CN112161319A - 一种便携式铝-空燃料电池和热泵耦合循环制热系统及使用方法 - Google Patents

一种便携式铝-空燃料电池和热泵耦合循环制热系统及使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种便携式铝‑空燃料电池和热泵耦合循环制热系统，其特征在于：包括铝‑空燃料电池循环系统和热泵系统；所述热泵系统包括压缩机、冷凝器、风扇、节流阀和蒸发器；所述铝‑空燃料电池循环系统包括铝‑空燃料电池模组、蒸发器和水泵；所述压缩机的出口与冷凝器的进口连接；冷凝器的出口经过节流阀与蒸发器的制冷工质管道进口连接。本发明还提供一种便携式铝‑空燃料电池和热泵耦合循环制热系统使用方法；由铝‑空燃料电池产生的热能作为与热泵耦合供热的热源，将铝和空气作为电池材料，无污染可回收循环且稳定可靠，对环境十分友好，对节能减排具有很大的益处。铝金属比能量大，质量轻，为其便携性提供了很好的条件。

Description

一种便携式铝-空燃料电池和热泵耦合循环制热系统及使用 方法
技术领域
本发明涉及适用于铝空燃料电池与热泵系统耦合供热研究领域，具体涉及一种铝空燃料电池和热泵耦合循环制热系统。
背景技术
铝-空气燃料电池是一种以铝合金为负极，碱性或中性水溶液为电解液、空气电极为正极的化学电源。其最大的特点是能量密度大、重量轻，单位能量密度可以达到300-600Wh/kg，可作为高能量的便携式电源。同时，铝-空燃料电池具有成本低廉、安全性高和绿色环保等优点，是未来电池发展的一大趋势。但铝-空燃料电池在使用过程中会释放巨大的热量，导致电池过热而发生热失控，是目前阻碍其广泛应用的主要原因。
因此，需要对现有技术进行改进。
发明内容
本发明提出了一种铝-空燃料电池与热泵系统相结合的装置，利用热泵系统吸收铝-空燃料电池工作过程中产生的热量，既确保电池的稳定运行，又能有效利用其产生的废热，同时，铝-空燃料电池可为热泵系统提供电能，确保系统的正常运转。该装置为如何利用铝-空燃料电池使用过程中释放的热量提供了新的解决方案。
本发明提供一种便携式铝-空燃料电池和热泵耦合循环制热系统，其特征在于：包括铝-空燃料电池循环系统和热泵系统；
所述热泵系统包括压缩机、冷凝器、风扇、节流阀和蒸发器；
所述铝-空燃料电池循环系统包括铝-空燃料电池模组、蒸发器和水泵；
所述压缩机的出口与冷凝器的进口连接；冷凝器的出口经过节流阀与蒸发器的制冷工质管道进口连接；蒸发器的制冷工质出口与压缩机的进口连接；
所述铝-空燃料电池模组的出口与水泵进口连接，水泵出口与蒸发器的换热介质管道进口连接，蒸发器的管道出口与铝-空燃料电池模组的进口连接，
所述铝-空燃料电池模组的电极和热泵系统的电能输入端连接。
铝-空燃料电池模组出口与水泵进口连接，水泵出口与蒸发器换热介质管进口连接，蒸发器换热介质管道出口与铝-空燃料电池模组进口连接，形成闭路循环；将电化学反应后过热的电解液利用水泵送入蒸发器与热泵系统的制冷剂进行换热降温，由蒸发器换热介质管道出来的常温电解液重新送入电池模组，从而确保电池的正常工作；
铝-空燃料电池循环系统和热泵系统本别为两个独立的闭路循环，两个系统通过蒸发器进行热交换。
作为对本发明一种便携式铝-空燃料电池和热泵耦合循环制热系统的改进：
所述冷凝器上设置有风扇。
作为对本发明一种便携式铝-空燃料电池和热泵耦合循环制热系统的改进：
所述热泵系统的电能输入端包括压缩机和风扇。
作为对本发明一种便携式铝-空燃料电池和热泵耦合循环制热系统的改进：
所述热泵系统中的工质是制冷剂，铝-空燃料电池循环系统中的工质是电解液。
作为对本发明一种便携式铝-空燃料电池和热泵耦合循环制热系统的改进：
所述制冷剂为R134a；所述电解液为盐溶液或碱溶液。
作为对本发明一种便携式铝-空燃料电池和热泵耦合循环制热系统的改进：
所述蒸发器为板式换热器。
本发明还提供一种便携式铝-空燃料电池和热泵耦合循环制热系统使用方法，包括以下步骤：
1)、压缩机将蒸发器出来的低压气态制冷工质进行加压升温，转变成高温高压气态工质进入冷凝器；获得高品位热源；
