸发器，高温余气排向空气余气混合器，并与外界空气混合成中温混合气体输向室外换热器，在室外换热器中，中温混合气体与工质换热，转化成低温混合气体后排出；燃料电池输出的电能经电力转换装置转换后，为压缩机及输送泵供电，余电输出；
c.在制冷工况下，室内换热器成为蒸发器，室外换热器成为冷凝器，高温余气排向外界；燃料电池输出的电能经电力转换装置转换后，为压缩机及输送泵供电，余电输出；
优选地，在制热工况下，温度传感器实时检测空气余气混合器中的混合气体温度，并将温度信息反馈给控制装置，控制装置通过风扇调整外界空气的送入量，以控制混合气体的温度范围在25～70℃内。为解决上述第二个技术问题，本发明的技术方案是：
本发明的有益效果是：其一、本发明采用甲醇和水作为原料进行重整制氢，再利用燃料电池发电，无废渣和有害废气污染,清洁，不影响人体健康，甲醇来源广泛，是可再生能源，并且热泵空调无需市电供电，不受地域限制，可在无电网区域使用，例如通讯基站；其二、在制热工况下，由于高温余气排向空气余气混合器，并与外界空气混合成中温混合气体输向室外换热器，此时，室外换热器为蒸发器，在室外换热器中，中温混合气体与工质换热，转化成低温混合气体后排出，因此，在任何低温空气环境（例如-5℃以下的空气环境），热泵空调均能正常高效工作；其三、在制热工况下，由于室外换热器（即蒸发器）输入的是中温混合气体，因此也不会结霜，无需定期除霜；其四、本发明使重整器的高温余气热量得到利用，从而提高了甲醇水原料的利用效率，与此同时，高温余气与外界空气混合后，热泵空调能同时利用高温余气及外界空气的热量，使得热泵空调更节能省电。
附图说明
图1为本发明的整体结构方框示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。
如图1所示，一种基于甲醇水重整制氢发电***的热泵空调，包括压缩机1、四通换向阀2、室内换热器3、节流阀4、室外换热器5、甲醇水储存容器6、输送泵7、重整器8、燃料电池9、电力转换装置10及空气余气混合器11；所述压缩机1、四通换向阀2、室内换热器3、节流阀4与室外换热器5之间形成热泵空调的工质输送回路，在图1的工质输送回路中，虚线箭头表示制热工况，实线箭头表示制冷工况；所述甲醇水储存容器6储存有液态的甲醇水原料；所述输送泵7用于将甲醇水储存容器6中的甲醇水原料通过输送管道泵7送至重整器8的重整室；重整器8设有重整室、氢气纯化装置、燃烧腔及排气囱口，重整器的结构可参照本申请人在此之前申请的中国专利申请201410311217.4、201410621689.X及201510476342.5，所述重整室用于甲醇与水蒸汽发生重整制氢反应制得氢气和二氧化碳的混合气体，重整室内的温度为300-570℃温度，重整室内设有催化剂，在重整室内，甲醇与水蒸气在1-5M Pa的压力条件下通过催化剂，在催化剂的作用下，发生甲醇裂解反应和一氧化碳的变换反应，生成氢气和二氧化碳，这是一个多组份、多反应的气固催化反应***，反应方程为：(1)CH3OH→CO+2H2、(2)H2O+CO→CO2+H2 、(3)CH3OH+H2O→CO2+3H2 ，重整反应生成的H2和CO2，所述氢气纯化装置用于分离出制得的氢气，该氢气输向燃料电池9，所述燃烧腔用于部分制得的氢气与外界空气中的氧气燃烧，为重整器8的运行提供热量；所述氢气纯化装置分离之后的二氧化碳、燃烧腔内氢气氧气燃烧产生的水汽以及外界空气中的未燃烧气体混合成高温余气，从排气囱口排向空气余气混合器11或外界；所述空气余气混合器11用于将外界空气与高温余气混合成中温混合气体，输向室外换热器5；所述燃料电池9用于氢气与空气中的氧气发生电化学反应，产生电能输出，在燃料电池9的阳极：2H2→4H++4e-，H2***成两个质子和两个电子，质子穿过质子交换膜（PEM），电子通过阳极板，通过外部负载，并进入阴极双极板；在燃料电池9的阴极：O2+4e-+4H+→2H2O，质子、电子和O2重新结合以形成H2O；所述电力转换装置10用于将燃料电池9输出的电能转换为负载所需求的电，为压缩机1及输送泵7供电。
如图1所示，所述工质输送回路设有用于输送制冷工况状态下的工质的止回阀12，所述节流阀4包括主毛细管41和副毛细管42，其中副毛细管42与止回阀12相并联；所述工质输送回路上还设有过滤器13及***14。
如图1所示，所述排气囱口与空气余气混合器11之间设有换向阀15，在制热工况状态下，从排气囱口排出的高温余气经换向阀15后排向空气余气混合器11，高温余气与外界空气混合后，热泵空调能同时利用高温余气及外界空气的热量，使得热泵空调更节能省电，一般地，热泵空调利用的热量中，外界空气热量占比30%-80%，高温余气占比20%-70%。在制冷工况状态下，从排气囱口排出的高温余气经换向阀15后排向外界。
如图1所示，所述空气余气混合器11设有风扇及温度感应器，风扇用于将外界空气扇入空气余气混合器11，温度感应器用于检测空气余气混合器11内的混合气体温度，该混合气体温度范围为25～70℃。
如图1所示，所述输送泵7与重整器8之间的输送管道上设有换热器16，低温的甲醇和水原料在换热器16中，与重整室输出的高温氢气进行换热，甲醇和水原料温度升高，氢气温度降低。
