CN101621127A - 燃料电池热回收系统 - Google Patents

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CN101621127A CN200910005279A CN200910005279A CN101621127A CN 101621127 A CN101621127 A CN 101621127A CN 200910005279 A CN200910005279 A CN 200910005279A CN 200910005279 A CN200910005279 A CN 200910005279A CN 101621127 A CN101621127 A CN 101621127A
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陈丰璋
孙禹铭
林绅运
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

本发明是有关于一种燃料电池热回收系统，其包括：一燃料电池装置；一冷却槽；一吸附式制冷装置，其具有一第一腔室及一第二腔室，该第一腔室中设置有至少一第一吸附床及一第一蒸发/冷凝器，而该第二腔室中则设置有至少一第二吸附床及一第二蒸发/冷凝器；一第一阀组件，其是连接该燃料电池装置、该冷却槽、该第一吸附床及该第二吸附床；以及一第二阀组件，其是连接该冷却槽及该第一蒸发/冷凝器及该第二蒸发/冷凝器。本发明可以藉由自动控制系统控制第一、第二阀组件中切换阀的状态，进而让燃料电池装置所产生的废热可以藉由冷却液适时地带离燃料电池装置，并利用吸附式制冷装置回收废热以再次使用。

Description

燃料电池热回收系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池热回收系统，特别是涉及一种应用于燃料电池的燃料电池热回收系统。
背景技术
燃料电池装置是一种将燃料(例如氢气、甲醇、一氧化碳、或碳氢化合物等)及氧化剂(例如氧气)结合，并经由电化学反应后而产生电能的发电装置。
燃料电池装置所需的氧气及氢气分别可由一阴极气体供应源及一阳极气体供应源所提供，并且氧气及氢气是在燃料电池装置中进行电化学反应以产生电能。然而，燃料电池装置在进行电化学反应时，除了可产生电能外，亦会产生大量的废热，因此需要将燃料电池装置所产生的废热带离燃料电池装置，以使得燃料电池装置可维持在适当的工作温度，否则将会影响燃料电池装置的工作效率。
一般来说，可藉由将冷却液输入至燃料电池装置中，以使得温度较低的冷却液可吸收燃料电池装置产生的废热，并将已吸收废热的冷却液排出燃料电池装置外，进而将废热适时地带离燃料电池装置。然而，由于需要不断地将冷却液输入至燃料电池装置中，因此如何设计一个完整的燃料电池系统，并可适时地将燃料电池装置的废热排除是目前各界努力的目标。
由此可见，上述现有的燃料电池装置在废热排除上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决上述存在的问题，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，而一般产品又没有适切结构能够解决上述问题，此显然是相关业者急欲解决的问题。因此如何能创设一种新型结构的燃料电池热回收系统，实属当前重要研发课题之一，亦成为当前业界极需改进的目标。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有的燃料电池装置在废热排除上存在的缺陷，而提供一种新型结构的燃料电池热回收系统，所要解决的技术问题是使其藉由吸附式制冷装置使燃料电池装置与冷却槽结合为一循环回收系统，以使得燃料电池装置所产生的废热可被适时排除，并可以将废热回收作为吸附式制冷装置的热源，非常适于实用。
本发明的目的在于，克服现有的燃料电池装置在废热排除上存在的缺陷，而提供一种新型结构的燃料电池热回收系统，所要解决的技术问题是使其可以使得燃料电池装置维持在适当的工作温度，以利于电化学反应的进行，从而更加适于实用。
