CN113175765A - 一种与pemfc联供的电渗再生吸附式制冷系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种与PEMFC联供的电渗再生吸附式制冷系统，包括第一吸附床、第二吸附床、第一冷凝器、第二冷凝器、第一蒸发器、第二蒸发器、补水系统、热水箱、冷却塔、冷冻水箱、PEMFC系统和储气罐，与现有技术相比，本发明采用电渗再生技术以及吸附式制冷系统与PEMFC系统联供技术，吸附式制冷系统利用PEMFC系统工作产生的余热运行，可快速形成电渗流，提升吸附剂再生速率，缩短解吸周期，提高吸附式制冷系统的性能，电解产生的副产物氢气可被燃料电池所吸收并由蓄电池储存利用，氧气可进入储气罐储存利用，达到节能环保，能源最大化利用的目的。

Description

一种与PEMFC联供的电渗再生吸附式制冷系统

技术领域

本发明涉及吸附式制冷技术领域，尤其涉及一种与PEMFC联供的电渗再生吸附式制冷系统。

背景技术

质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其能源转换效率高、排放无污染、燃料来源广、操作温度低和启停迅速等特点成为一种极具商业化推广潜力的节能环保技术。而PEMFC运行时会产生大量余热，为符合节能环保的生态理念，余热利用成为目前热门的研究问题。

有研究显示，将燃料电池余热用于热电联产(CHP)系统可使系统效率增加到85％，高于仅利用燃料电池供电时的情况。燃料电池余热可用于驱动冷电联供系统(CCP)或冷热电三联供系统(CCHP)。结合PEMFC的冷热电联供可提供绿色清洁的供热制冷方式，实现能量的梯级利用，是燃料电池余热回收的理想方式之一。

吸附式制冷技术是一种热驱动的制冷技术，可采用工业、尾气余热、太阳能等低品位热源，因此PEMFC运行产生的余热可应用于吸附式制冷技术之中。吸附式制冷采用天然工质(水、甲醇、氨)作为制冷剂，对环境无破坏作用。与吸收式制冷相比，其具有以下优点：(1)无精馏和结晶问题，系统结构简单，控制简便；(2)系统无运动部件，运行时无噪声且抗颠簸能力强；(3)系统运行费用低，维护简单。正因为具备多种的优势，吸附式制冷技术得到了广泛的关注和研究。硅胶-水吸附式制冷系统因适用于低品位热源和材料来源广泛而具有较好的发展前景。首先硅胶是一种物理吸附剂，其来源广泛、性质稳定且价格便宜，可在较低温度下发生解吸(55℃下即可发生)。其次水是一种安全无毒、来源广泛的制冷剂。最后在55-90℃的热源条件下，可制取5-15℃的冷水，满足建筑空调系统的制冷需求。但是目前硅胶-水吸附式制冷系统存在循环吸附量小，单位质量吸附剂的制冷功率(SCP)小，性能系数(COP)低，机组体积大，循环周期长等问题。这也时的许多学者对此展开研究和优化。

为满足节能环保安全及小型化的要求，电渗再生法成为近几年广泛关注的应用与研究课题。电渗效应是指电场中液体相对于带电固体表面的移动，近年来电渗效应被应用于固体除湿剂的再生。将其应用于硅胶-水吸附式制冷系统可快速形成电渗流，提升吸附剂再生速率，缩短解吸周期，提高吸附式制冷系统的性能，电解产生的副产物氢气可被PEMFC系统所吸收，氧气可储存进行利用，达到节能环保，能源最大化利用的目的。

因此，有效结合电渗再生法与吸附制冷技术，同时与PEMFC系统联供，具有重要的现实意义。本发明即着眼于设计一种与PEMFC联供的电渗再生吸附式制冷系统，使其能够满足电渗效应应用的需求。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种与PEMFC联供的电渗再生吸附式制冷系统，相比于传统的吸附式制冷系统，其具有更高的吸附剂再生速率与更短的解吸周期，提高系统的性能，同时其利用PEMFC产生的余热工作且其电解产生的副产物氢气和氧气也可被燃料电池安全有效去除并加以储存利用，达到节能环保的目的。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

