CN101517795A - 操作与吸收式冷凝器结合的燃料电池的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种移除了热交换器(29)的标准的磷酸型燃料电池发电站(11)，如此使较高温度的冷却剂流能够由系统引导至吸收式冷凝器(34)的发生器(37)。在一个实施例中，较高温度的冷却剂直接从燃料电池堆(14)流向发生器，通过发生器后回流到高温冷却回路(27)。在另一个实施例中，较高温度的冷却剂被迫将其一部分热传给较低温度的冷却剂，随后较低温度的冷却剂被迫直接流向发生器并返回到较低温度的冷却回路(22)。在第一个实施例中，既可以是使用双重效应吸收式冷凝器也还可以使用单一效应吸收式冷凝器，而在第二个实施例中使用的是单一效应吸收式冷凝器。

Description

操作与吸收式冷凝器结合的燃料电池的方法和装置

【技术领域】

本发明涉及燃料电池发电站，尤其涉及一种与吸收式冷凝器相结合的燃料电池的操作方法和装置。

【背景技术】

燃料电池是一种电化学电池，其通过持续消耗燃料和氧化剂以产生电能。其中燃料消耗于阳极，而氧化剂则消耗于阴极。阳极和阴极设置为经由电解质达成电化学连接。典型的燃料电池采用磷酸电解质。磷酸型燃料电池使用空气提供的氧作为氧化剂供给阴极，以及使用富氢流提供的氢作为燃料供给阳极。在通过电池之后，用过的空气和燃料流被连续排出系统。

一个典型的燃料电池发电站包括有一个或多个燃料电池堆，每一电池堆中的电池均为串联以增加电池堆的电压。一个电池堆可以与其他电池堆并联以增加发电站产生的电流。基于发电站的大小，一个燃料电池堆可能包括半打电池或更少，或者多达数百个电池。空气和燃料通过一个或多个歧管输送至每个电池堆的电池中。

每个燃料电池中，在燃料转化为富氢流的水蒸气重整过程，电化学反应以及电池组件内伴随电流输送的发热都会产生副产物废热。因此，必须提供冷却系统来消除燃料电池堆中的废热以使得电池的温度维持在一致的水平，此水平与电池所用材料的性能和电池的使用性能一致。这通常由循环冷却剂来完成，例如水，流过燃料电池堆来冷却电池达到要求的温度水平，从燃料堆流出的水的温度相对较高(即超过300华氏度)。温度300-350华氏度对于工业或大型校园客户是可以接受的，可这部分的客户数量是相对很少的，这样的温度对于大多数主流的商业客户而言仍然太高。因此，低等级和高等级的客户热交换器被采用以确保与大多数商业客户的传热设备整合的简易。就是说，这些热交换器和冷却系统被采用以降低温度至一个有用的水平(即约150华氏度)以实现普通沸腾用途，如锅炉给水，空气处理系统线圈的加热，辐射采暖，液压暖气，洗衣房和家庭使用。这些交换器也用以防止电池堆在客户方的循环受到可能的污染。这样的设计已经在业界成为标准，所有和相关热交换器一起出售的燃料电池发电站被安装成标准设备。

近来开始使用的一个应用程序是，应用可用的热水作为低等级热进而作为热源以驱动吸收式冷凝器，从而产生冷却空间的冷却水。尽管这利用了燃料电池发电站的废热，但已经发现其中吸收式冷凝器的应用效率较低。换句话说，使用客户热交换器即添加另一传热回路的主要缺点是引起热损失和动力损失，因为这些外部回路必须在较低的温度下运作。

【发明内容】

简单来说，依照本发明的一个方面，把热交换器从燃料电池发电站提供的标准设备中移除，从而使其中传出的废热从比较低的温度提高到中间温度，当应用于吸收式冷凝器时，该温度在冷却水方面更有效率。

依照本发明的另一个方面，不是通过热交换过程来降低堆冷却剂的温度以达到比较低的或中间的温度，而是采用温度高的冷却剂，其直接流向吸收式冷凝器的发生器，以便在冷凝器的运作中提供更高的效率。