本发明的目的在于，克服现有的燃料电池装置在废热排除上存在的缺陷，而提供一种新型结构的燃料电池热回收系统，所要解决的技术问题是使其藉由吸附式制冷装置与空调装置相互结合，以达到可以利用燃料电池装置发电，并同时制冷产生冷气的功效，从而更加适于实用。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种燃料电池热回收系统，其包括：一燃料电池装置；一冷却槽；一吸附式制冷装置，其具有一第一腔室及一第二腔室，该第一腔室中设置有至少一第一吸附床及一第一蒸发/冷凝器，而该第二腔室中则设置有至少一第二吸附床及一第二蒸发/冷凝器；一第一阀组件，其是连接该燃料电池装置、该冷却槽、该第一吸附床及该第二吸附床；以及一第二阀组件，其是连接该冷却槽及该第一蒸发/冷凝器及该第二蒸发/冷凝器。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的燃料电池热回收系统，其中所述的燃料电池装置为一水冷式燃料电池装置或一油冷式燃料电池装置。
前述的燃料电池热回收系统，其中所述的第一腔室及该第二腔室为一真空腔室。
前述的燃料电池热回收系统，其中所述的第一吸附床及该第二吸附床具有一吸附剂及一冷媒。
前述的燃料电池热回收系统，其中所述的吸附剂为硅胶、分子筛、活性碳、沸石、发泡金属或活性氧化铝。
前述的燃料电池热回收系统，其中所述的冷媒为水、甲醇或氨气。
前述的燃料电池热回收系统，其中所述的吸附式制冷装置具有至少二个该第一吸附床，且该些第一吸附床是彼此并联设置。
前述的燃料电池热回收系统，其中所述的吸附式制冷装置具有至少二个该第二吸附床，且该些第二吸附床是彼此并联设置。
前述的燃料电池热回收系统，其中所述的第一阀组件包括至少一切换阀及多数个管路。
前述的燃料电池热回收系统，其中所述的切换阀为一二通阀、一三通阀、一四通阀或其组合
前述的燃料电池热回收系统，其中所述的第二阀组件包括至少一切换阀及多数个管路。
前述的燃料电池热回收系统，其中所述的切换阀为一二通阀、一三通阀、一四通阀或其组合。
前述的燃料电池热回收系统，其进一步具有一空调装置，其是藉由该第二阀组件与该冷却槽、该第一蒸发/冷凝器及该第二蒸发/冷凝器相互连接。
前述的燃料电池热回收系统，其进一步具有一自动控制系统，其是连接于该燃料电池装置、该冷却槽及该吸附式制冷装置之间，以控制该第一阀组件及该第二阀组件的开关。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。由以上可知，为达到上述目的，本发明提供了一种燃料电池热回收系统，其包括：一燃料电池装置；一冷却槽；一吸附式制冷装置，其具有一第一腔室及一第二腔室，第一腔室中设置有至少一第一吸附床及一第一蒸发/冷凝器，而第二腔室中则设置有至少一第二吸附床及一第二蒸发/冷凝器；一第一阀组件，其是连接燃料电池装置、冷却槽、第一吸附床及第二吸附床；以及一第二阀组件，其是连接冷却槽及第一蒸发/冷凝器及第二蒸发/冷凝器。
借由上述技术方案，本发明燃料电池热回收系统至少具有下列优点及有益效果：
1、本发明利用吸附式制冷装置与燃料电池装置及冷却槽结合为一循环回收系统，以回收再利用燃料电池装置所产生的废热。
2、本发明藉由吸附式制冷装置结合空调装置，以达到利用燃料电池装置发电，并同时产生冷气的功效。
综上所述，本发明是有关于一种燃料电池热回收系统，其包括：燃料电池装置；冷却槽；吸附式制冷装置；第一阀组件；以及第二阀组件，吸附式制冷装置中设置有第一吸附床、第二吸附床、第一蒸发/冷凝器及第二蒸发/冷凝器。藉由第一阀组件使燃料电池装置及冷却槽与第一、第二吸附床相互连接，并利用第二阀组件使第一、第二蒸发/冷凝器与冷却槽相互连接，以使得可藉由自动控制系统控制第一、第二阀组件中切换阀的状态，进而让燃料电池装置所产生的废热可以藉由冷却液适时地带离燃料电池装置，并利用吸附式制冷装置回收废热以再次使用。本发明在技术上有显著的进步，并具有明显的积极效果，诚为一新颖、进步、实用的新设计。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是本发明的一种燃料电池热回收系统的第一较佳实施例的第一状态图。
图2是本发明的一种燃料电池热回收系统的第一较佳实施例的第二状态图。
图3是本发明的一种燃料电池热回收系统的第二较佳实施例的第一状态图。
图4是本发明的一种燃料电池热回收系统的第二较佳实施例的第二状态图。
100、100’：燃料电池热回收系统      10：燃料电池装置
20：冷却槽                          30：吸附式制冷装置
31：第一腔室                        311：第一吸附床
312：第一蒸发/冷凝器                32：第二腔室
321：第二吸附床                     322：第二蒸发/冷凝器
40：第一阀组件                      41：切换阀
