一种基于PEMFC的冷-热-电-湿联供系统及方法技术方案

本发明专利技术属于分布式能源技术领域，公开了一种基于PEMFC的冷

【技术实现步骤摘要】
一种基于PEMFC的冷
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湿联供系统及方法


[0001]本专利技术属于分布式能源
，尤其涉及一种基于PEMFC的冷
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湿联供系统及方法。

技术介绍

[0002]近20年来，我国建筑面积以每年不低于15亿平米的速度扩增。根据清华大学建筑节能中心的分析数据，2001年建筑能耗所占终端能耗27.5％，2004年建筑能耗达到全国能源消费总量的30％，到了2017年，全国建筑总能耗达到9.47亿吨标准煤，占了全国能源消费总量的21.11％，根据预测，我国最终建筑能耗将达到全国能源消费总量的35％以上。
[0003]分布式能源是一种临近用户的先进能源系统，分布式冷热电联产系统是其主要形式，也是前景最为明朗，最具实用性和发展活力的技术，具有节能、环保、经济、可靠和灵活智能等特点，是国家中长期科学和技术发展规划纲要中能源领域四项前沿技术之一。有研究显示，将燃料电池余热用于热电联产(CHP)系统可使系统效率增加到85％，高于仅利用燃料电池供电时的情况。燃料电池余热可用于驱动冷电联供系统(CCP)或冷热电三联供系统(CCHP)。结合PEMFC的冷热电联供由于可提供绿色清洁的供热制冷方式，实现能量的梯级利用而成为分布式能源系统的优选，受到各个国家和地区的广泛关注。在系统集成方面，由于PEMFC的余热温度较低，如何实现该集成系统中大规模低品位余热的高效稳定利用是PEMFC冷热电联供系统中的关键技术。
[0004]我国大部分地区属于热湿气候，空调除湿消耗的冷量占总冷量的30～50％。随着新型建筑更加注重围护结构的节能，广泛采用如遮阳棚、保温材料等措施来减少建筑漏热，室内显热负荷得到有效降低，制冷负荷的热湿比减小，增强空调的除湿能力，对空调系统的节能降耗尤为重要。传统的除湿技术是将经过新风机组预处理的新风与循环机组中的回风混合后，再通过循环机组中的水盘管将空气降温至露点温度以下，以达到除湿的目的。经过除湿的空气再经过加热器加热，达到室内设定的温度湿度，这种做法会导致冷量与热量抵消造成浪费。综合国内外新风除湿系统的研究现状，固体除湿剂除湿的方法在空气除湿过程中占有很大比例。固体除湿剂对水蒸气具有良好的吸附作用，吸湿材料在饱和后失去吸湿性，因此必须对饱和后的固体吸湿材料进行脱附再生，PEMFC在运行时将近一半的能量以低品位热能(70～100℃)形式耗散，将固体吸附剂引入到PEMFC联供系统具有较好的前景。
[0005]将PEMFC与新风调湿装置相结合能够有效实现能量的梯级利用，具有重要的现实意义。因此，亟需设计一种结合固体吸附剂新风除湿的PEMFC联供系统，使其能够满足固体吸附剂应用的需求。
[0006]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：传统的供能系统大多不能通过同一个设备实现电能和热能的供应，而常见的联供系统是利用热源驱动的制冷机组回收余热进行制冷，此类制冷机组多为吸收式制冷机组和吸附式制冷机组，存在COP低的缺点。传统的湿度控制主要针对除湿这方面，冷凝除湿一般将经过除湿的空气再经过加热器加热达到室内设定的温度湿度，这种做法会导致冷量与热量抵消造成浪费，而传统吸附除湿需要额
外的热源并对再生温度有一定的要求，同时也不能根据室内环境实现增湿的功能。
[0007]解决以上问题及缺陷的难度为：目前联供系统的热机普遍存在环境污染等问题，常见的联供系统利用吸收式制冷机组和吸附式制冷机组进行热机的余热回收，存在COP低的缺点，传统除湿技术存在能源浪费问题。
[0008]解决以上问题及缺陷的意义为：(1)此联供系统利用PEMFC产电，产电的同时产生的热量可于生活热水、采暖以及固体吸附剂再生，通过同一个设备可实现电量和热量的供应，可提高系统能源利用率，减少能源浪费，除此之外，PEMFC燃烧产物为水，无污染物排放，可实现环保的目的。(2)PEMFC余热通过转轮再生换热器后，可流入储热水箱继续供应采暖或生活热水，实现热量的梯级利用；(3)基于PEMFC的冷热电湿联供系统，一方面可同时满足夏季制冷除湿、冬季采暖调湿及过渡季调湿的要求，此外，可根据实际需求灵活调节供给方式，如产热量不够时，可选择单独供应生活热水或采暖，配合其他高性能采暖设备，满足用户侧供给。
[0009]此联供系统的新风调湿系统相比传统除湿系统能有效减少冷热量的抵消，且可根据室内需求灵活地对新风进行除湿/增湿，有效控制新风的湿度。