依照本发明的又一个方面，双重效应吸收式冷凝器取代单一效应吸收式冷凝器，而且高温堆冷却剂直接流向冷凝器发生器，由此产生更加高的效率。

在下列图式中，描述的是优选的实施例和改良的实施例；然而，其它没有离开本发明真正精神和范围的各种改进和替代的结构是本发明能够实现的，包含在本发明之中。

【附图说明】

图1是现有技术的燃料电池发电站与单一效应吸附式冷凝器组合应用的示意图。

图2是现有技术的作为与单一效应吸收式冷凝器组合应用的燃料电池发电站的示意图。

图3是本发明的一个实施例的示意图，表示燃料电池发电站与双重效应吸收式冷凝器组合应用。

图4是本发明的另一实施例的示意图，表示作为与双重效应吸收式冷凝器组合应用的燃料电池发电站。

图5是本发明的又一实施例的示意图，表示作为与单一效应吸收式冷凝器组合应用的燃料电池发电站。

【具体实施方式】

请参阅图1，发电站设备11显示在虚线内，其包括发电部分12和冷却部分13。发电部分12包括燃料电池堆14和燃料处理系统16，此两者都会产生废热，废热分别通过排气管17和18到发电站的排气塔19，进而被排放到大气中。在排气塔19的内部是热交换器21，部分热量从排气管17和18中传至所述热交换器21内。这样的热量被认为是低等级的热量，此热量传递给作为系统中冷却部分13的一部分的低等级热循环回路22。通过热交换器21的循环液的温度大约为160华氏度。

为降低燃料电池堆14内的高温，一种液体，例如水，流经输入管23进入并通过燃料电池堆14再流出输出管24，泵26保持该液体通过闭合回路27。在此回路中的液体冷却剂处于相对较高的温度(即在范围310-335华氏度)，且被认为是高等级的热量。闭合回路27因此被认为是高等级的热回路。

为方便说明，在此高等级的热量定义为从燃料电池发电站传递到冷却回路的废热，其中冷却回路中的冷却剂被加热到大约或超过250华氏度的温度水平，而低等级的热量定义为从燃料电池发电站是传递到冷却回路的废热，其中冷却回路中的冷却剂被加热到大约140华氏度的温度水平。

系统的冷却部分13设有三个热交换器28、29、31，该热交换器28、29、31位于循环回路22内，还设有泵32，以保持回路22内的循环。主热交换器28是逆流式液液热交换器，如同心管热交换器，其作用是从燃料电池堆冷却剂中转移部分的热量，以便从相对较高的温度(即310-335华氏度)冷却至约250华氏度，然后冷却剂循环回流到燃料电池堆14。

在循环回路22中，流经主热交换器28的液体冷却剂吸收热量且被加热到约160华氏度至约190华氏度范围的温度。第二热交换器29，其通过与下面将要加以说明的辅助设备30的热交换关系来降低其温度。

由于在循环回路22中的液体冷却剂通过第二换热器29，其温度从约190华氏度降至约150华氏度，之后其通过热交换器31，这是一种液气热交换器形式的常温热量排斥反应装置。当冷却剂通过热交换器31，其温度从约180华氏度降至约100华氏度，同时废热传递到大气中。

如果辅助设备30不起作用，那么就有必要尽可能地排出大部分经由热交换器31的热量。因此，旁路管道33供冷却剂直接从泵32流到常温热量排斥反应装置31。

现在就辅助设备30而言，从第二热交换器29已取得的热量的用途之一是驱动如图1所示的吸附式冷凝器34或如图2所示的类似的单一效应吸收式冷凝器36。就吸附式冷凝器34来说，锅炉或发生器37被第二热交换器29的第二回路38中的液体加热，同时约150华氏度的输入流从发生器37的输出口输出时温度降至约140华氏度。被冷却的水经由管道39进入吸附式冷凝器34，并经由管道41离开吸附式冷凝器34。对于冷凝器34的冷凝器方面，冷却塔42用以冷却流入输入管43的约90华氏度的液体，当其流入输出管44时温度降至约85华氏度。

