CN206875753U - 氢能和太阳能互补的热泵*** - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了氢能和太阳能互补的热泵***，包括质子交换膜燃料电池电堆、直流‑直流变换器、散热水箱、散热风扇、第一水泵、膨胀水箱、第一蒸发器、第二蒸发器、压缩机、冷凝器、第一节流元件、第二节流元件、太阳能集热器、第二水泵、第三水泵和储热水箱，第一蒸发器和第二蒸发器并联布置，并与第一节流元件、第二节流元件、压缩机、冷凝器构成双重热泵循环回路，第一蒸发器吸收质子交换膜燃料电池冷却水的余热，第二蒸发器吸收太阳能集热器的热量，在冷凝器得到温度提升后的热量，并将热量储存在储热水箱中，热泵循环效率大大提高。本实用新型充分利用燃料电池余热和温度较低的太阳能，得到温度较高的热能，具有多种运行模式。

Description

氢能和太阳能互补的热泵***

技术领域

本实用新型涉及热能动力技术领域，尤其涉及氢能和太阳能互补的热泵***。

背景技术

太阳能集热器是一种太阳能收集装置，太阳能集热器收集的热量可用于热水、采暖等场合。太阳能集热器一般可以将水加热到50℃以上。由于太阳能具有间歇的特性，在夜晚和阴雨天气没有阳光，收集不了太阳热能，此时就需要其它能源对其进行补充。此外，在冬天时太阳能集热器的效率很低，使得集热后的水温很低，达不到热水、采暖的最低温度。若冬季有热水、采暖的需要，就需要尽量提高太阳能热水器的水温。

以氢为燃料的质子交换膜燃料电池具有燃料来源广泛、清洁环保、电能转换效率高、工作温度低的特点，只要源源不断地给质子交换膜燃料电池供应氢气，质子交换膜燃料电池就能源源不断地产生电力，不受天气条件的限制。输入到质子交换膜燃料电池的氢气的能量有50％以上转化成电能，剩下不到50％则转化成热量。由于此热量温度较低，一般利用价值不大，只能白白排放掉。如要充分利用此余热，就需要将此余温的温度提升到足够高的水平。

热泵是以消耗一定的高品位能源(一般为电能或机械能)为代价，从低温热源吸热，并向高温热源放热的装置。因此，如果利用热泵装置，来提升太阳能集热器的温度和质子交换膜燃料电池余热的温度，可以使太阳能和PEFMC的余热能更好地被利用。

发明内容

有鉴于此，本实用新型的实施例提供了一种通过以氢气为燃料的质子交换膜燃料电池和蒸气压缩式热泵循环，来提升太阳能集热器和质子交换膜燃料电池余热的温度，以解决太阳能热水器和质子交换膜燃料电池发电***的余热温度不高的问题的氢能和太阳能互补的热泵***。

本实用新型的实施例提供氢能和太阳能互补的热泵***，包括质子交换膜燃料电池电堆、第一蒸发器、散热水箱、第一水泵、第一节流元件、第二蒸发器、压缩机、冷凝器、第二节流元件、太阳能集热器、第二水泵、热水储箱和第三水泵，所述第一蒸发器和所述第二蒸发器并联，所述第一蒸发器包括第一流道和第二流道，所述第二蒸发器包括第三流道和第四流道，所述第一流道和第三流道为散热流道，所述第二流道和第四流道为蒸发流道，所述冷凝器包括冷凝流道和吸热流道，所述第一流道依次连接散热水箱、第一水泵、质子交换膜燃料电池电堆构成燃料电池冷却水回路，所述第三流道依次连接第二水泵、太阳能集热器构成集热回路，所述第二流道依次连接压缩机、冷凝流道、第一节流元件构成第一热泵循环回路，所述第四流道依次连接压缩机、冷凝流道、第二节流元件构成第二热泵循环回路，所述吸热流道依次连接热水储箱和第三水泵构成热水循环回路。