技术实现思路

[0010]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种基于PEMFC的冷
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湿联供系统及方法，旨在解决传统除湿技术冷量与热量抵消造成浪费的问题。
[0011]本专利技术是这样实现的，一种基于PEMFC的冷
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湿联供系统，包括PEMFC燃料电池系统、生活热水及供暖系统、新风调湿系统以及空气源热泵空调系统。
[0012]其中，所述PEMFC燃料电池系统的氢气和空气经第一热交换器预热后分别进入所述PEMFC电堆的阳极和阴极进而发生反应，反应后的气体在后燃室进行二次燃烧最终通入预热器，实现余热回收的过程；为带走所述PEMFC电堆内部反应产生的热量，所述PEMFC电堆内部冷却水流道接入所述第二热交换器；所述PEMFC的余热利用存在两种方案，方案一所述第二热交换器热水出口端接入所述第五阀门的入口端，热水在第五阀门处分为两路，第一路接入新风调湿系统，第二路接入所述储热水箱热源侧热水入口端，进入储热水箱进行换热，从所述储热水箱热源侧热水出口端流出，流经第一水泵，两条回路在第六阀门处汇合，经风冷式热交换器降温后流入第二热交换器热水入口端，方案二所述第二热交换器热水出口端接入所述新风调湿系统，所述新风调湿系统的热水出口端接入所述储热水箱热源侧热水入口端，所述储热水箱热源侧热水出口端接入第一水泵，所述第一水泵接入第七阀门，所述第七阀门接入风冷式热交换器，热水在风冷式热交换器内部进行降温后进入所述第二热交换器热水入口端，自来水由所述第八阀门流入所述生活热水及供暖系统后分为两路，第一路流入所述储热水箱冷水入口端，第二路流入所述第九阀门入口端，两条回路在所述第十阀门处汇合后接入用户端用水设备；两种方案所述储热水箱的用户侧热水出口端经第十一阀门接入所述室内末端装置，所述室内末端装置出水端接入所述第二水泵入口端，所述第二水泵出口端接入所述储热水箱的用户侧热水入口端；所述新风调湿系统的调湿机为转轮式调湿机，所述调湿机设置有圆柱箱体，箱体通过轴孔安装有轴，轴穿过绝热保温材料，一端与电机相连接；箱体由绝热保温材料分隔成上下两个部分，上下两个部分设置有翅片，翅片涂有MOFs吸附材料；上侧设置有上半部进出风口，箱体下侧设置有下半部进出风口；所
述空气源热泵的换热器出水口接入用户的末端装置。
[0013]进一步，所述PEMFC燃料电池系统，包括储氢罐、第一热交换器本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于PEMFC的冷
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湿联供系统，其特征在于，所述基于PEMFC的冷
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湿联供系统包括：PEMFC燃料电池系统、生活热水及供暖系统、新风调湿系统以及空气源热泵空调系统；所述PEMFC燃料电池系统的氢气和空气经第一热交换器预热后分别进入所述PEMFC电堆的阳极和阴极进而发生反应，反应后的气体在后燃室进行二次燃烧最终通入预热器，实现余热回收的过程；所述PEMFC电堆内部冷却水流道接入所述第二热交换器带走所述PEMFC电堆内部反应产生的热量；所述PEMFC的采用方案一与方案二进行余热利用；所述方案一包括：所述第二热交换器热水出口端接入所述第五阀门的入口端，热水在第五阀门处分为两路，第一路接入新风调湿系统，第二路接入所述储热水箱热源侧热水入口端，进入储热水箱进行换热；从所述储热水箱热源侧热水出口端流出，流经第一水泵，两条回路在第六阀门处汇合，经风冷式热交换