CN1786611A - 燃料电池和空气源热泵热水器的联合*** - Google Patents

燃料电池和空气源热泵热水器的联合*** Download PDF

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Abstract

一种能源技术领域的质子交换膜燃料电池和空气源热泵热水器的联合***，包括：质子交换膜燃料电池子***、空气尾气调节阀、蒸发器、压缩机、冷凝盘管、节流元件、热水水箱、冷水调节阀、热水调节阀、温度传感器，质子交换膜燃料电池子***通过空气尾气调节阀与蒸发器相连接，质子交换膜燃料电池子***与压缩机电连接，蒸发器、压缩机、冷凝盘管、节流元件通过铜管串联连接构成热泵子***，冷凝盘管置于热水水箱中，冷水调节阀安装于热水水箱上，热水调节阀安装于热水水箱上，温度传感器安装于热水水箱内。本发明可以利用质子交换膜电池子***排出空气的余热，从而使空气源热泵子***的结构简化、运行稳定、功耗减少以及经济性得到提高。

Description

燃料电池和空气源热泵热水器的联合***
技术领域
本发明涉及的是一种能源技术领域的***，具体的说，涉及的是一种燃料电池和空气源热泵热水器的联合***。
背景技术
首先，质子交换膜燃料电池***是一种采用氢气为燃料、空气中的氧气为氧化剂的发电装置，由于燃料电池的电化学反应机理，可使其不受卡诺尔循环效率的限制，因此，质子交换膜燃料电池组具有效率高、环境友好等特点。质子交换膜燃料电池***在工作时，排出空气的温度通常在40℃左右且具有1～2m/s流速，然而具有大量低品位能量的燃料电池排出空气往往直接排向大气而不被利用，从而造成能量的浪费。其次，空气源热泵热水器是一种基于热泵循环的热水器***，该***利用蒸发器从环境空气中吸收热能，并通过冷凝盘管将热能释放到热水水箱中去，从而实现了热水的制备。然而，目前的空气源热泵热水器的蒸发温度随着季节的变化而不断变化，从而使得压缩机的季节能效比和全年经济性都较低；此外，空气源热泵热水器的蒸发器要采用轴流风机来提高其换热性能，因此，进一步增加了***的耗功。
经现有技术的文献检索发现，中国专利公开号CN 2708173Y，公开日为2005.07.06，专利名称为：容量可调的空气源热泵热水器。该专利的自叙述为：“一种容量可调的空气源热泵热水器，由压缩机、气液分离器、干燥过滤器、毛细管组、风冷换热器、冷凝盘管、生活热水箱、温度传感器及控制器等部件组成。采用三根分别按照冬季、夏季和过渡季工况进行设计的不同长度的毛细管并联组成毛细管组，并采用三只制冷电磁阀加以通断控制，可极大地改善空气源热泵热水器的季节能效比及全年经济性能。带温度传感器的风机控制器可根据检测的蒸发盘管出口制冷剂过热度来控制轴流风扇转速，实现多段式的自动风量调节功能，使蒸发器在任何工况下都可以获得合理的空气热能。本实用新型具有高效节能、安全可靠、使用寿命长、操作简单等优点。”其不足之处是：首先，该发明采用三根毛细管并联组成毛细管组，并对应使用三只电磁阀，因此，该设计势必大大增加***的成本，提高***控制的难度，从而削弱***的稳定性；其次，采用三只毛细管的做法并没有从本质上解决***蒸发温度随季节变化的特性，因此，压缩机的季节能效比仍然上下波动，此外，压缩机的变工况运行对压缩机的寿命也有较大的影响；最后，该***中轴流风扇的存在，进一步增加了***的成本、控制的复杂性和***的功耗。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种燃料电池和空气源热泵热水器的联合***，使其利用燃料电池排出空气中的余热提高空气源热泵的蒸发温度，并使其恒定于该蒸发温度，从而可以减少热泵子***中压缩机的功耗、节流元件的数量并提高***的稳定性；此外，由于燃料电池排出空气流速通常为1～2m/s，因此，蒸发器中的轴流风机可被省略，从而可进一步简化热泵子***结构、节约成本并降低其功耗。
本发明是通过如下技术方案实现的，本发明包括：质子交换膜燃料电池子***、空气尾气调节阀、蒸发器、压缩机、冷凝盘管、节流元件、热水水箱、冷水调节阀、热水调节阀、温度传感器。质子交换膜燃料电池子***通过不锈钢管及空气尾气调节阀与蒸发器相连接。质子交换膜燃料电池子***通过电线与压缩机电连接。蒸发器、压缩机、冷凝盘管、节流元件通过铜管串联连接构成热泵子***。冷凝盘管置于热水水箱中。冷水调节阀安装于热水水箱上，其位置低于冷凝盘管水平位置；热水调节阀安装于热水水箱上，其位置高于冷凝盘管水平位置。温度传感器安装于热水水箱内，其位置与热水调节阀水平。
所述质子交换膜燃料电池子***，包括：质子交换膜燃料电池组和直流-交流逆变器。质子交换膜燃料电池组与直流-交流逆变器电连接；直流-交流逆变器与外界电线电连接。
所述空气尾气调节阀为一个自动三通调节阀，来自质子交换膜燃料电池组的空气尾气从阀门的一端进入，按设定的流量分别排向大气和蒸发器。