所述氢气纯化装置为在多孔陶瓷表面真空镀钯银合金的膜分离装置，镀膜层为钯银合金，钯银合金的质量百分比钯占75%-78%，银占22%-25%。
上述基于甲醇水重整制氢发电***的热泵空调的制热制冷方法，包括以下步骤：
a.重整器在运行过程中，发生甲醇水重整制氢反应，制得的氢气输向燃料电池，在燃料电池内，氢气与空气中的氧气发生电化学反应，产生电能输出，与此同时，从重整器的排气囱口排出高温余气；
b.在制热工况下，室内换热器成为冷凝器，室外换热器成为蒸发器，高温余气排向空气余气混合器，并与外界空气混合成中温混合气体输向室外换热器，在室外换热器中，中温混合气体与工质换热，转化成低温混合气体后排出；燃料电池输出的电能经电力转换装置转换后，为压缩机及输送泵供电，余电输出（可为其他设备或负载供电）；
c.在制冷工况下，室内换热器成为蒸发器，室外换热器成为冷凝器，高温余气排向外界；燃料电池输出的电能经电力转换装置转换后，为压缩机及输送泵供电，余电输出；
优选地，在制热工况下，温度传感器实时检测空气余气混合器中的混合气体温度，并将温度信息反馈给控制装置，控制装置通过风扇调整外界空气的送入量，以控制混合气体的温度范围在25～70℃内。
以上所述，仅是本发明较佳实施方式，凡是依据本发明的技术方案对以上的实施方式所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.基于甲醇水重整制氢发电***的热泵空调，其特征在于：包括压缩机、四通换向阀、室内换热器、节流阀、室外换热器、甲醇水储存容器、输送泵、重整器、燃料电池、电力转换装置及空气余气混合器；所述压缩机、四通换向阀、室内换热器、节流阀与室外换热器之间形成热泵空调的工质输送回路；所述甲醇水储存容器储存有液态的甲醇水原料；所述输送泵用于将甲醇水储存容器中的甲醇水原料通过输送管道泵送至重整器的重整室；重整器设有重整室、氢气纯化装置、燃烧腔及排气囱口，所述重整室用于甲醇与水蒸汽发生重整制氢反应制得氢气和二氧化碳的混合气体，所述氢气纯化装置用于分离出制得的氢气，该氢气输向燃料电池，所述燃烧腔用于部分制得的氢气与外界空气中的氧气燃烧，为重整器的运行提供热量；所述氢气纯化装置分离之后的二氧化碳、燃烧腔内氢气氧气燃烧产生的水汽以及外界空气中的未燃烧气体混合成高温余气，从排气囱口排向空气余气混合器或外界, 所述排气囱口与空气余气混合器之间设有换向阀，在制热工况状态下，从排气囱口排出的高温余气经换向阀后排向空气余气混合器，使重整器的高温余气热量与外界空气热量同时得到利用，在制冷工况状态下，从排气囱口排出的高温余气经换向阀后排向外界；所述空气余气混合器用于将外界空气与高温余气混合成中温混合气体，输向室外换热器；所述燃料电池用于氢气与空气中的氧气发生电化学反应，产生电能输出；所述电力转换装置用于将燃料电池输出的电能转换为负载所需求的电，为压缩机及输送泵供电。
2.根据权利要求1所述的基于甲醇水重整制氢发电***的热泵空调，其特征在于：所述工质输送回路设有用于输送制冷工况状态下的工质的止回阀，所述节流阀包括主毛细管和副毛细管，其中副毛细管与止回阀相并联；所述工质输送回路上还设有过滤器及***。
3.根据权利要求1所述的基于甲醇水重整制氢发电***的热泵空调，其特征在于：所述空气余气混合器设有风扇及温度感应器，风扇用于将外界空气扇入空气余气混合器，温度感应器用于检测空气余气混合器内的混合气体温度，该混合气体温度范围为25～70℃。
4.根据权利要求1所述的基于甲醇水重整制氢发电***的热泵空调，其特征在于：所述输送泵与重整器之间的输送管道上设有换热器，低温的甲醇和水原料在换热器中，与重整室输出的高温氢气进行换热，甲醇和水原料温度升高，氢气温度降低。
5.根据权利要求1所述的基于甲醇水重整制氢发电***的热泵空调，其特征在于：所述氢气纯化装置为在多孔陶瓷表面真空镀钯银合金的膜分离装置，镀膜层为钯银合金，钯银合金的质量百分比钯占75%-78%，银占22%-25%。
6.权利要求1-5中任意一项所述基于甲醇水重整制氢发电***的热泵空调的制热制冷方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.重整器在运行过程中，发生甲醇水重整制氢反应，制得的氢气输向燃料电池，在燃料电池内，氢气与空气中的氧气发生电化学反应，产生电能输出，与此同时，从重整器的排气囱口排出高温余气；
b.在制热工况下，室内换热器成为冷凝器，室外换热器成为蒸发器，高温余气排向空气余气混合器，并与外界空气混合成中温混合气体输向室外换热器，在室外换热器中，中温混合气体与工质换热，转化成低温混合气体后排出；燃料电池输出的电能经电力转换装置转换后，为压缩机及输送泵供电，余电输出；
c.在制冷工况下，室内换热器成为蒸发器，室外换热器成为冷凝器，高温余气排向外界；燃料电池输出的电能经电力转换装置转换后，为压缩机及输送泵供电，余电输出。
7.根据权利要求6所述基于甲醇水重整制氢发电***的热泵空调的制热制冷方法，其特征在于：在制热工况下，温度传感器实时检测空气余气混合器中的混合气体温度，并将温度信息反馈给控制装置，控制装置通过风扇调整外界空气的送入量，以控制混合气体的温度范围在25～70℃内。
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