2)、通过风扇将冷凝器中的高温高压气态工质与环境进行强制换热，使高温高压气态工质降温，转变成低温液态工质；既可提高室内环境温度也可用作其它用途；
3)、低温液态工质流经节流阀进行降压，转变成低温低压液态工质流入蒸发器的制冷工质管道；
4)、低温低压液态工质在蒸发器中与高温电解液换热，液态的低压低温工质吸热相变，转变成低压气态制冷工质进入压缩机，进行下一轮制冷循环；
5)、铝-空燃料电池模组放电反应得到电能，为水泵、风扇和压缩机供电；
6)、铝-空燃料电池模组放电反应时产生大量废热使电解液升温，高温电解液在水泵作用下进入蒸发器中与低压低温液态工质换热，转变成常温电解液，再进入铝-空燃料电池模组完成循环。
作为对本发明一种便携式铝-空燃料电池和热泵耦合循环制热系统使用方法的改进：
所述铝-空燃料电池模组产生的电能多余的电可储存起来，作为一般电池与其它外部设备连接。
本发明一种便携式铝-空燃料电池和热泵耦合循环制热系统及使用方法的技术优势为：
热泵系统是利用逆卡诺循环原理，从低温热源进行吸热，并向高温热源进行放热，实现低品位热能向高品位热能的转换。在该装置中，热泵将以电池放电产生的废热为低温热源从中吸取热量，由冷凝器将热量带至室内，达到室内取暖目的。此系统中热泵在工作时，需要对风扇和压缩机进行供电，该电能由铝-空燃料电池提供。同时，热泵将电池放电产生的有害热量带走，确保铝-空燃料电池能够持续稳定工作，故而两个系统相辅相成。
本发明将铝-空燃料电池和热泵有效结合，充分发挥二者的优势，既确保了铝-空燃料电池的稳定运行，又能有效利用电池废热，将低品位热能转化为高品位热能。
具体为：
1、由铝-空燃料电池产生的热能作为与热泵耦合供热的热源，将铝和空气作为电池材料，无污染可回收循环且稳定可靠，对环境十分友好，对节能减排具有很大的益处。铝金属比能量大，质量轻，为其便携性提供了很好的条件。
2、铝-空燃料电池与热泵系统耦合，可将部分余热用于热泵系统，解决了铝-空燃料电池在使用过程中因附带产生巨大热量导致电池热失控的问题，在保证电池的稳定运行的同时又充分利用了废热，实现节能减排。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
图1是本发明一种便携式铝-空燃料电池和热泵耦合循环制热系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。
实施例1、一种便携式铝-空燃料电池和热泵耦合循环制热系统，如图1所示，包括铝-空燃料电池循环系统9和热泵系统2。
热泵系统2包括压缩机3、冷凝器4、风扇5、节流阀6和蒸发器7，另外还包括其他辅助部件，以及保证正常运行用的保护装置及电气控制装置等；热泵系统2中的工质是制冷剂，如R134a。
铝-空燃料电池循环系统9包括铝-空燃料电池模组1，蒸发器7和水泵8；铝-空燃料电池循环系统9中的工质是电解液，常用盐溶液或碱溶液。
热泵系统2内的制冷剂和铝-空燃料电池循环系统9内的电解液在蒸发器7中进行热交换；蒸发器7为板式换热器，内设换热介质管道和制冷工质管道，具有换热效率高、重量轻、价格低等优点。
压缩机3的出口与冷凝器4的进口连接；压缩机3将气态低压工质进行加压升温，转变成高温高压气态工质流入冷凝器4的进口；冷凝器4的出口经过节流阀6与蒸发器7的制冷工质管道进口连接；蒸发器7的制冷工质出口与压缩机3的进口连接。冷凝器4上设置有风扇5，通过风扇5对冷凝器4与环境进行强制换热。
铝-空燃料电池模组1的出口与水泵8进口连接，水泵8出口与蒸发器7的换热介质管道进口连接，将铝-空燃料电池模组1产生的高温电解液送入蒸发器7进行热交换；蒸发器7的换热介质管道出口与铝-空燃料电池模组1的进口连接，将冷却后的电解液送入电池模组进行放电反应，并进入下个循环。
铝-空燃料电池模组1的电极和热泵系统的电能输入端连接，热泵系统的电能输入端包括压缩机3和风扇5等耗电单元。
本发明的使用方法为：
1)、压缩机3将气态低压工质升温升压，转变成高温高压气态工质进入冷凝器4；
2)、通过风扇5对冷凝器4中的工质与环境进行强制换热；
