CN106931696B - 一种分布式制冰装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种分布式制冰装置及方法，包括制冰机本体，在制冰机本体上安装有燃料电池堆，在燃料电池堆内还设置有与接水盘、水蒸发盘和储水箱相连通的电堆冷却管路。本发明所需电能均由燃料电池电堆提供，同时其融化产物可以对燃料电池电堆进行有效地冷却，电堆运行产物和融化产物能够对循环工质进行预冷，本发明以燃料电池作为主要电力来源的独立制冰装置，使布置更加灵活应用范围更加广泛，通过燃料电池电堆提供稳定充足的电力供压缩机做功实现制冰功能，运行过程中的融化产物可以用来冷却燃料电池电堆以保障其高效稳定运行，同时燃料电池的运行产物还可以进行补水。

Description

一种分布式制冰装置及方法
技术领域
本发明涉及一种制冰装置及方法，具体涉及一种分布式制冰装置及方法。
背景技术
在生产生活过程中，冰有助于提升饮料的口感及一些物品的储存，因此一些基于这些目的的制冰装置也得到越来越多的应用。商用制冰装置作为一种整体式产冰、储冰装置，在生活、生产和科研等方面均有广泛的用途。这一类制冰装置主要有喷淋式、流水式和浸入式等。这三种装置大都需要依赖于电网提供电力，这在对电网带来很大的用电压力的同时，也会因电网“限电”“停电”等问题影响其稳定运行。另外，由于制冰装置依托于固定的电力网络，其使用范围局限于某一固定区域，这使得设备在移动过程中有很大的不便，针对一些电网未能达到的区域诸如边疆、沙漠、荒岛等，制冰装置也都得不到稳定便捷的使用。另外，在制冰过程中产生的融化产物尚未得到很好的利用，这在一定程度上也造成了能源的浪费。
燃料电池技术是一种新型发电技术，该技术可以将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能，具有高效、无污染、无噪声、可靠性高、模块化、对负载变化可以快速响应等显著优点，被认为是解决能源危机的终极方案。基于上述优点，燃料电池技术在分布式能源技术中也得到了越来越多的应用。
但是，在燃料电池运行过程中，其长时间工作会产生大量热量，其生成产物未能得到有效处理，这些问题一直影响基于燃料电池的分布式能源装置的高效稳定运行。因此，一种更加节能环保高效稳定的制冰装置亟待出现。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种持续稳定、高效节能、环境友好、功能丰富的分布式制冰装置及方法。其通过燃料电池获得稳定的电能并通过融化产物对燃料电池进行有效地冷却。在运行过程中，装置所需全部电能均由燃料电池提供，同时其储冰盒内的融化产物可以对燃料电池进行有效地冷却。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：包括制冰机本体以及设置在制冰机本体上的储水箱、冷凝器、蒸发器、制冰盘、冰铲、储冰盒、托盘、压缩机、水蒸发盘和四通阀；其中压缩机工质出口与冷凝器相连，压缩机工质出口还与蒸发器相连，工质经蒸发器后通过水蒸发盘与压缩机工质入口相连；
在制冰机本体上还安装有燃料电池堆，在燃料电池堆内还设置有入口与接水盘相连通的电堆冷却管路，燃料电池堆的阴极室出口及电堆冷却管路的出口通过四通阀与水蒸发盘和储水箱相连。
所述的储水箱为压力容器，采用不锈钢保温箱、承压保温箱或玻璃钢保温箱，存储溶液应为水、糖浆或碳酸等所需液体。
所述冷凝器应是空气冷却式冷凝器应是百叶窗式冷凝器、钢丝盘管式冷凝器、内藏式冷凝器和翅片式冷凝器。
