CN101418997A

CN101418997A - 一种利用燃料电池堆反应热的喷射式制冷装置

Info

Publication number: CN101418997A
Application number: CNA2008102324419A
Authority: CN
Inventors: 厉彦忠; 祝银海
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2008-11-27
Filing date: 2008-11-27
Publication date: 2009-04-29

Abstract

本发明公开了一种利用燃料电池堆反应热的喷射式制冷装置，其特征在于，包括一个喷射器，该喷射器出口连接一个冷凝器，冷凝器的出口与循环泵相连，循环泵的出口分两路，一路与回热器相连，另一路与热回收装置的第一入口相连；回热器出口通过一个节流阀与蒸发器相连，蒸发器的出口通过回热器复温管道连接喷射器抽吸口；热回收装置的第一出口与喷射器相连；所述热回收装置还通过第二入口、第二出口分别连接燃料电池堆的冷却剂出口、冷却剂入口。本发明通过一个热回收装置来回收燃料电池反应热，作为驱动喷射器工作的热源，在产生电能的同时，利用废热获得了冷量。

Description

一种利用燃料电池堆反应热的喷射式制冷装置

技术领域

本发明属于制冷与低温技术领域，涉及一种制冷循环系统，特别涉及一种利用燃料电池的反应热来驱动喷射器工作的喷射式制冷装置。

背景技术

如本领域已知的那样，喷射器是一种动力能量传递泵，它利用高压流体流经喷射器内喷嘴后排出的强劲流体的夹带作用来抽取于循环低压流体。驱动喷射器工作的高压流体，可以通过制冷剂从热源吸收热量获得。常用的热源有太阳能、地热、工业过程废热、化学反应热等。

采用喷射器作压缩、增压部件的喷射式制冷系统，具有结构简单、不消耗高品位电能的优点，同时喷射式制冷系统可以用水作制冷工质，因此完全没有温室效应和破坏臭氧的缺点，比传统的压缩式制冷循环在环保、节能方面具有明显的优势。

燃料电池是一个将化石燃料中的化学能转换为电能的发电装置。化石燃料可以是氢气、天然气、煤气、汽油或柴油以及其它碳氢化合物。能量转换是通过电极上的电化学反应来进行的，由于不受卡诺循环的限制，燃料电池的发电效率非常高。以固体氧化物燃料电池为例，其发电效率一般为40~60％，其余的能量都转化为热量，考虑到固体氧化物燃料电池的工作温度通常在600℃至1000℃的范围内，因此，在提供电力的同时，固体氧化物燃料电池还可以提供大量的高质量的热。但大多数情况下，这种燃料电池堆所排出废热并未被很好的利用。

发明内容

喷射器作为一种增压设备，其机构简单、无运动部件且成本低，在制冷领域有着大量的应用。燃料电池是一种清洁、高效的发电方式，是一种理想的未来发电方式，因此近些年来被全世界广泛研究。

针对燃料电池在工作过程中放出的大量高质量的热，本发明的目的在于提出了一种新的利用该热量的装置来高效回收燃料电池所排出的热量，即将燃料电池与喷射式制冷系统相结合，用燃料电池产生的废热来驱动喷射系统制冷，在获得电力的同时，得到了冷量。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种利用燃料电池堆反应热的喷射式制冷装置，其特征在于，包括一个喷射器，该喷射器出口连接一个冷凝器，冷凝器的出口与循环泵相连，循环泵的出口分两路，一路与回热器相连，另一路与热回收装置的第一入口相连；回热器出口通过一个节流阀与蒸发器相连，蒸发器的出口通过回热器复温管道连接喷射器抽吸口；热回收装置的第一出口与喷射器相连；所述热回收装置还通过第二入口、第二出口分别连接燃料电池堆的冷却剂出口、冷却剂入口。

另一种利用燃料电池堆反应热的喷射式制冷装置，其特征在于，包括两个喷射器，其第一喷射器出口连接第二喷射器，该第二喷射器出口连接一个冷凝器，冷凝器的出口与循环泵相连，循环泵的出口分两路，一路与回热器相连，另一路与热回收装置的第一入口相连；回热器出口通过一个节流阀与蒸发器相连，蒸发器的出口通过回热器复温管道连接第一喷射器的抽吸口；热回收装置的第一出口与第一、第二喷射器相连；所述热回收装置还通过第二入口、第二出口分别连接燃料电池堆的冷却剂出口、冷却剂入口。