本发明包括第一吸附床、第二吸附床、第一冷凝器、第二冷凝器、第一蒸发器、第二蒸发器、补水系统、热水箱、冷却塔、冷冻水箱、PEMFC系统和储气罐，所述热水箱的出水端同时与第一阀门的第一端和第三阀门的第一端连接，所述热水箱的进水端同时与第二阀门的第一端和第四阀门的第一端连接，所述第一吸附床的水路一端与第一阀门的第二端连接，所述第一吸附床的水路另一端与第二阀门的第二端连接，第一阀门的第三端同时与第一冷凝器的第一水循环端和第三阀门的第二端连接，第一冷凝器的第二水循环端与第二冷凝器的第一水循环端连接，第二冷凝器的第二水循环端与冷却塔的出水端连接，冷却塔的进水端同时与第二阀门的第三端、第四阀门的第二端连接，第四阀门的第三端与第二吸附床的水路一端连接，第三阀门的第三端与第二吸附床的水路第二端连接，所述补水系统的出水口通过第十二阀门分别与第一冷凝器和第二冷凝器的进水端连接，所述第一吸附床和所述第二吸附床的氢气出口通过第十阀门后再经第一冷凝器冷凝后输入至PEMFC系统，所述第一吸附床和所述第二吸附床的氧气出口通过第十一阀门后再经第二冷凝器后输入至储气罐，PEMFC系统的电源端分别与第一吸附床和第二吸附床的电源端连接，所述第一冷凝器的排水端通过第八阀门与第一蒸发器的进水端连接，所述第一蒸发器的排汽口通过第十三阀门与第一吸附床的进汽端连接，第一蒸发器的排气口通过第十四阀门与第一吸附床的进气端连接，第一蒸发器的水循环口通过第七阀门与第二蒸发器的水循环口连接，第一蒸发器的排水口和第二蒸发器的排水口通过第六阀门与冷冻水箱的进水口连接，冷冻水箱的排水口通过第五阀门分别与第一蒸发器的进水口和第二蒸发器进水口连接，所述第二蒸发器的排汽口通过第十五阀门与第二吸附床的进汽端连接，所述第二蒸发器的排气口通过第十六阀门与第二吸附床的进气端连接。

优选的，所述第一冷凝器和所述第二冷凝器均为水冷式冷凝器。用于冷凝吸附剂且使其与副产物气体分离；

进一步，所述第一吸附床和所述第二吸附床均为基于电渗效应再生的双螺旋结构翅片管式吸附床。所述基于电渗效应再生的双螺旋结构翅片管式吸附床包括传热管、进气管、第一端盖、电极引线、外层金属套管、内层密封管、连接螺栓、密封垫片、排气管、第二端盖、气流通道、吸附材料和金属孔板电极，所述第一端盖和所述第二端盖分别通过一个所述密封垫片与所述外层金属套管的两端通过所述连接螺栓密封连接，所述内层密封管设置于所述外层金属套管的内壁，所述传热管的两端穿过所述第一端盖和所述第二端盖，所述第一端盖上设置所述进气管，所述第二端盖上设置所述排气管，所述金属孔板电极为双层螺旋结构，所述金属孔板电极固定设置于所述传热管的外壁，所述传热管的外壁绝缘处理，所述金属孔板电极设置于所述内层密封管内，双层的所述金属孔板电极之间填充所述吸附材料，所述金属孔板电极之间的螺旋间隙设置所述气流通道，两层所述金属孔板电极以相反方式连接所述电极引线，且所述电极引线引出于所述外层金属套管外与PEMFC系统连接。

进一步，所述进气管为两个，两个所述进气管设置于所述第一端盖的两侧。

优选的，所述吸附材料为硅胶。硅胶具有良好的吸湿能力，能够快速地吸附空气中的水分，以便后续电渗透除湿。需要特别指出的是，本发明所述吸附材料为硅胶仅示意性用于解释和说明本发明，并不构成对本发明的不当限定并不对本发明，本发明涉及内容适用于所有电渗效应适用的吸附材料。

优选的，所述金属孔板电极为导电耐腐蚀材料。

优选的，所述导电耐腐蚀材料为钛金属。钛金属具有电阻低，不易腐蚀等优点，能够降低电功率损耗，十分适用于作为金属孔板电极。较多的比较试验表明，采用上述材料作为正负极材料，不仅能够提高电渗的效率，进而提高吸附剂再生解吸效果，还能够延长电极的使用寿命。

本发明的有益效果在于：

本发明是一种与PEMFC联供的电渗再生吸附式制冷系统，与现有技术相比，本发明采用电渗再生技术以及吸附式制冷系统与PEMFC系统联供技术，吸附式制冷系统利用PEMFC系统工作产生的余热运行，可快速形成电渗流，提升吸附剂再生速率，缩短解吸周期，提高吸附式制冷系统的性能，电解产生的副产物氢气可被燃料电池所吸收并由蓄电池储存利用，氧气可进入储气罐储存利用，达到节能环保，能源最大化利用的目的。

附图说明

图1为该吸附式制冷系统中电渗再生吸附床示意图

图2为该吸附式制冷系统的结构示意图(预热预冷过程)

