CN107039666B - 集成的热泵和燃料电池发电站 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及集成的热泵和燃料电池发电站。一种说明性的示例系统包括至少一个燃料电池，所述至少一个燃料电池被构造成基于电化学反应产生电力。所述燃料电池包括排出装置。热泵包括蒸发器、冷凝器、压缩器以及膨胀阀。冷却剂回路在所述至少一个燃料电池之外。所述冷却剂回路具有第一部分，所述第一部分与所述排出装置相关联以使得来自所述排出装置的热量使所述第一部分中的冷却剂流体的温度提高。所述冷却剂回路具有在所述第一部分下游的第二部分。所述冷却剂回路的第二部分与所述蒸发器相关联以使得来自所述第二部分中的冷却剂流体的热量使所述蒸发器的温度提高。

Description

集成的热泵和燃料电池发电站
背景技术
燃料电池用于基于电化学反应产生电力。已知有不同种类的燃料电池。燃料电池的工作过程的典型副产品包括水和热量。已有各种提议用以从燃料电池工作期间所产生的热量中获益。
例如，已建议将热泵和燃料电池装置结合。美国专利No. 6,370,903示出了一种在车辆上使用的装置，该装置包括作为用于车辆的能源的燃料电池。在美国专利No. 8,445,155中示出了另一种装置。该装置的一个弊端是其需要与燃料电池的热交换器相关联的分离的管道，这增加了系统的复杂度和成本。
本领域的技术人员正在力图找到增强的且改进的能量供应系统。根据本发明的实施例所设计的系统实现了该目标。
发明内容
一种说明性的示例系统包括至少一个燃料电池，所述至少一个燃料电池被构造成基于电化学反应产生电力。所述燃料电池包括排出装置。热泵包括蒸发器、冷凝器、压缩器以及膨胀阀。冷却剂回路在所述至少一个燃料电池之外。所述冷却剂回路具有第一部分，所述第一部分与所述排出装置相关联以使得来自所述排出装置的热量使所述第一部分中的冷却剂流体的温度提高。所述冷却剂回路具有在所述第一部分下游的第二部分。所述冷却剂回路的第二部分与所述蒸发器相关联以使得来自所述第二部分中的冷却剂流体的热量使所述蒸发器的温度提高。
一种具有先前段落所述的系统的一个或多个特征的示例系统包括与所述第二部分联接的旁通阀。所述旁通阀选择性地启动来引导所述第二部分中的冷却剂流体以便选择性地控制从所述第二部分到所述蒸发器的热量传递。
一种具有任一先前段落所述的系统的一个或多个特征的示例系统包括与所述排出装置相关联的排出物冷凝器。所述冷却剂回路的第一部分被设置成以便来自所述排出物冷凝器的热量使所述第一部分中的冷却剂流体的温度提高。
一种具有任意先前段落所述的系统的一个或多个特征的示例系统包括与所述燃料电池相关联的高等级热交换器。在所述热泵的冷凝器的下游的热量输送网络引导被加热的流体至少部分地通过所述高等级热交换器。
在一种具有任意先前段落所述的系统的一个或多个特征的示例系统中，所述燃料电池包括多个燃料电池堆组件，每个燃料电池堆组件包括排出装置。所述冷却剂回路具有与所述排出装置中的每个相关联的相应的第一部分。所述冷却剂回路的第一部分中的每个将冷却剂流体输送到所述第二部分。
在一种具有任意先前段落所述的系统的一个或多个特征的示例系统中，所述冷却剂回路包括第三部分，所述第三部分从所述第二部分向所述排出装置载送冷却剂流体，并且所述冷却剂回路包括至少一个热量扩散元件，所述至少一个热量扩散元件被设置成使所述第三部分中的冷却剂流体的温度降低。
在一种具有任意先前段落所述的系统的一个或多个特征的示例系统中，所述第一部分中的冷却剂流体的温度在40°与60℃之间，在所述蒸发器的上游的所述第二部分中的冷却剂流体的温度与所述第一部分中的冷却剂流体的温度近似相同，并且在所述蒸发器的下游的所述第二部分中的冷却剂流体的温度在20°与30℃之间。
