一种高效灵活中低温燃料电池余热制冷系统的制作方法

本发明属于氢能，特别涉及一种高效灵活中低温燃料电池余热制冷系统。

背景技术：

1、随着氢能与燃料电池利用技术的发展成熟，氢燃料电池分布式供能技术是氢能综合利用技术途径之一，与传统分布式供能技术相比，具有零碳、高效的优势，预计在氢能产业发展进程中将扮演重要角色。基于质子交换膜燃料电池(pemfc)的分布式供能系统的主要工作原理如下：上游提供氢气，进入燃料电池系统，通过电化学反应，产生电流，实现发电；在发电的同时，电化学反应将产生热量，这部分热量被外界提供的冷却水获取，产生～70℃的热水，从而实现热电联供。单纯的燃料电池热电联供系统的应用存在一定的局限性，例如在高温的夏季对热水的需求将会降低，燃料电池发电系统产出的热水将被浪费，从而大幅度降低系统能量利用效率。此时，若将燃料电池系统产出的低品位热量，通过能量转化，产出高品位的冷量，为高温环境提供冷量，构建氢燃料电池冷热电三联供系统，将大大提高系统综合能量利用效率。然而，pem燃料电池由于目前技术限制，出口热水温度低于70℃，甚至低至65℃，由于热量品味较低，吸收式制冷难以被有效利用。

技术实现思路

1、为了解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供高效灵活中低温燃料电池余热制冷系统，充分利用燃料电池电量的同时将低品位热量进行利用，既可以大大提高燃料电池的温度区间，也提高了整体能量利用效率。

2、本发明所采用的技术方案为：

3、一种高效灵活中低温燃料电池余热制冷系统，包括co2跨临界热泵系统、溴化锂吸收式制冷系统和燃料电池发电系统，co2跨临界热泵系统产生的热水和燃料电池发电系统产生的热水混合后供给溴化锂吸收式制冷系统，溴化锂吸收式制冷系统产生的热水回水送至燃料电池发电系统。

4、本发明利用co2跨临界热泵大温度滑移制热，提升温水温位，使温水满足水-溴化锂溶液发生条件，使低温位热源也能适应水-溴化锂吸收式制冷，克服低温热源时溴化锂即使能发生，也要配置低温位循环水冷却的缺点。

5、本发明利用燃料电池发电时低温余热，通过供热和制冷方式进行能量梯级利用，通过co2跨临界热泵与制冷耦合，夏天时可供冷，冬天时可供热，必要时可“热-冷-电”三联供，提升余热的回收利用率，减少能量投入，提高系统综合供能效率。热泵气冷器制热同时叠加热泵蒸发器制冷，增加了热泵系统的能量利用效率，降低能耗，提升了经济性。

6、co2跨临界热泵耦合溴化锂吸收式制冷，增加了系统的可操作性，使操作更加灵活；热泵与溴化锂吸收式制冷互为备用，增加了制冷系统的冗余，即使其中1台设备故障，另1台设备仍能单独供冷。

7、作为本发明的优选方案，所述co2跨临界热泵系统包括依次通过管路连接的压缩机、气冷器、回热器、热泵系统节流阀、热泵系统蒸发器，压缩机通过管路连接到回热器的壳程；所述气冷器的管程进口送入冷水，气冷器的管程出口的热水与燃料电池发电系统产生的热水混合后供给溴化锂吸收式制冷系统。

8、作为本发明的优选方案，所述热泵系统蒸发器的管程进口送入冷水回水，热泵系统蒸发器的管程出口送出冷水上水。

9、作为本发明的优选方案，所述溴化锂吸收式制冷系统包括高压级发生器，高压级发生器的溴化锂水溶液出口通过管路连接有低压级吸收器，高压级发生器的水蒸气出口连接有冷凝器，冷凝器通过管路连接有制冷系统蒸发器，制冷系统蒸发器通过管路连接有高压级吸收器，高压级吸收器的溴化锂水溶液出口通过管路连接有第一循环泵，第一循环泵的出口通过管路与低压级发生器连接；

10、低压级发生器的溴化锂水溶液出口通过管路与高压级吸收器连接，低压级发生器的水蒸气出口通过管路与低压级吸收器连接，低压级吸收器的溴化锂水溶液出口通过管路连接有第二循环泵，第二循环泵的出口通过管路与高压级发生器连接；

11、所述co2跨临界热泵系统产生的热水和燃料电池发电系统产生的热水混合后送入低压级发生器的热水进口，低压级发生器的热水出口与高压级发生器的热水进口通过管路连接，高压级发生器的热水出口将热水回水送至燃料电池发电系统。

12、作为本发明的优选方案，所述冷凝器、低压级吸收器和高压级吸收器均通入循环水。

13、作为本发明的优选方案，所述蒸发器的管程通入冷水。

14、作为本发明的优选方案，所述冷凝器和蒸发器之间的管路上连接有第一节流阀，高压级发生器的溴化锂水溶液出口与低压级吸收器之间的管路上连接有第二节流阀，低压级发生器的溴化锂水溶液出口与高压级吸收器之间的管路上连接有第三节流阀。

15、作为本发明的优选方案，所述燃料电池发电系统包括燃料电池堆，燃料电池堆连接有氢气供应模块、空气供应模块和冷却模块，燃料电池堆电连接有电能变换模块，电能变换模块电连接有蓄电池，电能变换模块供给交流电。