至于显示在图2中的单一效应吸收式冷凝器的锅炉或发生器46，流入和流出冷凝器46的各种液体的温度与显示在图1中的吸附式冷凝器的基本相同。

已被申请人确认的是，无论是图1中的吸附式冷凝器还是图2中的单一效应吸收式冷凝器36，其运作都不是非常有效率。已经发现在每种情况下，单一制冷设备将提供约20制冷吨的冷却能力，其COP(Coefficient ofPerformance，性能系数)约为0.6，其中COP是由冷凝器传递冷藏给输入冷凝器的热量的比例，所有都用共同热量单位。

现在请参阅图3，将看到发电站设备已得到改进，从原来的标准配置中移除了第二热交换器29。进一步地，不是燃料电池堆14的冷却剂先经由主热交换器28传递热量给循环回路22中的冷却剂，然后循环回路22中的冷却剂经由第二热交换器29被间接适用于辅助设备30，而是燃料电池堆的高温(即310华氏度-335华氏度)冷却剂经由图3所示的管道46被直接适用于辅助设备45。接着，高温液体有可能使用不同类型的辅助设备45且其中任一都比图1和图2中所示现有的辅助设备30的效率更高。在此，安装具有高阶发生器48的双重效应吸收式冷凝器47，在管道46中的高温液体提供热量给高阶发生器48。对于这样的设计，申请人已发现冷却能力能够得到很大的改进。举例来说，与现有系统的20制冷吨相比，已发现单一系统可提供27-38制冷吨。此外，相比于现有系统的0.6的COP，在这样的系统中已经获得大于1.0的COP。

在高温流体已通过高阶发生器48且其温度已降至约250华氏度之后，不是像现有技术中那样返回到循环回路22，而是经由管道49直接流向位于主热交换器28下游的封闭回路27，如图3所示。此流体与其它流体在封闭回路27相结合，约2500华氏度，并返回到燃料电池堆14以冷却该电池堆。

热交换器29的移除，导致从热交换器28流出的冷却剂液体现直接流向热交换器31，然后沿管道35流向所示的发电站排气塔19。

图4所示实施例与图3所示基本相同，除了双重效应吸收式冷凝器47被具有发生器37的单一效应吸收式冷凝器34取代。尽管这是与图1实施例所使用的吸收式冷凝器相同的吸收式冷凝器，应该承认的是，由于热交换器29的移除和高等级热的液体直接流向发生器37的应用，更高的效率成为现实，冷却能力提高到25制冷吨，COP超过0.7。此外，图4实施例中的冷凝器可以比图2实施例中的冷凝器更便宜，因为发生器37的热交换器的费用较低，由于它使用较高温度运行，因此不是必须像图2实施例中发生器的热交换器那样有效率地运行。

由上述可见，虽然在使用了双重效应吸收式冷凝器后可以获得最大效率，如图3所示，但使用单一效应吸收式冷凝器与较高温度的冷却剂还是可行的，如图4所示。然而，也有一些单一效应吸收式冷凝器，将不可能充分强劲地使高温冷却剂直接流向发生器。在这些情况下，可能有必要适用如图5所示的设备。

在图5实施例中，在循环回路22内的低等级热冷却剂，从高等级的热回路27吸收热量之后，被迫直接经由管道51从热交换器28流入发生器37。冷却剂的温度在190华氏度-240华氏度的范围内。通过发生器37后，冷却剂经由管道52通过热交换器31，然后沿管道35所示流至热交换器21。再者，其效率获得提高并超过图1实施例，且基本等于图4实施例。也就是说，它将提供约25制冷吨的冷却能力，COP超过0.7。

虽然本发明对有关在图示中阐明的优选和改良的实施例已经作出特别说明和描述，但各种细节上的改进将能够被本领域的技术人员获悉，因而没有离开本发明权利要求的范围。举例来说，尽管优选实施例就使用方面而言描述的是磷酸型燃料电池，但其它类型的燃料电池，如固体氧化物燃料电池，也可以使用。再者，本发明同样适用于热电激活技术以将热能转化为电能。同样，即使描述的是单一效应和双重效应吸收式冷凝器，本发明同样适用于三效吸收式冷凝器。