图3为该吸附式制冷系统的结构示意图(电渗再生过程)

图4为该吸附式制冷系统的结构示意图(加热再生过程)

图5为该吸附式制冷系统的结构示意图(回质过程)

图6为该吸附式制冷系统的结构示意图(补水过程)

图7为该吸附式制冷系统与PEMFC联供的流程图

图8为吸附床的剖面结构示意图；

图9为吸附床的一侧结构示意图；

图10为吸附床的另一侧结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图2所示：本发明包括第一吸附床、第二吸附床、第一冷凝器、第二冷凝器、第一蒸发器、第二蒸发器、补水系统、热水箱、冷却塔、冷冻水箱、PEMFC 系统和储气罐，所述热水箱的出水端同时与第一阀门的第一端和第三阀门的第一端连接，所述热水箱的进水端同时与第二阀门的第一端和第四阀门的第一端连接，所述第一吸附床的水路一端与第一阀门的第二端连接，所述第一吸附床的水路另一端与第二阀门的第二端连接，第一阀门的第三端同时与第一冷凝器的第一水循环端和第三阀门的第二端连接，第一冷凝器的第二水循环端与第二冷凝器的第一水循环端连接，第二冷凝器的第二水循环端与冷却塔的第一端连接，冷却塔的第二端同时与第二阀门的第三端、第四阀门的第二端连接，第四阀门的第三端与第二吸附床的水路一端连接，第三阀门的第三端与第二吸附床的水路第二端连接，所述补水系统的出水口通过第十二阀门分别与第一冷凝器和第二冷凝器的进水端连接，所述第一吸附床和所述第二吸附床的氢气出口通过第十阀门后再经第一冷凝器冷凝后输入至PEMFC系统，所述第一吸附床和所述第二吸附床的氧气出口通过第十一阀门后再经第二冷凝器后输入至储气罐， PEMFC系统的电源端分别与第一吸附床和第二吸附床的电源端连接，所述第一冷凝器的排水端通过第八阀门与第一蒸发器的进水端连接，所述第一蒸发器的排汽口通过第十三阀门与第一吸附床的进汽端连接，第一蒸发器的排气口通过第十四阀门与第一吸附床的进气端连接，第一蒸发器的水循环口通过第七阀门与第二蒸发器的水循环口连接，第一蒸发器的排水口和第二蒸发器的排水口通过第六阀门与冷冻水箱的进水口连接，冷冻水箱的排水口通过第五阀门分别与第一蒸发器的进水口和第二蒸发器进水口连接，所述第二蒸发器的排汽口通过第十五阀门与第二吸附床的进汽端连接，所述第二蒸发器的排气口通过第十六阀门与第二吸附床的进气端连接。第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门开启，其余关闭，系统进行预热预冷过程：从热水箱流出的热水通过第一阀门进入第一吸附床，使其温度逐渐升至解吸温度，然后经第二阀门返回热水箱；从冷却塔中流出的冷却水通过冷凝器后经第三阀门进入第二吸附床，使其温度逐渐下降到吸附温度，然后经第四阀门返回冷却塔。

蒸发器用于低温冷凝液体与冷冻水箱产生的冷媒水进行热交换，汽化吸热，达到制冷的效果；补水系统用于当系统吸附解吸过程完毕后，冷凝器内液态水过少时，第十二阀门打开进行补水；热水箱用于提供热水进行解吸过程；冷却塔用于提供冷却水进行吸附过程；冷冻水箱用于提供冷媒水进行热交换，从而产生冷量，达到制冷目的；PEMFC系统运行产生余热可提供本吸附式制冷系统利用，且燃料电池可用于吸收由于电渗效应发生而产生的副产物氢气并由蓄电池储存利用，形成联供，同时实现节能环保，能源最大化利用的目的；

所述储气罐用于储存由于电渗效应发生而产生的副产物氧气以备使用。

如图3所示，通过外接电源(PEMFC提供)给电极通电，系统进行电渗再生过程，解吸过程初期饱和度较高时伴随着电渗效应的发生，形成电渗流，从而帮助把吸附质内部的水迁移出来，从而提升吸附剂再生速率，缩短解吸周期，提高吸附式制冷系统的性能。当饱和度降低到一定值时，电渗流无法形成，即电渗再生过程结束。