所述蒸发器，其具体结构为管翅式，来自空气尾气调节阀的空气在翅片管的外侧放热，热量通过翅片管传给管内制冷工质。
所述热水水箱，由内胆和保温层构成，内胆为不锈钢承压式结构，内胆外包裹聚氨酯保温层。
本发明使用时，氢气和空气进入质子交换膜燃料电池子***，通过其内部的质子交换膜燃料电池组的电化学反应向直流-交流逆变器输出直流电，直流-交流逆变器通过逆变转换对外输出220V交流电，此电能中的一部分通过电线输送给用户，另一部分则供应热泵子***的压缩机；其次，质子交换膜燃料电池子***内经电化学反应后的少量残余氢气被排向大气，而温度为40℃的热空气排气经由不锈钢管、通过空气尾气调节阀进入蒸发器；在蒸发器内，吸收空气排气热量的制冷工质由液态变为气态后经由铜管被吸入压缩机，在压缩机内制冷工质被压缩成为高温、高压气体后送入冷凝盘管，在冷凝盘管内制冷工质所含热量被传递给热水水箱中的冷水，冷凝盘管内气态制冷工质放出热量后变为高压液态，该液态制冷工质进一步经由铜管进入节流元件后变为10℃的低温、低压液态制冷工质，该制冷工质再次进入蒸发器吸热从而完成热泵循环；来自城市水管网的自来水通过冷水调节阀进入热水水箱，从冷凝盘管中吸热后，由热水调节阀输出热水，输出热水的温度(30～70℃)通过温度传感器加以监测，并通过改变空气尾气调节阀向蒸发器输送热空气的流量以及压缩机的启停加以调节；热水水箱由内胆和保温层构成，为了承受水的静态压力内胆为不锈钢承压式结构，为了防止热量的损失内胆外包裹聚氨酯保温层。
本发明的有益效果是：(1)由于质子交换膜燃料电池子***的空气出口温度通常恒定在40℃左右，与之相应的蒸发器内制冷工质的温度可提高并恒定在10℃左右，因此，无须采用多个节流元件调节热泵子***对于季节的适应性，从而简化了热泵子***结构和控制，进而可节约成本；(2)当热水水箱的出水温度保持一定、且蒸发温度提高至10℃时，热泵子***中压缩机的功耗可比原先减少50％以上；(3)由于质子交换膜燃料电池子***的排出空气流速通常为1～2m/s，因此，蒸发器中的轴流风机被省略，从而可进一步简化热泵子***结构、节约成本并降低其功耗；(4)热泵子***中压缩机的耗功直接来源于燃料电池子***的输出功耗，因此可减少电网的负荷。
附图说明
图1为本发明结构示意图
具体实施方式
如图1所示，本发明包括：质子交换膜燃料电池子***1、空气尾气调节阀2、蒸发器3、压缩机4、冷凝盘管5、节流元件6、热水水箱7、冷水调节阀8、热水调节阀9、温度传感器10。所述质子交换膜燃料电池子***1通过不锈钢管11及空气尾气调节阀2与蒸发器3相连接。质子交换膜燃料电池子***1通过电线12与压缩机4电连接。蒸发器3、压缩机4、冷凝盘管5、节流元件6通过铜管13串联连接构成热泵子***。冷凝盘管5置于热水水箱7中。冷水调节阀8安装于热水水箱7上，其位置低于冷凝盘管5水平位置；热水调节阀9安装于热水水箱7上，其位置高于冷凝盘管5水平位置。温度传感器10安装于热水水箱7内，其位置与热水调节阀9水平。
所述质子交换膜燃料电池子***1，包括：质子交换膜燃料电池组14和直流-交流逆变器15。质子交换膜燃料电池组14与直流-交流逆变器15电连接；直流-交流逆变器15与外界电线12电连接。
所述空气尾气调节阀2为一个自动三通调节阀，来自质子交换膜燃料电池组14的空气尾气从阀门的一端进入，按设定的流量分别排向大气和蒸发器3。
所述蒸发器3，其具体结构为管翅式，来自空气尾气调节阀2的空气在翅片管的外侧放热，热量通过翅片管传给管内制冷工质。
所述热水水箱7，由内胆16和保温层17构成，内胆16为不锈钢承压式结构，内胆16外包裹聚氨酯保温层17。
本发明使用时，氢气和空气进入质子交换膜燃料电池子***1，通过其内部的质子交换膜燃料电池组14的电化学反应向直流-交流逆变器输15出直流电，直流-交流逆变器15通过逆变转换对外输出220V交流电，此电能中的一部分通过电线12输送给用户，另一部分则供应热泵子***的压缩机；其次，质子交换膜燃料电池子***1内经电化学反应后的少量残余氢气被排向大气，而温度为40℃的热空气排气经由不锈钢管11、通过空气尾气调节阀2进入蒸发器3；在蒸发器3内，吸收空气排气热量的制冷工质由液态变为气态后经由铜管13被吸入压缩机4，在压缩机4内制冷工质被压缩成为高温、高压气体后送入冷凝盘管5，在冷凝盘管5内制冷工质所含热量被传递给热水水箱7中的冷水，冷凝盘管5内气态制冷工质放出热量后变为高压液态，该液态制冷工质进一步经由铜管13进入节流元件6后变为10℃的低温、低压液态制冷工质，该制冷工质再次进入蒸发器3吸热从而完成热泵循环；来自城市水管网的自来水通过冷水调节阀8进入热水水箱7，从冷凝盘管5中吸热后，由热水调节阀9输出热水，输出热水的温度(30～70℃)通过温度传感器10加以监测，并通过改变空气尾气调节阀2向蒸发器3输送热空气的流量以及压缩机4的启停加以调节；热水水箱7由内胆16和保温层17构成，为了承受水的静态压力内胆16为不锈钢承压式结构，为了防止热量的损失内胆16外包裹聚氨酯保温层17。