器降温后流入第二热交换器热水入口端；所述方案二包括：所述第二热交换器热水出口端接入所述新风调湿系统，所述新风调湿系统的热水出口端接入所述储热水箱热源侧热水入口端，所述储热水箱热源侧热水出口端接入第一水泵；所述第一水泵接入第七阀门，所述第七阀门接入风冷式热交换器，热水在风冷式热交换器内部进行降温后进入所述第二热交换器热水入口端；自来水由所述第八阀门流入所述生活热水及供暖系统后分为两路，第一路流入所述储热水箱冷水入口端，第二路流入所述第九阀门入口端，两条回路在所述第十阀门处汇合后接入用户端用水设备；两种方案所述储热水箱的用户侧热水出口端经第十一阀门接入所述室内末端装置，所述室内末端装置出水端接入所述第二水泵入口端，所述第二水泵出口端接入所述储热水箱的用户侧热水入口端；所述新风调湿系统的调湿机为转轮式调湿机，所述调湿机设置有圆柱箱体；箱体通过轴孔安装有轴，轴穿过绝热保温材料，一端与电机相连接；箱体由绝热保温材料分隔成上下两个部分，上下两个部分设置有翅片，翅片涂有MOFs吸附材料；上侧设置有上半部进出风口，箱体下侧设置有下半部进出风口；所述空气源热泵的换热器出水口接入用户的末端装置。2.如权利要求1所述的基于PEMFC的冷
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湿联供系统，其特征在于，所述PEMFC燃料电池系统，包括储氢罐、第一热交换器、PEMFC电堆、功率变换器、后燃室、第一阀门、第二阀门、第三阀门和第四阀门；所述储氢罐出口端接入所述第一阀门进口端，所述第一阀门出口端接入所述第一热交换器阳极气体入口端；空气在所述第二阀门处分两路流出，第一路接入所述第一热交换器阴极气体入口端，第二路接入所述第三阀门入口端，两条回路在第四阀门入口端处汇合；所述第一热交换器的阳极和阴极气体出口端接入所述PEMFC电堆的阳极和阴极进气端，所述PEMFC电堆的阳极和阴极排气端接入所述后燃室的进气端；所述PEMFC电堆的电量输出端与功率变换器相连，进而向用户侧和电机输送交流电；所述后燃室排气端接入所述第一热交换器的进气端实现废气与未反应的气体的热交换。3.如权利要求1所述的基于PEMFC的冷
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湿联供系统，其特征在于，所述生活热水及供暖系统包括储热水箱、第二热交换器、第一水泵、第二水泵、第五阀门、第六阀门、第七阀门、第八阀门、第九阀门和第十阀门；所述储热水箱含有热源侧热水进口端、热源侧热水出口端、冷水入口端、生活热水供应
端、用户侧热水出口端和用户侧热水进口端六个接口；所述第二热交换器的冷却水进口端接入PEMFC电堆冷却水电堆冷却水出口端，所述第二热交换器冷却水出口端接入PEMFC电堆冷却水进口端相连。4.如权利要求1所述的基于PEMFC的冷
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湿联供系统，其特征在于，所述新风调湿系统包括调湿机、第三水泵和电机；所述电机与所述功率变换器交流电输出端相连接进而带动调湿机转轴转动，PEMFC余热利用方案一中所述新风调湿系统热水回路与储热水箱热源侧热水回路并联，所述第五阀门出口端的一侧接入所述第三水泵的入口端；所述第三水泵的出口端接入所述调湿机热水入口端，完成新风调湿机的固体吸附剂加热再生过程，PEMFC余热利用方案二中所述新风调湿系统热水回路与储热水箱热源侧热水回路串联，所述第二热交换器热水出口端先接入所述新风调湿系统，所述新风调湿系统的热水出口端接入所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡姗姗，邹雨琦，涂正凯，李松，罗小兵，叶稷恩，聂晗文，游静溦，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：