一种说明性的示例方法包括从至少一个燃料电池中的电化学反应中产生电力，所述燃料电池具有相关联的排出装置；从所述排出装置吸收热量来提高冷却剂流体的温度；将所述冷却剂流体的至少一些引导到热泵的蒸发器，所述热泵包括所述蒸发器、冷凝器、压缩器和膨胀阀；以及使用所述冷却剂流体提高所述热泵的蒸发器的温度。
一种具有先前段落所述的方法中的一个或多个特征的示例方法包括控制旁通阀以便选择性地控制所述冷却剂流体是否提高所述蒸发器的温度。
一种具有任一先前段落所述的方法中的一个或多个特征的示例方法包括与燃料电池相关联的高等级热交换器。所述方法包括引导来自所述热泵的冷凝器的被加热的流体至少部分地通过所述高等级热交换器。
在一种具有任意先前段落所述的方法中的一个或多个特征的示例方法中，在所述排出装置和所述蒸发器之间流动的冷却剂流体的温度在40°与60℃之间，并且在所述蒸发器和所述排出装置之间流动的冷却剂流体的温度在20°和30℃之间。
本领域的技术人员从下面的具体实施方式中将明白至少一个公开的示例实施例的各种特征和优势。下面可简要地描述具体实施方式所附的附图。
附图说明
图1示意性地示出了根据本发明的实施例所设计的系统，该系统将热泵与燃料电池发电站集成在一起。
图2示意性地示出了另一个实施例。
具体实施方式
图1示意性地示出了一种包括燃料电池发电站的系统20，该燃料电池发电站具有第一燃料电池发电站单元22和第二燃料电池发电站单元24。第一燃料电池发电站单元22包括至少一个燃料电池堆组件26，该至少一个燃料电池堆组件26包括基于电化学反应产生电力的多个燃料电池。在一个示例实施例中，各个燃料电池是基于电解质的并且利用磷酸作为电解质。为了讨论，示例的燃料电池将指的是磷酸燃料电池（PAFCs）。第二燃料电池发电站单元24包括至少一个燃料电池堆组件28。为了讨论，仅示出了两个燃料电池发电站单元24，但是在实际的实施例中，发电站单元（其每个具有至少一个燃料电池堆）的数量可以高得多。
燃料电池发电站单元22包括排出装置30，排出装置30在这个示例中具有排出物冷凝器。排出装置30与电池堆组件26相关联以便排出由电力的产生过程得到的空气副产品。在一些示例中，排出装置30也与重整器（未示出）相联接，该重整器被用于将燃料提供到电池堆组件26。相比重整器排出装置与燃料电池排出装置分离的实施例，在包括与排出装置30的冷凝器相关联的重整器排出装置的实施例中，冷凝器处的温度可以更高。
燃料电池发电站单元22包括高等级热交换器32，该高等级热交换器32与电池堆组件26相关联。所说明的示例实施例的一个特征是没有与电池堆组件26相关联的低等级热交换器。将经常在燃料电池发电站中使用的热交换器中的一个除去提供了经济效益，该经济效益包括通过除去热交换器来减少系统成本。
第二燃料电池发电站单元24包括排出装置34和高等级热交换器36，排出装置34和高等级热交换器36两者均与电池堆组件28相关联。
系统20包括热泵40，热泵40与燃料电池发电站集成在一起。热泵40包括压缩器42、冷凝器44、膨胀阀46以及蒸发器48。热泵40以已知的方式运转并且能够根据在热泵40的回路内的流动方向而提供热量或者进行制冷。
系统20还包括附加的冷却剂回路50，该冷却剂回路50在电池堆组件26之外。冷却剂回路50与在电池堆组件26内使用的任何冷却剂（例如用于直接冷却电池堆组件的部件的冷却剂流体）分开。相反，冷却剂回路50与燃料电池发电站单元的排出装置30和34相关联。冷却剂回路50被构造成基于从排出装置30和34所获得的热量提高热泵40的效率。