进一步，所述第一水泵将散热水箱中的冷却水泵入质子交换膜燃料电池电堆中，所述冷却水带走质子交换膜燃料电池电堆中的反应热，所述冷却水的温度升高，并流入第一流道，所述冷却水的热量在第一流道中被所述第二流道的吸热介质吸收，所述冷却水的温度降低，并流回散热水箱，所述冷却水在散热水箱中进一步散热，所述冷却水的温度进一步降低至能够再次冷却质子交换膜燃料电池电堆。

进一步，所述太阳能集热器吸收太阳能，所述第二水泵将水泵入太阳能集热器，在所述太阳能集热器中水被加热，加热的水流入第三流道中，加热的水在第三流道中将热量传递给第四流道的吸热介质，再流回第二水泵。

进一步，所述压缩机将冷媒气体压缩为高温高压的冷媒气体，并流进冷凝流道，所述高温高压的冷媒气体在所述冷凝流道中向吸热流道放热，并冷凝为高温高压的液体，所述高温高压的液体经第一节流元件变为低温低压的气液混合物，所述低温低压的气液混合物流入第二流道，所述低温低压的气液混合物就是第二流道中的吸热介质，所述低温低压的气液混合物在第二流道中吸收热量蒸发为冷媒气体。

进一步，所述压缩机将冷媒气体压缩为高温高压的冷媒气体，并流进冷凝流道，所述高温高压的冷媒气体在所述冷凝流道中向吸热流道放热，并冷凝为高温高压的液体，所述高温高压的液体经第二节流元件变为低温低压的气液混合物，所述低温低压的气液混合物流入第四流道，所述低温低压的气液混合物就是第四流道中的吸热介质，所述低温低压的气液混合物在第四流道中吸收热量蒸发为冷媒气体。

进一步，所述第三水泵将水从热水储箱的底部泵入吸热流道，并在吸热流道内吸收冷凝流道中高温高压的冷媒气体的放热，水温升高，再流回热水储箱的顶部，所述第三水泵再将水从热水储箱的底部泵入吸热流道直至整个热水储箱中的水均被加热。

进一步，所述散热水箱的外侧设有散热风扇，所述散热水箱连通膨胀水箱，所述膨胀水箱为散热水箱供应冷却水并提供水温变化时所需的体积膨胀空间，所述散热风扇加速散热水箱外部空气的对流，进而加速所述散热水箱的散热。

进一步，所述质子交换膜燃料电池电堆连接一直流-直流变换器(DC/DC变换器)，所述质子交换膜燃料电池电堆上设有氢气入口、氢气出口、空气入口和空气出口，所述空气和氢气分别经空气入口和氢气入口进入质子交换膜燃料电池电堆，所述氢气和空气中的氧气在所述质子交换膜燃料电池电堆中反应产生直流电，所述直流电通过所述DC/DC变换器转换为稳定直流电。

进一步，所述第一节流元件和第二节流元件均为节流毛细管、热力膨胀阀、电子膨胀阀、节流短管和节流孔板中任意一种。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：本实用新型采用双重热泵循环回路，大大提高了热泵循环效率，通过氢能和太阳能的互补，改善了太阳能运行成本低但严重受限于天气，氢能不受天气影响但运行费用又较高的问题，使得***的综合能效得到较好的平衡；充分利用低品位的、温度较低的燃料电池余热和太阳能，通过热泵效应得到高品位的、温度较高的热水，从而使得燃料电池余热和太阳能的用途更广泛，利用价值更高；***中的压缩机、水泵等可以用燃料电池所发的直流电直接驱动，可以实现脱网运行，在沙漠、海岛等边远无电地区也能应用；具有多种运行模式，可适应不同的季节和天气条件；全部由可再生能源驱动(氢能、太阳能)，零污染、零排放，对环境友好。

附图说明

图1是本实用新型氢能和太阳能互补的热泵***的一示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地描述。