所述的蒸发器采用铝合金复合板式蒸发器、蛇形盘管式蒸发器、光管盘式蒸发器、单侧翅片式蒸发器或翅片管式蒸发器。
所述的制冰盘设有水位感应器，能根据水位高低控制储水箱出口开闭。
所述的储冰盒为压力容器，采用不锈钢保温箱、承压保温箱或玻璃钢保温箱，内部设有冰量感应器用于根据储冰量多少控制整机运行以及滤网用于冰水分离，滤网下面可以填充吸水材料如海绵等；同时储冰盒出口可以直接与饮料分配机直接连通。
优选地，所述燃料电池电堆应为交换膜燃料电池，所述交换膜包括阳离子交换膜、阴离子交换膜或中性交换膜，所消耗的燃料包括H2、CH4、CH3OH、C2H5OH等；所述H2来自于光催化、生物质发酵、工业副产品等；所述H2来自于CH4、CH3OH重整。
所述的燃料电池电堆的阴极、阳极室分别与氧化剂储存罐和燃料储存罐相连，燃料电池堆的阳极室出口与燃料储存罐相连，所述的氧化剂储存罐和燃料储存罐均采用压力容器。
所述的燃料电池电堆的阴极室与空气循环泵或制氧设备相连；所述燃料电池电堆的阳极室与外接燃料供给管路相连。
所述的压缩机采用电动机驱动压缩式设备、电磁振荡压缩机式设备、吸收式设备、半导体式设备或磁性制冰式设备。
本发明的分布式制冰方法包括以下步骤：
若目标为节能模式，则采用以下步骤运行：
步骤S100：电堆放电和工质压缩预冷：将氧化剂储存罐中的氧化剂、燃料储存罐中的燃料分别通入燃料电池电堆的阴极、阳极使燃料电池电堆放电，阴极产物通过四通阀流入水蒸发盘通过水蒸发对工质进行预冷，阳极产物回流至燃料储存罐；燃料电池放电使压缩机做功使装置中的循环工质流动换热，同时储水箱出口开关打开向制冰盘加水并在加满后自动关闭；
步骤S200：电堆供电和工质循环：燃料电池电堆工作产生的电能提供给压缩机；循环工质经压缩后送到冷凝器内，冷凝成液体后经毛细管节流进入制冰机内蒸发器；循环工质流入水蒸发盘通过水蒸发进行预冷，并再次流入压缩机循环做功；
步骤S300：产冰储冰和冷却燃料电池电堆：循环工质流经蒸发器时对制冰盘中水进行冷冻制冰，制冰结束后通过冰铲进入储冰盒储存备用，需要时打开储冰盒出口使冰流入托盘；同时储冰盒中的融化水通过接水盘收集后流入电堆冷却管路与阴极排出的水汇合流入水蒸发盘，通过水的蒸发对循环工质进行预冷。
若目标为节水模式，则采用以下步骤运行：
步骤S100：电堆放电和储水箱补水：将氧化剂储存罐中的氧化剂、燃料储存罐中的燃料分别通入燃料电池电堆的阴极、阳极使燃料电池电堆放电，阴极产物通过四通阀流入储水箱进行补水，阳极产物回流至燃料储存罐；燃料电池放电使压缩机做功使装置中的循环工质流动换热；
步骤S200：电堆供电和工质循环：燃料电池电堆工作产生的电能提供给压缩机；循环工质经压缩后送到冷凝器内，冷凝成液体后经毛细管节流进入制冰机内蒸发器，进一步流入压缩机循环做功；
步骤S300：产冰储冰和冷却燃料电池电堆：循环工质流经蒸发器时对制冰盘中水进行冷冻制冰，制冰结束后通过冰铲进入储冰盒储存备用，需要时打开储冰盒出口使冰流入托盘；同时储冰盒中的融化水通过接水盘收集后流入电堆冷却管路与阴极排出的水汇合流入储水箱进一步进行补水。
本发明以燃料电池作为主要电力来源的独立制冰装置，使布置更加灵活应用范围更加广泛，通过燃料电池电堆提供稳定充足的电力供压缩机做功实现制冰功能，运行过程中的融化产物可以用来冷却燃料电池电堆以保障其高效稳定运行，同时燃料电池的运行产物还可以进行补水。燃料电池电堆输出电压可根据需要选择性输出，外部独立于电网且内部协同互补运行并能够对其它用电设备如饮料分配机、手机等供电，使用燃料电池作为电源结构，输出独立清洁的电能，实现稳定制冰，另外，燃料电池所消耗的燃料和氧化剂简单易得，产物清洁无污染，使装置运行成本降低且工作产物环境友好；