42：管路                            50：第二阀组件
51：切换阀                          52：管路
60：空调装置                        70：自动控制系统
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的燃料电池热回收系统其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合参阅图式的较佳实施例的详细说明中将可清楚呈现。通过具体实施方式的说明，当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效获得一更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。
图1是本发明的一种燃料电池热回收系统的第一较佳实施例的第一状态图。图2是本发明的一种燃料电池热回收系统的第一较佳实施例的第二状态图。图3是本发明的一种燃料电池热回收系统的第二较佳实施例的第一状态图。图4是本发明的一种燃料电池热回收系统的第二较佳实施例的第二状态图。请参阅图1至图4所示，本发明较佳实施例的一种燃料电池热回收系统100、100’，其包括：一燃料电池装置10；一冷却槽20；一吸附式制冷装置30；一第一阀组件40；以及一第二阀组件50。
上述的燃料电池装置10，其可以为一水冷式燃料电池装置或一油冷式燃料电池装置，并根据所使用的电解质材料不同，燃料电池装置可为一质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)装置、一碱性燃料电池(Alkaline Fuel Cell，AFC)装置、一磷酸燃料电池(Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC)装置、一固态氧化物燃料电池(SolidOxide Fuel Cell，SOFC)装置或一溶融碳酸盐燃料电池(Molten CarbonateFuel Cell，MCFC)装置......等。
上述的冷却槽20，是用以储存冷却液，而冷却液可以为冷却水或冷却油。由于燃料电池装置10在进行电化学反应过程中会产生热，因此可藉由将冷却槽20中的冷却液输入至燃料电池装置10中，并将燃料电池装置10所产生的废热带离燃料电池装置10，进而让燃料电池装置10的工作温度可维持在适当的范围内。
上述的吸附式制冷装置30，其可以为一固态吸附式制冷装置。而吸附式制冷装置30具有一第一腔室31及一第二腔室32，且第一腔室31及第二腔室32可以为一真空腔室。第一腔室31中设置有至少一第一吸附床311及一第一蒸发/冷凝器312，而第二腔室32中则设置有至少一第二吸附床321及一第二蒸发/冷凝器322，且第一吸附床311及第二吸附床321皆可以具有一吸附剂及一冷媒，其中吸附剂可以为硅胶、分子筛、活性碳、活性碳纤维、氯化钙、沸石、发泡金属或活性氧化铝......等多孔性材料，而冷媒则可为水、甲醇、乙醇或液态氨......等。
请参阅图1至图4所示，吸附式制冷装置30又可具有至少二个第一吸附床311，并且两个第一吸附床311间可彼此并联设置，同样的吸附式制冷装置30亦可具有至少二个第二吸附床321，并且两个第二吸附床321可彼此并联设置。
吸附式制冷装置30主要是利用吸附剂与冷媒之间的相互作用，并藉由蒸发吸热现象制冷，其过程详述如下。
在温度低时，第一吸附床311或第二吸附床321中的吸附剂会大量吸附冷媒，藉此进行吸附作用，并且由于吸附剂吸附冷媒时会放热，因此可使得流经第一吸附床311或第二吸附床321中的冷却液温度提高。而再以热源加热吸附剂时，则可以使得处于饱和状态的吸附剂释放出气态冷媒，以进行脱附作用，并且由于吸附剂藉由吸热而将冷媒脱附出来，因此可使得流经第一吸附床311或第二吸附床321中的冷却液温度降低。
在进行吸附作用时，第一蒸发/冷凝器312或第二蒸发/冷凝器322是作为蒸发器使用，其是用以将冷媒由液态蒸发为气态，并使得流经第一蒸发/冷凝器312或第二蒸发/冷凝器322中冷却液的热能被吸收，进而使冷却液的温度降低并达到制冷效果。然而，在进行脱附作用时，第一蒸发/冷凝器312或第二蒸发/冷凝器322则作为冷凝器使用，其是将冷媒由气态冷凝为液态，因此流经第一蒸发/冷凝器312或第二蒸发/冷凝器322中的冷却液则会进行吸热，而且使冷却液的温度上升。