请参考图1，本实用新型的实施例提供了氢能和太阳能互补的热泵***，包括质子交换膜燃料电池电堆1、第一蒸发器2、散热水箱3、第一水泵4、第一节流元件7、第二蒸发器14、压缩机5、冷凝器6、第二节流元件15、太阳能集热器8、第二水泵16、热水储箱9和第三水泵10。

质子交换膜燃料电池电堆1连接一DC/DC变换器11，质子交换膜燃料电池电堆1上设有氢气入口、氢气出口、空气入口和空气出口，空气和氢气分别经空气入口和氢气入口进入质子交换膜燃料电池电堆1，氢气和空气中的氧气在质子交换膜燃料电池电堆1中反应产生直流电，直流电通过DC/DC变换器11转换为稳定直流电。

散热水箱3的外侧设有散热风扇12，所述散热水箱3连通膨胀水箱13，所述膨胀水箱13为散热水箱3供应冷却水并提供水温变化时所需的体积膨胀空间，所述散热风扇12加速散热水箱3外部空气的对流，进而加速所述散热水箱3的散热。

第一蒸发器2和第二蒸发器14为并联，第一蒸发器2包括第一流道21和第二流道22，所述第二蒸发器14包括第三流道141和第四流道142，所述第一流道21和第三流道141为散热流道，所述第二流道22和第四流道142为蒸发流道，所述冷凝器6包括冷凝流道61和吸热流道62。

第一流道21依次连接散热水箱3、第一水泵4、质子交换膜燃料电池电堆1构成燃料电池冷却水回路，第一水泵4将散热水箱3中的冷却水泵入质子交换膜燃料电池电堆1中，所述冷却水带走质子交换膜燃料电池电堆1中的反应热，所述冷却水的温度升高，并流入第一流道21，所述冷却水的热量在第一流道21中被所述第二流道22的吸热介质吸收，所述冷却水的温度降低，并流回散热水箱3，所述冷却水在散热水箱3中进一步散热，所述冷却水的温度进一步降低至能够再次冷却质子交换膜燃料电池电堆1。

第二流道22依次连接压缩机5、冷凝流道61、第一节流元件7构成第一热泵循环回路，压缩机5将冷媒气体压缩为高温高压的冷媒气体，并流进冷凝流道61，所述高温高压的冷媒气体在所述冷凝流道61中向吸热流道放热，并冷凝为高温高压的液体，所述高温高压的液体经第一节流元件7变为低温低压的气液混合物，所述低温低压的气液混合物流入第二流道22，所述低温低压的气液混合物就是第二流道22中的吸热介质，所述低温低压的气液混合物在第二流道22中吸收热量蒸发为冷媒气体。

第三流道141依次连接第二水泵16、太阳能集热器8构成集热回路，太阳能集热器8吸收太阳能，所述第二水泵16将水泵入太阳能集热器8，在所述太阳能集热器8中水被加热，加热的水流入第三流道141中，加热的水在第三流道141中将热量传递给第四流道142的吸热介质，再流回第二水泵16。

第四流道142依次连接压缩机5、冷凝流道61、第二节流元件15构成第二热泵循环回路，压缩机5将冷媒气体压缩为高温高压的冷媒气体，并流进冷凝流道61，所述高温高压的冷媒气体在所述冷凝流道61中向吸热流道放热，并冷凝为高温高压的液体，所述高温高压的液体经第二节流元件15变为低温低压的气液混合物，所述低温低压的气液混合物流入第四流道142，所述低温低压的气液混合物就是第四流道142中的吸热介质，所述低温低压的气液混合物在第四流道142中吸收热量蒸发为冷媒气体。

吸热流道62依次连接热水储箱9和第三水泵10构成热水循环回路，第三水泵10将水从热水储箱9的底部泵入吸热流道62，并在吸热流道62内吸收冷凝流道61中高温高压的冷媒气体的放热，水温升高，再流回热水储箱9的顶部，所述第三水泵10再将水从热水储箱9的底部泵入吸热流道62直至整个热水储箱9中的水均被加热。