上述方案中，所述热回收装置包括一个开有第一出入口、第二出入口的密闭容器，该密闭容器中设置一个用于冷凝的螺旋管，螺旋管上端连接第二入口，下端连接第二出口；来自循环泵出口的制冷剂从第一入口进入密闭容器经螺旋管后吸热汽化，从第一出口到喷射器。所述密闭容器上部设有二至四层隔板，隔板之间形成迂回通道。

如本领域已知的那样，喷射式制冷系统的运行稳定性和效率都受到冷凝器压力与蒸发器压力的比值的影响，降低该比值能提高喷射式制冷系统的效率。为了降低该比值，本发明进一步的改进是在喷射器与冷凝器之间，再添加一个喷射器，构成一个双级喷射式制冷系统。对于每一个喷射器来说，其冷凝压力与蒸发压力的比值都获得了提升。因此，可以改善系统运行和提高系统效率。

本发明利用一个热回收装置取代了常规燃料电池系统中的冷凝器，同时取代了常规喷射式制冷系统中的气体发生器，将燃料电池堆和喷射式制冷循环系统很好地结合在一起，用来回收燃料电池冷却剂的热量，这部分热量被制冷循环中的制冷剂吸收，制冷剂在热回收装置出口处变成高温高压流体，驱动喷射器抽取蒸发器出口的气体，来实现制冷循环。因此，本发明提出的这种电和冷联产的方法，具有系统紧凑、高效节能的优势。

相比于常规的燃料电池系统，在同样的循环条件下，本发明不但可以获得电能，同时利用废热生产出了有用的冷量。以固体氧化物燃料电池为例，其发电效率为40~60％，其余60~40％的能量都转化为了热量，喷射式制冷系统的效率(COP)约为0.4，因此通过本发明的装置，可以将固体氧化物燃料电池的总效率提升至64~76％。所以，利用固体氧化物燃料电池的反应热，用喷射式制冷系统来实现电冷联产，对于提高固体氧化物燃料电池的总效率方面具有明显的优势。

附图说明

图1是本发明利用固体氧化物燃料电池堆产生的反应热来驱动的单级喷射式制冷装置的示意图。

图2是本发明利用固体氧化物燃料电池堆产生的反应热来驱动的双级喷射式制冷装置的示意图。

图3是图1图2中热回收装置的一个具体结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

如图1所示，本发明的利用固体氧化物燃料电池堆产生的反应热来驱动的单级喷射式制冷装置，包括管路上连接的固体氧化物燃料电池堆、热回收装置、喷射器、冷凝器、循环泵、回热器、节流阀和蒸发器。热回收装置起到连接燃料电池和制冷系统这两个循环的作用。喷射器I的出口3与冷凝器的入口相连，冷凝器的出口4与循环泵的入口相连，循环泵的出口5分两路，一路进入回热器入口6，回热器出口7与节流阀的入口相连，节流阀的出口8与蒸发器的入口相连，蒸发器的出口9进入回热器复温后进入喷射器I抽吸口2。另一路与热回收装置入口10相连，热回收装置出口1与喷射器I相连。

其工作过程是：燃料(如氢气、天然气、煤气、汽油或柴油以及其它碳氢化合物)从阳极进口15进入固体氧化物燃料电池堆的阳极，同时氧气或者空气从阴极进口13进入固体氧化物燃料电池堆的阴极，进行如下的电化学反应：

阳极：H₂+O^2-——>H₂O+2e

阴极：O₂+4e——>2O^2-

总反应：H₂+1/2 O₂——>H₂O+热量

阴、阳极废气从分别从出口14、16排出。反应产生电能的同时，放出大量的热量。冷却剂(例如水)从冷却剂入口12进入燃料电池堆，吸收反应热后从冷却剂出口11流出，进入热回收装置，在热回收装置内与从入口10来的制冷剂进行热交换，将热量传给制冷剂。制冷剂吸热汽化，压力和温度升高。此高温高压的制冷剂流体从热回收装置出口1进入喷射器I，在喷射器内部变为高速流体，该高速流体可以通过喷射器I抽吸口2抽吸回热器的制冷剂。被抽吸进来的制冷剂与高温高压的制冷剂在喷射器I内部混合，混合后经喷射器出口3流入冷凝器。制冷剂在冷凝器内放热冷凝，冷凝后的液态制冷剂通过冷凝器出口4，进入循环泵。循环泵起到提升制冷剂压力和循环制冷剂的作用。循环泵的出口5一路进入热回收装置入口10，另一路进入回热器，经回热器出口7进入节流阀，通过节流阀出口8进入蒸发器，制冷剂在蒸发器内吸热汽化后，从蒸发器出口9进入回热器复温后经喷射器抽吸口2被抽吸进入喷射器I，实现整个循环工作过程。