在图1的示例中，存在多个燃料电池发电站单元并且冷却剂回路50具有一些专用于这些单元中的每个的重复的部分。例如，在52A和52B处示出了冷却剂回路50的第一部分。分别地，第一部分向排出装置30和34载送例如乙二醇的冷却剂流体，在排出装置30和34处，冷却剂的温度基于在该排出装置处存在的热量而提高。冷却剂流体经过第一部分52A、52B流动到膨胀箱54和泵56。冷却剂回路的第二部分58将冷却剂引导到热泵40的蒸发器48。第二部分58中的冷却剂流体提高了蒸发器48的温度。当热泵40以加热模式运转时，被提供到蒸发器48的这些附加的热量提高了热泵40的热量输出。冷却剂回路50的第三部分60载送冷却剂流体向第一部分52A、52B返回。
所说明的示例包括分别与燃料电池发电站单元22和24相关联的专用的冷却模块62A和62B。在一个示例中，专用的冷却模块62A和62B以已知的方式运转以根据情形按照可能需要的降低冷却剂流体的温度。一个示例的情形可以是维护期间热泵40不在运转的时候。
旁通控制阀64和66被设置成根据特定情况的需要选择性地在冷却剂回路50内引导冷却剂流体。旁通阀64允许控制将多少冷却剂流体提供到蒸发器48或者控制是否将冷却剂流体提供到蒸发器48。可能存在一些情形，例如热泵40用于制冷的时候，不期望对蒸发器进行加热48的时候。旁通阀64允许第二部分58中的冷却剂在这样的情形下被转移离开蒸发器48。此外，当蒸发器48处的加热需求处于相对低的水平时，可以使用旁通阀64将来自第二部分58的冷却剂流体的至少一些转移离开蒸发器48。
旁通阀66A和66B用于控制冷却剂流体是否流动通过相应的冷却剂模块62A、62B。
在示例的实施例中，排出装置30、34的温度为大约60℃。在冷却剂回路50的第一部分52A，52B内的冷却剂流体可以为大约40℃到60℃。第二部分58中的冷却剂流体的温度通常相当于或等于第一部分52a、52B中的冷却剂流体的温度。在吸收了来自冷却剂的热量并且蒸发器48的温度提高之后，在冷却剂回路50的第三部分60中的冷却剂流体的温度可以为大约20°到30℃。
对来自排出装置30、34的热量进行利用提供了相比先前所建议的布置更高的热效率，这部分地因为冷却剂回路50是附加的并且在电池堆组件26、28之外。此外，所公开的实施例不依赖于诸如燃料电池发电站的低等级热交换器的热交换器。对燃料电池发电站单元的排出装置进行利用提供了增强的能量使用效率，这部分地是通过去除夹点（pinch）实现的，否则将涉及试图从燃料电池堆组件的低等级热交换器获得补充的热量。
图1的示例中的一个特征是其允许来自冷凝器44的流体被高等级的热交换器32、36加热。当用户需求处于高水平时，离开冷凝器44的流体的温度可以是大约70°到80℃。通过允许高等级的热交换器32、36（或者如果期望的话，仅是它们中的一个）加热这样的流体，用于提供热量来满足用户需求的流体的温度可以为大约90°到100℃。虽然没有在图1中明确地示出，但可以使用本领域的技术人员考虑了该描述后将会理解的编程的控制器和适合的阀来选择性地控制与高等级热交换器32和36相关联的流体流动。
在图1中，燃料电池发电站单元中的每个具有专用的与其相关联的冷却模块。图2的示例包括用于附加的冷却回路50的集中式冷却装置70。在该示例中，温度传感器72控制旁通阀66以便在来自第三部分60的冷却剂流体向燃料电池发电站单元的排出装置30、34返回之前选择性地引导该冷却剂通过一个或多个热交换器74、76。图2还示出了冷却系统供给装置78，该冷却系统供给装置78可以是用于乙二醇或另一种冷却剂流体的储存容器。
集中式冷却装置70或者专用的冷却模块62A、62B提供了在热泵40不在运转或不从在回路50内流动的冷却剂吸收热量的情形下排斥热量的方式。
图2的示例实施例中的另一个特征是其示出了旁路80和旁通阀82，该旁通阀82能够用于选择性地引导来自冷凝器44的流体离开高等级热交换器32、36。