在一实施例中，第一节流元件7和第二节流元件15均为节流毛细管、热力膨胀阀、电子膨胀阀、节流短管和节流孔板中任意一种，优选为电子膨胀阀。

在上述过程中，第一蒸发器2和第二蒸发器14是并联的关系，冷媒既可从质子交换膜燃料电池电堆1的冷却水中吸热，也可从被太阳能集热器8加热的水中吸热，并释放热量到热水储箱9中，最终在热水储箱9中得到的热水温度不仅高于质子交换膜燃料电池电堆1余热的温度，也高于太阳能集热器8所能达到的最高温度，因此可以将其看作是一种具有双热源的热泵***。

第一种工作模式：质子交换膜燃料电池电堆单独供电运行模式。

在这种模式下，仅质子交换膜燃料电池电堆1工作，此种模式适用于仅需要单独供电，且不需要利用余热的场合，在此模式下，第一水泵4、散热风扇12运行，第二水泵16、第三水泵10、压缩机5均不运行，此时，第一水泵4从散热水箱3底部抽水，泵入质子交换膜燃料电池电堆1，以冷却质子交换膜燃料电池电堆1，由质子交换膜燃料电池电堆1流出的冷却水经过第一流道21返回散热水箱3，在散热水箱3中冷却水借助散热风扇12向空气散热，温度降低，从而再次具备冷却质子交换膜燃料电池电堆1的能力，此时质子交换膜燃料电池电堆1的余热全部散到空气中去，余热没有被利用。

第二种工作模式：质子交换膜燃料电池电堆1和压缩机5联合运行模式

在这种模式下，太阳能集热器8不工作，质子交换膜燃料电池电堆1、压缩机5和热水循环回路工作，此种模式适用于阳光不充足的冬季，或夜晚需要供热时，在此模式下，质子交换膜燃料电池电堆1工作；第一水泵4、第三水泵10、压缩机5运行；第二水泵16关闭；第一节流元件7工作，第二节流元件15关闭，此时，冷媒在第二流道22中进行蒸发，吸收第一流道21中的从质子交换膜燃料电池电堆1来的冷却水的热量，使质子交换膜燃料电池电堆1来的冷却水的温度降低，蒸发后的冷媒气体进入压缩机5，在其中冷媒气体被压缩，温度升高、压力升高，进入冷凝器6中的冷凝流道61，在冷凝流道中61，冷媒向吸热流道62中的水放热，自身冷凝成液体，冷媒液体经过第一节流元件7后，温度降低、压力降低，进入第一蒸发器2，再次具备吸热的能力，而吸热流道62中的水在吸收了冷媒的冷凝热后温度升高，返回储热水箱9，经过第三水泵10的不断循环，最终使得整个储热水箱9的水温均升高，达到将质子交换膜燃料电池电堆1的余热提升温度后再储存到储热水箱9中的目的。

第三种工作模式：太阳能集热器8和压缩机5联合运行模式

在这种模式下，太阳能集热器8、压缩机5和热水循环回路工作，在此模式下，第一水泵4关闭、散热风扇3关闭；第二水泵16、第三水泵10、压缩机5运行；第一节流元件7关闭，第二节流元件15工作，此时，冷媒在第四流道142中进行蒸发，吸收第三流道141中的从太阳能集热器8来的水的热量，水的温度降低后经由第二水泵16返回太阳能集热器8被重新加热，蒸发后的冷媒进入压缩机5，在其中冷媒被压缩，温度升高、压力升高，进入冷凝器6中的冷凝流道61，在冷凝流道61中，冷媒向吸热流道62中的水放热，自身冷凝成液体。冷媒液体经过第二节流元件15后，温度降低、压力降低，进入第二蒸发器14，再次具备吸热的能力，而吸热流道62中的水在吸收了冷媒的冷凝热后温度升高，返回储热水箱9，经过第三水泵10的不断循环，最终使得整个储热水箱9的水温均升高，达到将太阳能集热器8收集的热水温度提升后再储存到储热水箱9中的目的。