因此，当吸附式制冷装置30进行脱附作用时，可使流经第一吸附床311或第二吸附床321的冷却液的温度下降，并使流经第一蒸发/冷凝器312或第二蒸发/冷凝器322的冷却液温度上升。相反的，当吸附式制冷装置30进行吸附作用时，可使流经第一吸附床311或第二吸附床321的冷却液的温度上升，并使流经第一蒸发/冷凝器312或第二蒸发/冷凝器322的冷却液温度下降，以达到制冷的效果。
第一阀组件40，其包括至少一切换阀41及多数个管路42，可利用切换阀41及管路42组装使得燃料电池装置10、冷却槽20、第一吸附床311及第二吸附床321相互连接，其中切换阀41可以为一二通阀、一三通阀、一四通阀或其组合，但不仅限于此。
第二阀组件50，其亦包括至少一切换阀51及多数个管路52，并用以连接冷却槽20、第一蒸发/冷凝器312及第二蒸发/冷凝器322，而切换阀51亦可以为一二通阀、一三通阀、一四通阀或其组合，但不仅限于此。
请参阅图1至图4所示，为了便于控制第一阀组件40及第二阀组件50的开关，燃料电池热回收系统100、100’可以进一步包括一自动控制系统70，其是连接于燃料电池装置10、冷却槽20及吸附式制冷装置30之间，并可监控燃料电池装置10、冷却槽20及吸附式制冷装置30的状态，以藉此控制第一阀组件40及第二阀件组50的开启/关闭。
请参阅图1所示，当第一阀组件40及第二阀组件50皆处于第一状态时，其使切换阀41、51皆处于第一状态，以使得燃料电池装置10可与第一腔室31中的第一吸附床311相互连通，而冷却槽20则可与第二腔室32中的第二吸附床321相互连通，并且亦使得冷却槽20可与第一蒸发/冷凝器312及第二蒸发/冷凝器322相互连通。
因此，可利用第一阀组件40的管路42引导冷却槽20中的冷却液流经燃料电池装置10，所以冷却液可将燃料电池装置10所产生的热带离燃料电池装置10，并使得燃料电池装置10所产生的废热可作为吸附式制冷装置30的热源。
而燃料电池装置10所输出高温的冷却液可流经处于第一状态的切换阀41，并流入第一腔室31中的第一吸附床311中，进而使得第一吸附床311得以进行脱附作用，以降低流入第一吸附床311的冷却液的温度，而由第一吸附床311流出的低温的冷却液则可再经由管路42引导回流至冷却槽20中。
此时，第一蒸发/冷凝器312则作为冷凝器使用。冷却槽20中的冷却液亦流经第二阀组件50的切换阀51及管路52，藉此流入第一腔室31中的第一蒸发/冷凝器312，以使得冷却液可将第一吸附床311脱附出的冷媒由气态冷凝为液态，并提高第一蒸发/冷凝器312所流出的冷却液的温度，而由第一蒸发/冷凝器312流出的冷却液又可藉由第二阀组件50的切换阀51及管路52流回至冷却槽20中。
而当第一阀组件40及第二阀组件50皆处于第一状态时，第一阀组件40的切换阀41及管路42亦引导冷却槽20中的冷却液流入吸附式制冷装置30的第二腔室32，并使第二腔室32中的第二吸附床321进行吸附作用，以提高流入第二吸附床321的冷却液的温度，并且由第二吸附床321流出的高温的冷却液则可再经由管路42引导回流至冷却槽20中。
此时，第二蒸发/冷凝器322则作为蒸发器使用。冷却槽20中的冷却液亦藉由第二阀组件50的切换阀51及管路52的引导，流入第二腔室32的第二蒸发/冷凝器322中。由于第二蒸发/冷凝器322是用以将冷媒由液态蒸发为气态，而且在此过程中需要吸热，所以可降低流经第二蒸发/冷凝器322的冷却液的温度，而由第二蒸发/冷凝器322流出的冷却液又可藉由第二阀组件50的切换阀51及管路52流回至冷却槽20中。
请参阅图2所示，当第一吸附床311完成脱附作用后，可藉由切换第一阀组件40中的切换阀41，使其处于第二状态下以改变冷却液的流向，并使得燃料电池装置10可与第二腔室32中的第二吸附床321相互连通，而冷却槽20则可与第一腔室31中的第一吸附床311相互连通。
因此，燃料电池装置10输出的高温的冷却液可流入至第二腔室32的第二吸附床321中，使第二吸附床321进行脱附作用，并且同时使冷却槽20流出的冷却液被引导流入至第一腔室31的第一吸附床311中，使第一吸附床311进行吸附作用。因此可利用切换第一阀组件40的状态，使得第一吸附床311及第二吸附床321轮流进行脱附作用及吸附作用，并让燃料电池装置10的工作温度可持续地控制在适当的范围中。
请参阅图3及图4所示，燃料电池热回收系统100’可进一步具有一空调装置60，其是藉由第二阀组件50使空调装置60与冷却槽20、第一蒸发/冷凝器312及第二蒸发/冷凝器322相互连接。