如上面所描述的，对来自排出装置的热量进行利用提供了增强的热泵效率，因为需要较低的功率输入来实现来自热泵40的所期望的温度。另外，未利用与电池堆组件相关联的中间的低等级热交换器允许获得至热泵的蒸发器的更高的输入温度。此外，当排出装置具有与其相关联的重整器排出装置时，对供应到蒸发器的温度进行进一步提高成为可能。
前面的描述应当被解释为示例性的并且没有任何限制性的含义。本领域的普通技术人员将理解可以在本公开的范围内进行某些修改。因为这些原因，应对所附的权利要求进行研究来确定本公开真正的范围和内容。

Claims (10)

1.一种用于集成的热泵和燃料电池发电站的系统，包括：
多个燃料电池堆组件，所述多个燃料电池堆组件中的每个包括至少一个燃料电池，所述至少一个燃料电池被构造成基于电化学反应产生电力，所述燃料电池堆组件中的每个包括排出装置；
热泵，所述热泵包括蒸发器、冷凝器、压缩器和膨胀阀；以及
冷却剂回路，所述冷却剂回路在所述至少一个燃料电池之外，所述冷却剂回路具有第一部分，所述第一部分分别与所述排出装置相关联以使得来自所述排出装置的热量使所述第一部分中的冷却剂流体的温度提高，所述冷却剂回路具有在所述第一部分下游的第二部分，所述第一部分中的每个将冷却剂流体输送到所述第二部分中，所述第二部分与所述蒸发器相关联以使得来自所述第二部分中的冷却剂流体的热量使所述蒸发器的温度提高。
2.如权利要求1所述的系统，包括
与所述第二部分联接的旁通阀，所述旁通阀启动来引导所述第二部分中的冷却剂流体以便控制从所述第二部分到所述蒸发器的热量传递。
3.如权利要求1所述的系统，包括与所述排出装置相关联的排出物冷凝器，并且其中，所述冷却剂回路的第一部分被设置成以便来自所述排出物冷凝器的热量使所述第一部分中的冷却剂流体的温度提高。
4.如权利要求1所述的系统，包括
高等级热交换器，所述高等级热交换器与所述至少一个燃料电池相关联；以及
热量输送网络，所述热量输送网络在所述热泵的冷凝器的下游，所述热量输送网络引导被加热的流体至少部分地通过所述高等级热交换器。
5.如权利要求1所述的系统，其中
所述冷却剂回路包括第三部分，所述第三部分将冷却剂流体从所述第二部分向所述排出装置载送；并且
所述冷却剂回路包括至少一个热量扩散元件，所述至少一个热量扩散元件被设置成使所述第三部分中的冷却剂流体的温度降低。
6.如权利要求5所述的系统，其中
所述第一部分中的冷却剂流体的温度在40°与60℃之间；
在所述蒸发器上游的所述第二部分中的冷却剂流体的温度与所述第一部分中的冷却剂流体的温度相同；并且
在所述蒸发器下游的所述第二部分中的冷却剂流体的温度在20°与30℃之间。
7.一种用于根据权利要求1-6中任一项所述的系统的方法，包括：
从至少一个燃料电池中的电化学反应中产生电力，所述至少一个燃料电池包括排出装置；
从所述排出装置吸收热量来提高冷却剂流体的温度；
将所述冷却剂流体的至少一些引导到热泵的蒸发器，所述热泵包括所述蒸发器、冷凝器、压缩器和膨胀阀；以及
使用所述冷却剂流体提高所述热泵的蒸发器的温度。
8.如权利要求7所述的方法，包括
控制旁通阀以便控制所述冷却剂流体是否提高所述蒸发器的温度。
9.如权利要求7所述的方法，其中
存在与所述至少一个燃料电池相关联的高等级热交换器；并且
所述方法包括
引导来自所述热泵的冷凝器的被加热的流体至少部分地通过所述高等级热交换器。
10.如权利要求7所述的方法，其中
在所述排出装置和所述蒸发器之间流动的冷却剂流体的温度在40°与60℃之间；并且
在所述蒸发器和所述排出装置之间流动的冷却剂流体的温度在20°与30℃之间。
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