16、作为本发明的优选方案，所述氢气供给模块包括氢气管道，氢气管道连接有氢气循环泵，氢气循环泵与燃料电池堆通过管路连接。

17、作为本发明的优选方案，所述空气供应模块包括空气泵，空气泵的出口通过管路连接有加湿器，加湿器与燃料电池堆通过管路连接。

18、本发明的有益效果为：

19、1.提高系统适应性。本发明利用co2跨临界热泵大温度滑移制热，提升温水温位，使温水满足水-溴化锂溶液发生条件，使低温位热源也能适应水-溴化锂吸收式制冷，克服低温热源时溴化锂即使能发生，也要配置低温位循环水冷却的缺点。

20、2.提高能量利用率和热泵经济性。本发明利用燃料电池发电时低温余热，通过供热和制冷方式进行能量梯级利用，通过co2跨临界热泵与制冷耦合，夏天时可供冷，冬天时可供热，必要时可“热-冷-电”三联供，提升余热的回收利用率，减少能量投入，提高系统综合供能效率。热泵气冷器制热同时叠加热泵蒸发器制冷，增加了热泵系统的能量利用效率，降低能耗，提升了经济性。

21、3.提升系可操作性和冗余。co2跨临界热泵耦合溴化锂吸收式制冷，增加了系统的可操作性，使操作更加灵活；热泵与溴化锂吸收式制冷互为备用，增加了制冷系统的冗余，即使其中1台设备故障，另1台设备仍能单独供冷。

技术特征：

1.一种高效灵活中低温燃料电池余热制冷系统，其特征在于：包括co2跨临界热泵系统(1)、溴化锂吸收式制冷系统(2)和燃料电池发电系统(3)，co2跨临界热泵系统(1)产生的热水和燃料电池发电系统(3)产生的热水混合后供给溴化锂吸收式制冷系统(2)，溴化锂吸收式制冷系统(2)产生的热水回水送至燃料电池发电系统(3)。

2.根据权利要求1所述的一种高效灵活中低温燃料电池余热制冷系统，其特征在于：所述co2跨临界热泵系统(1)包括依次通过管路连接的压缩机(11)、气冷器(12)、回热器(13)、热泵系统节流阀(14)、热泵系统蒸发器(15)，压缩机(11)通过管路连接到回热器(13)的壳程；所述气冷器(12)的管程进口送入冷水，气冷器(12)的管程出口的热水与燃料电池发电系统(3)产生的热水混合后供给溴化锂吸收式制冷系统(2)。

3.根据权利要求2所述的一种高效灵活中低温燃料电池余热制冷系统，其特征在于：所述热泵系统蒸发器(15)的管程进口送入冷水回水，热泵系统蒸发器(15)的管程出口送出冷水上水。

4.根据权利要求1所述的一种高效灵活中低温燃料电池余热制冷系统，其特征在于：所述溴化锂吸收式制冷系统(2)包括高压级发生器(21)，高压级发生器(21)的溴化锂水溶液出口通过管路连接有低压级吸收器(22)，高压级发生器(21)的水蒸气出口连接有冷凝器(23)，冷凝器(23)通过管路连接有制冷系统蒸发器(24)，制冷系统蒸发器(24)通过管路连接有高压级吸收器(25)，高压级吸收器(25)的溴化锂水溶液出口通过管路连接有第一循环泵(26)，第一循环泵(26)的出口通过管路与低压级发生器(211)连接；

5.根据权利要求4所述的一种高效灵活中低温燃料电池余热制冷系统，其特征在于：所述冷凝器(23)、低压级吸收器(22)和高压级吸收器(25)均通入循环水。

6.根据权利要求4所述的一种高效灵活中低温燃料电池余热制冷系统，其特征在于：所述蒸发器的管程通入冷水。

7.根据权利要求4所述的一种高效灵活中低温燃料电池余热制冷系统，其特征在于：所述冷凝器(23)和蒸发器之间的管路上连接有第一节流阀(28)，高压级发生器(21)的溴化锂水溶液出口与低压级吸收器(22)之间的管路上连接有第二节流阀(29)，低压级发生器(211)的溴化锂水溶液出口与高压级吸收器(25)之间的管路上连接有第三节流阀(210)。

8.根据权利要求1所述的一种高效灵活中低温燃料电池余热制冷系统，其特征在于：所述燃料电池发电系统(3)包括燃料电池堆(31)，燃料电池堆(31)连接有氢气供应模块、空气供应模块和冷却模块，燃料电池堆(31)电连接有电能变换模块，电能变换模块电连接有蓄电池(38)，电能变换模块供给交流电。

9.根据权利要求8所述的一种高效灵活中低温燃料电池余热制冷系统，其特征在于：所述氢气供给模块包括氢气管道，氢气管道连接有氢气循环泵(32)，氢气循环泵(32)与燃料电池堆(31)通过管路连接。

10.根据权利要求1所述的一种高效灵活中低温燃料电池余热制冷系统，其特征在于：所述空气供应模块包括空气泵(33)，空气泵(33)的出口通过管路连接有加湿器(34)，加湿器(34)与燃料电池堆(31)通过管路连接。

技术总结
本发明属于氢能技术领域，特别涉及一种高效灵活中低温燃料电池余热制冷系统。其技术方案为：一种高效灵活中低温燃料电池余热制冷系统，包括CO<subgt;2</subgt;跨临界热泵系统、溴化锂吸收式制冷系统和燃料电池发电系统，CO<subgt;2</subgt;跨临界热泵系统产生的热水和燃料电池发电系统产生的热水混合后供给溴化锂吸收式制冷系统，溴化锂吸收式制冷系统产生的热水回水送至燃料电池发电系统。本发明提供了一种高效灵活中低温燃料电池余热制冷系统，充分利用燃料电池电量的同时将低品位热量进行利用，既可以大大提高燃料电池的温度区间，也提高了整体能量利用效率。

技术研发人员：曹云强,杨锦,钟勇斌,陈明,欧阳彦超,汤膑
受保护的技术使用者：东方电气集团东方锅炉股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/25