由于第一蒸发/冷凝器312或者第二蒸发/冷凝器322作为蒸发器使用时，可藉由吸收流经第一蒸发/冷凝器312或第二蒸发/冷凝器322中冷却液的热能，以使得第一吸附床311或第二吸附床321中的冷媒得以被脱附出来，并降低第一蒸发/冷凝器312或者第二蒸发/冷凝器322中冷却液的温度，以达到制冷效果。因此，可将第一蒸发/冷凝器312或第二蒸发/冷凝器322所产生的低温的冷却液应用于空调装置60中。
请参阅图3所示，当第一阀组件40处于第一状态时，由于第二蒸发/冷凝器322是作为蒸发器使用，因此可利用第二阀组件50中多数个切换阀51及管路52，使空调装置60与第二腔室32中的第二蒸发/冷凝器322相互连通，藉此引导第二蒸发/冷凝器322所流出的低温的冷却液输入至空调装置60中，并使空调装置60产生冷气，而受热后的冷却液可再藉由切换阀51及管路52的引导流回至冷却槽20中。
请参阅图4所示，当第二阀组件50处于第二状态时，由于第一蒸发/冷凝器312是作为蒸发器使用，所以亦可以藉由切换第二阀组件50的切换阀51，使空调装置60与第一腔室31中的第一蒸发/冷凝器312相互连通，藉此引导第一蒸发/冷凝器312所流出的低温的冷却液输入至空调装置60中，并使空调装置60产生冷气，而受热后的冷却液亦可再藉由切换阀51及管路52的引导流回至冷却槽20中。
由于可配合第一阀组件40的状态，适时地切换第二阀组件50中切换阀51的状态，进而不断地将第一蒸发/冷凝器312或第二蒸发/冷凝器322流出的低温的冷却液输入至空调装置60的低温液体回路中，因此可使得空调装置60不断地利用吸附式制冷装置30所提供的低温的冷却液使外界的热气变为冷气而送出。
综上所述，上述各实施例是藉由吸附式制冷装置30降低燃料电池装置10排出的冷却液的温度，并再引导冷却液流回至冷却槽20中，以不断地重复循环利用冷却液，进而使燃料电池装置10的工作温度可维持在适当的范围中。燃料电池装置10所产生的废热亦可作为吸附式制冷装置30的热源，以使得燃料电池装置10在产生电能的同时，亦可与吸附式制冷装置30及空调装置60相互配合以产生冷气，藉此达到发电并同时产生冷气的功效。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (14)

1、一种燃料电池热回收系统，其特征在于其包括：
一燃料电池装置；
一冷却槽；
一吸附式制冷装置，其具有一第一腔室及一第二腔室，该第一腔室中设置有至少一第一吸附床及一第一蒸发/冷凝器，而该第二腔室中则设置有至少一第二吸附床及一第二蒸发/冷凝器；
一第一阀组件，其是连接该燃料电池装置、该冷却槽、该第一吸附床及该第二吸附床；以及
一第二阀组件，其是连接该冷却槽及该第一蒸发/冷凝器及该第二蒸发/冷凝器。
2、根据权利要求1所述的燃料电池热回收系统，其特征在于其中所述的燃料电池装置为一水冷式燃料电池装置或一油冷式燃料电池装置。
3、根据权利要求1所述的燃料电池热回收系统，其特征在于其中所述的第一腔室及该第二腔室为一真空腔室。
4、根据权利要求1所述的燃料电池热回收系统，其特征在于其中所述的第一吸附床及该第二吸附床具有一吸附剂及一冷媒。
5、根据权利要求4所述的燃料电池热回收系统，其特征在于其中所述的吸附剂为硅胶、分子筛、活性碳、沸石、发泡金属或活性氧化铝。
6、根据权利要求4所述的燃料电池热回收系统，其特征在于其中所述的冷媒为水、甲醇或氨气。
7、根据权利要求1所述的燃料电池热回收系统，其特征在于其中所述吸附式制冷装置具有至少二个该第一吸附床，且该些第一吸附床是彼此并联设置。
8、根据权利要求1所述的燃料电池热回收系统，其特征在于其中所述吸附式制冷装置具有至少二个该第二吸附床，且该些第二吸附床是彼此并联设置。
9、根据权利要求1所述的燃料电池热回收系统，其特征在于其中所述第一阀组件包括至少一切换阀及多数个管路。
10、根据权利要求9所述的燃料电池热回收系统，其特征在于其中所述切换阀为一二通阀、一三通阀、一四通阀或其组合。
11、根据权利要求1所述的燃料电池热回收系统，其特征在于其中所述第二阀组件包括至少一切换阀及多数个管路。
12、根据权利要求1所述的燃料电池热回收系统，其特征在于其中所述切换阀为一二通阀、一三通阀、一四通阀或其组合。
13、根据权利要求1所述的燃料电池热回收系统，其特征在于其进一步具有一空调装置，其是藉由该第二阀组件与该冷却槽、该第一蒸发/冷凝器及该第二蒸发/冷凝器相互连接。
14、根据权利要求1所述的燃料电池热回收系统，其特征在于其进一步具有一自动控制系统，其是连接于该燃料电池装置、该冷却槽及该吸附式制冷装置之间，以控制该第一阀组件及该第二阀组件的开关。
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