本发明利用装置内的融化产物冷却燃料电池、预冷循环工质，冷藏室内的融化水用来冷却燃料电池电堆以保证电堆的稳定高效运行。节能模式中电池产物和融化水流入水蒸发盘通过自身蒸发对循环工质进行预冷，进一步地提升了整个装置的性能；节水模式中电池产物和融化水流入储水箱进行补水，整个产物利用过程节能环保。在水资源充足的地区，节能模式能够在提升燃料电池效率的同时进一步提升压缩机运行效率，使节能效果最大；在水资源匮乏的地区，在保证电池效率提升的同时，节水模式能够使装置在无水情况下仅仅依靠燃料实现稳定运行，在节能的同时实现节水。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种分布式制冰装置结构示意图。
图中，1-储水箱，2-冷凝器，3-蒸发器，4-制冰盘，5-冰铲，6-储冰盒，7-托盘，8-接水盘，9-燃料电池电堆，10-电堆冷却管路，11-燃料储存罐，12-氧化剂储存罐，13-压缩机，14-水蒸发盘，15-四通阀。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参见图1，本发明包括制冰机本体以及设置在制冰机本体上的储水箱1、冷凝器2、蒸发器3、制冰盘4、冰铲5、储冰盒6、托盘7、压缩机13、水蒸发盘14和四通阀15；其中压缩机13工质出口与冷凝器2相连，压缩机13工质出口还与蒸发器3相连，工质经蒸发器3后通过水蒸发盘14与压缩机13工质入口相连；
其中储水箱1为压力容器，采用不锈钢保温箱、承压保温箱或玻璃钢保温箱，存储溶液应为水、糖浆或碳酸等所需液体；冷凝器2应是空气冷却式冷凝器应是百叶窗式冷凝器、钢丝盘管式冷凝器、内藏式冷凝器和翅片式冷凝器；蒸发器3采用铝合金复合板式蒸发器、蛇形盘管式蒸发器、光管盘式蒸发器、单侧翅片式蒸发器或翅片管式蒸发器；制冰盘4设有水位感应器，能根据水位高低控制储水箱出口开闭；储冰盒6为压力容器，采用不锈钢保温箱、承压保温箱或玻璃钢保温箱，内部设有冰量感应器用于根据储冰量多少控制整机运行以及滤网用于冰水分离，滤网下面可以填充吸水材料如海绵等；同时储冰盒6出口可以直接与饮料分配机直接连通。
在制冰机本体上还安装有燃料电池堆9以及与燃料电池堆9的阴极室、阳极室相连的氧化剂储存罐12、燃料储存罐11，在燃料电池堆9内还设置有入口与接水盘8相连通的电堆冷却管路10，燃料电池堆的阴极室出口及电堆冷却管路10的出口通过四通阀15与水蒸发盘14和储水箱1相连，燃料电池堆的阳极室出口与燃料储存罐11相连。其中燃料电池电堆9的阴极、阳极室分别与氧化剂储存罐12和燃料储存罐11相连，氧化剂储存罐12和燃料储存罐11均采用压力容器；燃料电池电堆9应为交换膜燃料电池，所述交换膜包括阳离子交换膜、阴离子交换膜或中性交换膜，所消耗的燃料包括H2、CH4、CH3OH、C2H5OH等；所述H2来自于光催化、生物质发酵、工业副产品等；所述H2来自于CH4、CH3OH重整；燃料电池电堆9的阴极室还可以与空气循环泵或制氧设备相连；燃料电池电堆9的阳极室还可以与外接燃料供给管路相连。
本发明的分布式制冰方法包括以下步骤：
若目标为节能模式，则采用以下步骤运行：
步骤S100：电堆放电和工质压缩预冷：将氧化剂储存罐12中的氧化剂、燃料储存罐11中的燃料分别通入燃料电池电堆9的阴极、阳极使燃料电池电堆9放电，阴极产物流入水蒸发盘14通过水蒸发对工质进行预冷，阳极产物回流至燃料储存罐11；燃料电池9放电使压缩机13做功使装置中的循环工质流动换热，同时储水箱1出口开关打开向制冰盘4加水并在加满后自动关闭。