第四种工作模式：质子交换膜燃料电池电堆1、太阳能集热器8和压缩机5联合运行模式

在这种模式下，质子交换膜燃料电池电堆1、太阳能集热器8、压缩机5、热水循环回路均工作，质子交换膜燃料电池电堆1的余热和太阳能集热器8收集的太阳热同时作为低温热源，在此模式下，第一水泵4、第二水泵16、第三水泵10均运行；压缩机5运行；第一节流元件7、第二节流元件15均开启，冷媒在第二流道22中进行蒸发，吸收第一流道21中的从质子交换膜燃料电池电堆1来的冷却水的热量，使质子交换膜燃料电池电堆1来的冷却水的温度降低。蒸发后的冷媒进入压缩机5，在其中被压缩，温度升高、压力升高，然后进入冷凝器6中的冷凝流道61，在冷凝流道6中，冷媒向吸热流道62中的水放热，自身冷凝成液体，冷媒液体经过第一节流元件7后，温度降低、压力降低，进入第一蒸发器2，再次具备吸热的能力，与此同时，冷媒在第四流道142中进行蒸发，吸收第三流道141中的从太阳能集热器8来的水的热量，水的温度降低后经由第二水泵16返回太阳能集热器8被重新加热，蒸发后的冷媒进入压缩机5，在其中冷媒被压缩，温度升高、压力升高，进入冷凝流道61，在冷凝流道61中，冷媒向吸热流道62中的水放热，自身冷凝成液体，冷媒液体经过第二节流元件15后，温度降低、压力降低，进入第二蒸发器14，再次具备吸热的能力，从第一蒸发器2和第二蒸发器14出来的冷媒气体混合后，一起进入压缩机5，第三水泵10抽取储热水箱9底部的水，泵入吸热流道62，进入吸热流道62中的水在吸收了冷媒的冷凝热后温度升高，经过第三水泵16的不断循环，最终使得整个储热水箱9的水温均升高，达到将质子交换膜燃料电池电堆1的余热和太阳能集热器8收集的热量提升温度后储存到储热水箱9中的目的。

本实用新型通过氢能和太阳能的互补，改善了太阳能运行成本低但严重受限于天气，氢能不受天气影响但运行费用又较高的问题，使得***的综合能效得到较好的平衡；充分利用低品位的、温度较低的燃料电池余热和太阳能，通过热泵效应得到高品位的、温度较高的热水，从而使得燃料电池余热和太阳能的用途更广泛，利用价值更高；***中的压缩机、水泵等可以用燃料电池所发的直流电直接驱动，可以实现脱网运行，在沙漠、海岛等边远无电地区也能应用；具有多种运行模式，可适应不同的季节和天气条件；全部由可再生能源驱动(氢能、太阳能)，零污染、零排放，对环境友好。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.氢能和太阳能互补的热泵***，包括质子交换膜燃料电池电堆、第一蒸发器、散热水箱、第一水泵、第一节流元件、第二蒸发器、压缩机、冷凝器、第二节流元件、太阳能集热器、第二水泵、热水储箱和第三水泵，其特征在于，所述第一蒸发器和第二蒸发器为并联，所述第一蒸发器包括第一流道和第二流道，所述第二蒸发器包括第三流道和第四流道，所述第一流道和第三流道为散热流道，所述第二流道和第四流道为蒸发流道，所述冷凝器包括冷凝流道和吸热流道，所述第一流道依次连接散热水箱、第一水泵、质子交换膜燃料电池电堆构成燃料电池冷却水回路，所述第三流道依次连接第二水泵、太阳能集热器构成集热回路，所述第二流道依次连接压缩机、冷凝流道、第一节流元件构成第一热泵循环回路，所述第四流道依次连接压缩机、冷凝流道、第二节流元件构成第二热泵循环回路，所述吸热流道依次连接热水储箱和第三水泵构成热水循环回路。