实施例2

参考图2，本发明的另一个实施例为利用固体氧化物燃料电池堆产生的反应热来驱动的双级喷射式制冷装置，其结构几乎与实施例1相同。不同点在于，制冷系统含有两个喷射器，喷射器I和喷射器Π。喷射器I的出口3与喷射器Π的一个入口相连，热回收装置出口1分两路，分别与喷射器I和喷射器Π相连。

其工作过程与图1的实施例1相同。区别在于，高温高压的制冷剂流体从热回收装置出口1同时进入喷射器I和喷射器Π，喷射器I先通过抽吸口2抽吸回热器来的制冷剂。被抽吸进来的制冷剂与高温高压的制冷剂在喷射器I内混合，混合后的流体经出口3被喷射器Π吸入，被吸进来的制冷剂与高温高压的制冷剂在喷射器Π中经二次混合，经喷射器出口3’流入冷凝器。

参考图3，热回收装置包括一个开有出入口1、10，出入口22、19的密闭容器17，该密闭容器中设置一个用于冷凝的螺旋管18，螺旋管上端连接入口19，下端连接出口22；来自循环泵出口5的制冷剂从入口10进入密闭容器经螺旋管后吸热汽化，从出口1到喷射器I或喷射器I和II。密闭容器17上部设有三层隔板20，隔板之间形成迂回通道23。来自燃料电池堆的冷却剂从燃料电池堆吸热汽化后，温度升高，此高温气体流体从热回收装置顶部的入口19进入，沿螺旋管18向下流动，与管外侧的制冷剂21进行热交换后流出出口22，制冷剂吸热后汽化，汽态制冷剂绕过三个隔板20的迂回通道23从热回收装置顶部的出口1流出。隔板20的作用是防止流出的气态制冷剂中夹杂有小液滴。

例如发电部分为一个6kW的小型固体氧化物燃料电池堆，在其工作的时候，大约有4~9kW的热量产生，单级喷射式制冷部分的效率(COP)约为0.4，那么，利用本发明实施例1的循环系统将会同时得到1.6~3.6kW的制冷量。

如果发电部分还是为一个6kW的小型固体氧化物燃料电池堆，双级喷射式制冷部分的效率(COP)可提高为0.5，那么，利用本发明实施例2的循环系统将会同时得到2.0~4.5kW的制冷量。所以，利用固体氧化物燃料电池的反应热来驱动喷射器工作的制冷系统，既有效的提高了燃料电池的综合能量利用率，又在输出电力的同时制得冷量。

Claims

1、一种利用燃料电池堆反应热的喷射式制冷装置，其特征在于，包括一个喷射器，该喷射器出口连接一个冷凝器，冷凝器的出口与循环泵相连，循环泵的出口分两路，一路与回热器相连，另一路与热回收装置的第一入口相连；回热器出口通过一个节流阀与蒸发器相连，蒸发器的出口通过回热器复温管道连接喷射器抽吸口；热回收装置的第一出口与喷射器相连；所述热回收装置还通过第二入口、第二出口分别连接燃料电池堆的冷却剂出口、冷却剂入口。

2、一种利用燃料电池堆反应热的喷射式制冷装置，其特征在于，包括两个喷射器，其第一喷射器出口连接第二喷射器，该第二喷射器出口连接一个冷凝器，冷凝器的出口与循环泵相连，循环泵的出口分两路，一路与回热器相连，另一路与热回收装置的第一入口相连；回热器出口通过一个节流阀与蒸发器相连，蒸发器的出口通过回热器复温管道连接第一喷射器的抽吸口；热回收装置的第一出口与第一、第二喷射器相连；所述热回收装置还通过第二入口、第二出口分别连接燃料电池堆的冷却剂出口、冷却剂入口。

3、如权利要求1或2所述的利用燃料电池堆反应热的喷射式制冷装置，其特征在于，所述热回收装置包括一个开有第一出入口、第二出入口的密闭容器，该密闭容器中设置一个用于冷凝的螺旋管，螺旋管上端连接第二入口，下端连接第二出口；来自循环泵出口的制冷剂从第一入口进入密闭容器后吸热汽化，从第一出口输出。

4、如权利要求3所述的利用燃料电池堆反应热的喷射式制冷装置，其特征在于，所述密闭容器上部设有二至四层隔板，隔板之间形成迂回通道。