步骤S200：电堆供电和工质循环：燃料电池电堆9工作产生的电能提供给压缩机13；循环工质经压缩后送到冷凝器2内，冷凝成液体后经毛细管节流进入制冰机内蒸发器3；循环工质流入水蒸发盘14通过水蒸发进行预冷，并再次流入压缩机13循环做功；
步骤S300：产冰储冰和冷却燃料电池电堆：循环工质流经蒸发器3时对制冰盘4中水进行冷冻制冰，制冰结束后通过冰铲5进入储冰盒6储存备用，需要时打开储冰盒6出口使冰流入托盘7；同时储冰盒6中的融化水通过接水盘8收集后流入电堆冷却管路10与阴极排出的水汇合流入水蒸发盘14，通过水的蒸发对循环工质进行预冷。
若目标为节水模式，则采用以下步骤运行：
步骤S100：电堆放电和储水箱补水：将氧化剂储存罐12中的氧化剂、燃料储存罐11中的燃料分别通入燃料电池电堆9的阴极、阳极使燃料电池电堆9放电，阴极产物通过四通阀15流入储水箱1进行补水，阳极产物回流至燃料储存罐11；燃料电池9放电使压缩机13做功使装置中的循环工质流动换热；
步骤S200：电堆供电和工质循环：燃料电池电堆9工作产生的电能提供给压缩机13；循环工质经压缩后送到冷凝器2内，冷凝成液体后经毛细管节流进入制冰机内蒸发器3，进一步流入压缩机13循环做功；
步骤S300：产冰储冰和冷却燃料电池电堆：循环工质流经蒸发器3时对制冰盘4中水进行冷冻制冰，制冰结束后通过冰铲5进入储冰盒6储存备用，需要时打开储冰盒6出口使冰流入托盘7；同时储冰盒6中的融化水通过接水盘8收集后流入电堆冷却管路10与阴极排出的水汇合流入储水箱1进一步进行补水。
本发明以燃料电池作为电源装置，对装置本身以及其他用电设备输出清洁稳定的电能，并对自身进行有效地冷却，保证装置实现高效稳定的制冰功能；装置在运行过程中，装置的融化产物可以对燃料电池进行有效的冷却，节能模式中电池的工作产物和装置的融化产物可以对循环工质进行有效地预冷，节水模式中电池的工作产物和装置的融化产物可以进行有效的补水。本发明实施例提供的一种分布式制冰装置具有能量密度高、不受地理条件限制、高效稳定、节水节能、环境友好、功能丰富、符合分布式能源装置要求等优点。

Claims (9)

1.一种分布式制冰装置，其特征在于，包括制冰机本体以及设置在制冰机本体上的储水箱(1)、冷凝器(2)、蒸发器(3)、制冰盘(4)、冰铲(5)、储冰盒(6)、托盘(7)、压缩机(13)、水蒸发盘(14)和四通阀(15)；其中压缩机(13)工质出口与冷凝器(2)相连，压缩机(13)工质出口还与蒸发器(3)相连，工质经蒸发器(3)后通过水蒸发盘(14)与压缩机(13)工质入口相连；
在制冰机本体上还安装有燃料电池堆(9)，燃料电池堆(9)工作产生的电能提供给压缩机(13)，在燃料电池堆(9)内还设置有入口与接水盘(8)相连通的电堆冷却管路(10)，燃料电池堆(9)的阴极室出口及电堆冷却管路(10)的出口通过四通阀(15)与水蒸发盘(14)和储水箱(1)相连。
2.根据权利要求1所述的分布式制冰装置，其特征在于，所述的储水箱(1)为压力容器，采用不锈钢保温箱、承压保温箱或玻璃钢保温箱，存储溶液为水、糖浆或碳酸液体。
3.根据权利要求1所述的分布式制冰装置，其特征在于，所述的冷凝器(2)为空气冷却式冷凝器，包括百叶窗式冷凝器、钢丝盘管式冷凝器、内藏式冷凝器或翅片式冷凝器。