2.根据权利要求1所述的氢能和太阳能互补的热泵***，其特征在于，所述第一水泵将散热水箱中的冷却水泵入质子交换膜燃料电池电堆中，所述冷却水带走质子交换膜燃料电池电堆中的反应热，所述冷却水的温度升高，并流入第一流道，所述冷却水的热量在第一流道中被所述第二流道的吸热介质吸收，所述冷却水的温度降低，并流回散热水箱，所述冷却水在散热水箱中进一步散热，所述冷却水的温度进一步降低至能够再次冷却质子交换膜燃料电池电堆。

3.根据权利要求1所述的氢能和太阳能互补的热泵***，其特征在于，所述太阳能集热器吸收太阳能，所述第二水泵将水泵入太阳能集热器，在所述太阳能集热器中水被加热，加热的水流入第三流道中，加热的水在第三流道中将热量传递给第四流道的吸热介质，再流回第二水泵。

4.根据权利要求1所述的氢能和太阳能互补的热泵***，其特征在于，所述压缩机将冷媒气体压缩为高温高压的冷媒气体，并流进冷凝流道，所述高温高压的冷媒气体在所述冷凝流道中向吸热流道放热，并冷凝为高温高压的液体，所述高温高压的液体经第一节流元件变为低温低压的气液混合物，所述低温低压的气液混合物流入第二流道，所述低温低压的气液混合物就是第二流道中的吸热介质，所述低温低压的气液混合物在第二流道中吸收热量蒸发为冷媒气体。

5.根据权利要求1所述的氢能和太阳能互补的热泵***，其特征在于，所述压缩机将冷媒气体压缩为高温高压的冷媒气体，并流进冷凝流道，所述高温高压的冷媒气体在所述冷凝流道中向吸热流道放热，并冷凝为高温高压的液体，所述高温高压的液体经第二节流元件变为低温低压的气液混合物，所述低温低压的气液混合物流入第四流道，所述低温低压的气液混合物就是第四流道中的吸热介质，所述低温低压的气液混合物在第四流道中吸收热量蒸发为冷媒气体。

6.根据权利要求1所述的氢能和太阳能互补的热泵***，其特征在于，所述第三水泵将水从热水储箱的底部泵入吸热流道，并在吸热流道内吸收冷凝流道中高温高压的冷媒气体的放热，水温升高，再流回热水储箱的顶部，所述第三水泵再将水从热水储箱的底部泵入吸热流道直至整个热水储箱中的水均被加热。

7.根据权利要求1所述的氢能和太阳能互补的热泵***，其特征在于，所述散热水箱的外侧设有散热风扇，所述散热水箱连通膨胀水箱，所述膨胀水箱为散热水箱供应冷却水并提供水温变化时所需的体积膨胀空间，所述散热风扇加速散热水箱外部空气的对流，进而加速所述散热水箱的散热。

8.根据权利要求1所述的氢能和太阳能互补的热泵***，其特征在于，所述质子交换膜燃料电池电堆连接一直流-直流变换器，所述质子交换膜燃料电池电堆上设有氢气入口、氢气出口、空气入口和空气出口，所述空气和氢气分别经空气入口和氢气入口进入质子交换膜燃料电池电堆，所述氢气和空气中的氧气在所述质子交换膜燃料电池电堆中反应产生直流电，所述直流电通过所述直流-直流变换器转换为稳定直流电。

9.根据权利要求1所述的氢能和太阳能互补的热泵***，其特征在于，所述第一节流元件和第二节流元件均为节流毛细管、热力膨胀阀、电子膨胀阀、节流短管和节流孔板中任意一种。