Claims (5)

1、一种燃料电池和空气源热泵热水器的联合***，包括：质子交换膜燃料电池子***(1)、空气尾气调节阀(2)、蒸发器(3)、压缩机(4)、冷凝盘管(5)、节流元件(6)、热水水箱(7)、冷水调节阀(8)、热水调节阀(9)、温度传感器(10)，其特征在于，质子交换膜燃料电池子***(1)通过不锈钢管(11)及空气尾气调节阀(2)与蒸发器(3)相连接，质子交换膜燃料电池子***(1)通过电线(12)与压缩机(4)电连接，蒸发器(3)、压缩机(4)、冷凝盘管(5)、节流元件(6)通过铜管(13)串联连接构成热泵子***，冷凝盘管(5)置于热水水箱(7)中，冷水调节阀(8)设置于热水水箱(7)上，其位置低于冷凝盘管(5)水平位置，热水调节阀(9)设置于热水水箱(7)上，其位置高于冷凝盘管(5)水平位置，温度传感器(10)设置于热水水箱(7)内，其位置与热水调节阀(9)水平。
2、根据权利要求1所述的燃料电池和空气源热泵热水器的联合***，其特征是，所述质子交换膜燃料电池子***(1)，包括：质子交换膜燃料电池组(14)和直流—交流逆变器(15)，质子交换膜燃料电池组(14)与直流—交流逆变器(15)电连接，直流—交流逆变器(15)与外界电线(12)电连接。
3、根据权利要求1所述的燃料电池和空气源热泵热水器的联合***，其特征是，所述空气尾气调节阀(2)，为—个自动三通调节阀，来自质子交换膜燃料电池组(14)的空气尾气从阀门的一端进入，按设定的流量分别排向大气和蒸发器(3)。
4、根据权利要求1所述的燃料电池和空气源热泵热水器的联合***，其特征是，所述蒸发器(3)，其结构为管翅式，来自空气尾气调节阀(2)的空气在翅片管的外侧放热，热量通过翅片管传给管内制冷工质。
5、根据权利要求1所述的燃料电池和空气源热泵热水器的联合***，其特征是，所述热水水箱(7)，由内胆(16)和保温层(17)构成，内胆(16)为不锈钢承压式结构，内胆(16)外包裹聚氨酯保温层(17)。
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