4.根据权利要求1所述的分布式制冰装置，其特征在于，所述的蒸发器(3)采用铝合金复合板式蒸发器、蛇形盘管式蒸发器、光管盘式蒸发器、单侧翅片式蒸发器或翅片管式蒸发器。
5.根据权利要求1所述的分布式制冰装置，其特征在于，所述的制冰盘(4)设有能根据制冰盘水位高低控制储水箱(1)出口开闭的水位感应器。
6.根据权利要求1所述的分布式制冰装置，其特征在于，所述的储冰盒(6)为压力容器，采用不锈钢保温箱、承压保温箱或玻璃钢保温箱，内部设有用于根据储冰量多少控制整机运行以及滤网用于冰水分离的冰量感应器，滤网下面填充有吸水材料；同时储冰盒(6)出口直接与饮料分配机直接连通。
7.根据权利要求1所述的分布式制冰装置，其特征在于，所述的燃料电池堆(9)的阴极、阳极室分别与燃料储存罐(11)和氧化剂储存罐(12)相连，燃料电池堆(9)的阳极室出口与燃料储存罐(11)相连，所述的燃料储存罐(11)和氧化剂储存罐(12)均采用压力容器。
8.根据权利要求1所述的分布式制冰装置，其特征在于，所述的燃料电池堆(9)的阴极室与空气循环泵或制氧设备相连；所述燃料电池堆(9)的阳极室与外接燃料供给管路相连。
9.一种基于权利要求1所述装置的分布式制冰方法，其特征在于，包括以下步骤：
若目标为节能模式，则采用以下步骤运行：
步骤S100：电堆放电和工质压缩预冷：将氧化剂储存罐(12)中的氧化剂、燃料储存罐(11)中的燃料分别通入燃料电池堆(9)的阴极、阳极使燃料电池堆(9)放电，阴极产物通过四通阀(15)流入水蒸发盘(14)通过水蒸发对工质进行预冷，阳极产物回流至燃料储存罐(11)；燃料电池堆(9)放电使压缩机(13)做功使装置中的循环工质流动换热，同时储水箱(1)出口开关打开向制冰盘(4)加水并在加满后自动关闭；
步骤S200：电堆供电和工质循环：燃料电池堆(9)工作产生的电能提供给压缩机(13)；循环工质经压缩后送到冷凝器(2)内，冷凝成液体后经毛细管节流进入制冰机内蒸发器(3)；循环工质流入水蒸发盘(14)通过水蒸发进行预冷，并再次流入压缩机(13)循环做功；
步骤S300：产冰储冰和冷却燃料电池堆(9)：循环工质流经蒸发器(3)时对制冰盘(4)中水进行冷冻制冰，制冰结束后通过冰铲(5)进入储冰盒(6)储存备用，需要时打开储冰盒(6)出口使冰流入托盘(7)；同时储冰盒(6)中的融化水通过接水盘(8)收集后流入电堆冷却管路(10)与阴极排出的水汇合流入水蒸发盘(14)，通过水的蒸发对循环工质进行预冷；
若目标为节水模式，则采用以下步骤运行：
步骤S100：电堆放电和储水箱补水：将氧化剂储存罐(12)中的氧化剂、燃料储存罐(11)中的燃料分别通入燃料电池堆(9)的阴极、阳极使燃料电池堆(9)放电，阴极产物通过四通阀(15)流入储水箱(1)进行补水，阳极产物回流至燃料储存罐(11)；燃料电池(9)放电使压缩机(13)做功使装置中的循环工质流动换热；
步骤S200：电堆供电和工质循环：燃料电池堆(9)工作产生的电能提供给压缩机(13)；循环工质经压缩后送到冷凝器(2)内，冷凝成液体后经毛细管节流进入制冰机内蒸发器(3)，进一步流入压缩机(13)循环做功；
步骤S300：产冰储冰和冷却燃料电池堆(9)：循环工质流经蒸发器(3)时对制冰盘(4)中水进行冷冻制冰，制冰结束后通过冰铲(5)进入储冰盒(6)储存备用，需要时打开储冰盒(6)出口使冰流入托盘(7)；同时储冰盒(6)中的融化水通过接水盘(8)收集后流入电堆冷却管路(10)与阴极排出的水汇合流入储水箱(1)进一步进行补水。
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