Claims (17)

1、一种吸收式冷凝器与燃料电池发电站的组合系统，该燃料电池发电站具有燃料电池堆和相关的堆冷却回路，在所述冷却回路中冷却剂被加热到高等级热量的水平，该组合系统包括：

具有发生器的吸收式冷凝器，用以加热吸收的液体；

第一管道，其引导加热后的冷却剂直接从燃料电池堆流向发生器以提供热量，在此过程中冷却剂被冷却；

第二管道，其引导冷却后的冷却剂流回堆冷却回路。

2、如权利要求1所述的组合系统，其中所述高等级热量的温度水平在310-335华氏度范围内。

3、如权利要求1所述的组合系统，其中所述吸收式冷凝器是双重效应冷凝器，且加热后的冷却剂被引导流入高阶发生器。

4、如权利要求1所述的组合系统，其中所述吸收式冷凝器是单一效应吸收式冷凝器。

5、如权利要求1所述的组合系统，其中所述燃料电池发电站包括另一冷却回路，所述另一冷却回路中的冷却剂被加热到低等级热量的温度水平，且热量从所述堆冷却回路传至所述另一冷却回路。

6、如权利要求5所述的组合系统，其中所述燃料电池发电站包括燃料处理系统，所述燃料处理系统产生的热量被传到所述另一冷却回路。

7、如权利要求6所述的组合系统，其中所述燃料电池发电站包括另一热源，其传递热量至所述另一冷却回路，所述另一热源产生于所述燃料电池堆。

8、如权利要求5所述的组合系统，其中所述第二管道与所述堆冷却回路连接于一点的下游，在该点所述热量从所述堆冷却回路传至所述另一冷却回路。

9、如权利要求1所述的组合系统，其中所述燃料电池发电站包括磷酸型燃料电池。

10、一种改进燃料电池发电站以使之与吸收式冷凝器一起使用的方法，该燃料电池发电站具有燃料电池堆，第一冷却剂从该燃料电池堆流过进入高等级热量回路中，该高等级热回路通过第一热交换器以传热至在低等级热量回路中的第二冷却剂，该低等级热量回路通过第二热交换器而传热至所述第二热交换器，该方法包括下列步骤：

移除所述第二热交换器；

提供具有发生器的吸收式冷凝器；

直接将所述高等级热量回路连接于所述发生器，以便第一冷却剂从所述高等级热量回路流出，通过所述发生器并回流至所述高等级热量回路。

11、如权利要求10所述的方法，其中所述吸收式冷凝器是双重效应吸收式冷凝器，所述发生器是高阶发生器。

12、如权利要求10所述的方法，其中所述吸收式冷凝器是单一效应吸收式冷凝器。

13、如权利要求10所述的方法，其中所述第一冷却剂回流至所述高等级热量回路发生在第一热交换器的下游。

14、一种改进燃料电池发电站以使之与吸收式冷凝器一起使用的方法，燃料电池发电站具有燃料电池堆，第一冷却剂从燃料电池堆流过进入高等级热量回路中，高等级热量回路通过第一热交换器以传热至在低等级热量回路中的第二冷却剂，低等级热量回路通过第二热交换器以传热至所述第二热交换器，其包括下列步骤：

移除所述第二热交换器；

提供具有发生器的吸收式冷凝器；

将所述低等级热量回路连接于所述发生器，以便第二冷却剂从所述低等级热量回路流出，通过所述发生器并回流至所述低等级热量回路。

15、如权利要求14所述的方法，其中所述吸收式冷凝器是双重效应吸收式冷凝器，所述发生器是高阶发生器。

16、如权利要求14所述的方法，其中所述吸收式冷凝器是单一效应吸收式冷凝器。

17、如权利要求14所述的方法，其中所述燃料电池堆包括磷酸型燃料电池。

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