3)、低温制冷剂工质流经节流阀6进行降压，转变成低压低温液态工质流入蒸发器7；
4)、低压低温液态工质在蒸发器7中与高温电解液换热，液态的低压低温工质吸热相变，转变成气态工质进入压缩机3，完成热泵循环；
5)、铝-空燃料电池模组1放电反应得到电能，为水泵8、风扇5和压缩机3供电；
6)、铝-空燃料电池模组1放电反应时产生大量废热使电解液升温，高温电解液在水泵8作用下进入蒸发器7中与低压低温液态工质换热，转变成常温电解液，再进入铝-空燃料电池模组1完成循环；
7)、铝-空燃料电池模组1产生的电能除了供给上述耗电设备的电能以外，多余的电可储存起来，作为一般电池与其它外部设备连接。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种便携式铝-空燃料电池和热泵耦合循环制热系统，其特征在于：包括铝-空燃料电池循环系统(9)和热泵系统(2)；
所述热泵系统(2)包括压缩机(3)、冷凝器(4)、风扇(5)、节流阀(6)和蒸发器(7)；
所述铝-空燃料电池循环系统(9)包括铝-空燃料电池模组(1)、蒸发器(7)和水泵(8)；
所述压缩机(3)的出口与冷凝器(4)的进口连接；冷凝器(4)的出口经过节流阀(6)与蒸发器(7)的制冷工质管道进口连接；蒸发器(7)的制冷工质管道出口与压缩机(3)的进口连接；
所述铝-空燃料电池模组(1)的出口与水泵(8)进口连接，水泵(8)出口与蒸发器(7)的换热介质管道进口连接，蒸发器(7)的换热介质管道出口与铝-空燃料电池模组(1)的进口连接；
所述铝-空燃料电池模组(1)的电极和热泵系统的电能输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种便携式铝-空燃料电池和热泵耦合循环制热系统，其特征在于：
所述冷凝器(4)上设置有风扇(5)。
3.根据权利要求2所述的一种便携式铝-空燃料电池和热泵耦合循环制热系统，其特征在于：
所述热泵系统的电能输入端包括压缩机(3)和风扇(5)。
4.根据权利要求3所述的一种便携式铝-空燃料电池和热泵耦合循环制热系统，其特征在于：
所述热泵系统(2)中的工质是制冷剂，铝-空燃料电池循环系统(9)中的工质是电解液。
5.根据权利要求4所述的一种便携式铝-空燃料电池和热泵耦合循环制热系统，其特征在于：
所述制冷剂为R134a；所述电解液为盐溶液或碱溶液。
6.根据权利要求5所述的一种便携式铝-空燃料电池和热泵耦合循环制热系统，其特征在于：
所述蒸发器(7)为板式换热器。
7.利用如权利要求1-6任一所述的一种便携式铝-空燃料电池和热泵耦合循环制热系统的一种便携式铝-空燃料电池和热泵耦合循环制热系统使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)、压缩机(3)将蒸发器(7)出来的低压气态制冷工质进行加压升温，转变成高温高压气态工质进入冷凝器(4)；获得高品位热源；
2)、通过风扇(5)将冷凝器(4)中的高温高压气态工质与环境进行强制换热，使高温高压气态工质降温，转变成低温液态工质；既可提高室内环境温度也可用作其它用途；
3)、低温液态工质流经节流阀(6)进行降压，转变成低温低压液态工质流入蒸发器(7)的制冷工质管道；
4)、低温低压液态工质在蒸发器(7)中与高温电解液换热，液态的低压低温工质吸热相变，转变成低压气态制冷工质进入压缩机(3)，进行下一轮制冷循环；
5)、铝-空燃料电池模组(1)放电反应得到电能，为水泵(8)、风扇(5)和压缩机(3)供电；
6)、铝-空燃料电池模组(1)放电反应时产生大量废热使电解液升温，高温电解液在水泵(8)作用下进入蒸发器(7)中与低压低温液态工质换热，转变成常温电解液，再进入铝-空燃料电池模组(1)完成循环。
8.根据权利要求7所述的一种便携式铝-空燃料电池和热泵耦合循环制热系统使用方法，其特征在于：
所述铝-空燃料电池模组(1)产生的电能多余的电可储存起来，作为一般电池与其它外部设备连接。
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