如图4所示，第五阀门、第六阀门、第十阀门、第十一阀门开启，其余继续保持关闭状态，通入热水，系统进行加热再生过程，其中第一吸附床进行解吸过程，第二吸附床进行吸附过程，使得吸附剂实现再生：热水通过第一阀门进入第一吸附床，导致其温度逐渐升高从而发生解吸过程，水蒸气不断从第一吸附床中释放出来，除解吸产生的水蒸气外，流道中还存在由于电渗效应产生的氢气和氧气。氢气、水蒸气通过第十阀门进入第一冷凝器中，氧气、水蒸气通过第十一阀门进入第二冷凝器中；冷却水通过冷凝器后经第三阀门进入第二吸附床，导致其温度逐渐降低从而发生吸附过程，此时第五阀门、第六阀门打开，第二蒸发器内制冷剂液体由于压差的作用不断蒸发进入第二吸附床，产生的冷量由冷冻水不断带走。

如图5所示，吸附解吸过程结束后，回质阀开启，其余保持不变，系统进行回质过程：热水和冷却水流路不变，第七阀门开启，两个蒸发器内冷冻水进行循环，实现热量交换使其温度达成一致。此时第一蒸发器温度降低，压力降低，解吸过程继续进行，直至达到新平衡；第二蒸发器则温度升高，压力升高，吸附过程继续进行，实现回质目的。

如图6所示，由于电渗效应会消耗一定的制冷剂，因此设置补水系统，通过压力传感器来实时监测冷凝器中制冷剂液体的静压，当静压低于一定值时，第十二阀门开启，补水系统会自动向冷凝器内补水，实现系统的连续工作。

如图7所示，吸附式制冷系统与PEMFC系统联供，PEMFC系统供电给吸附式制冷系统，运行产生的余热也可供吸附式制冷系统利用；而由于电渗效应产生的副产物氢气也可由吸氢燃料电池吸收并由蓄电池储存利用其给吸附床电渗再生供电，不仅提高吸附式制冷系统的性能，加快解吸速率和缩短吸附剂再生周期；而且实现吸氢燃料电池与吸附床电渗再生过程的自给自足，有效解决了 PEMFC系统产生大量余热无处利用的问题。

如图8-10所示：本发明一种用于吸附制冷系统的双螺旋翅片管式吸附床，包括传热管1、进气管2、第一端盖3、电极引线4、外层金属套管5、内层密封管6、连接螺栓7、密封垫片8、排气管9、第二端盖10、气流通道11、吸附材料12和金属孔板电极13，所述第一端盖3和所述第二端盖10分别通过一个所述密封垫片8与所述外层金属套管5的两端通过所述连接螺栓7密封连接，所述内层密封管6设置于所述外层金属套管5的内壁，所述传热管1的两端穿过所述第一端盖3和所述第二端盖10，所述第一端盖3上设置所述进气管2，所述第二端盖10上设置所述排气管9，所述金属孔板电极13为双层螺旋结构，所述金属孔板电极13固定设置于所述传热管1的外壁，所述传热管1的外壁绝缘处理，所述金属孔板电极13设置于所述内层密封管6内，双层的所述金属孔板电极13之间填充所述吸附材料12，所述金属孔板电极13之间的螺旋间隙设置所述气流通道11，两层所述金属孔板电极13以相反方式连接所述电极引线4，且所述电极引线4引出于所述外层金属套管5外与PEMFC系统连接。

进一步，所述进气管2为两个，两个所述进气管2设置于所述第一端盖3 的两侧。

优选的，所述吸附材料12为硅胶。硅胶具有良好的吸湿能力，能够快速地吸附空气中的水分，以便后续电渗透除湿。需要特别指出的是，本发明所述吸附材料12为硅胶仅示意性用于解释和说明本发明，并不构成对本发明的不当限定并不对本发明，本发明涉及内容适用于所有电渗效应适用的吸附材料。所述金属孔板电极12材料为较耐腐蚀的钛金属，钛金属具有电阻低，不易腐蚀等优点，能够降低电功率损耗，十分适用于作为金属孔板电极12。较多的比较试验表明，采用上述材料作为正负极材料，不仅能够提高电渗的效率，进而提高吸附材料12再生解吸效果，还能够延长金属孔板电极13的使用寿命；

优选的，所述金属孔板电极13为导电耐腐蚀材料。

优选的，所述导电耐腐蚀材料为钛金属。

吸附床在处于吸附模式工作时，待处理气体分为两股气流，分别从一侧端盖3布置的两个进气口2进入吸附床，沿所述两块螺旋结构布置的翅片间的螺旋型气流通道11前进，同时气体通过所述金属孔板电极13的孔洞与所述吸附材料12接触完成吸附过程，直至到达翅片尾部，从布置于另一端盖上的相应出气口9排出吸附床；

吸附床在处于脱附模式工作时，所述两块螺旋结构布置的翅片的金属孔板电极13通电，发生电渗效应而开始脱附过程，除脱附产生水蒸气以外，吸附材料12中含有液态水而发生电解而产生气体，由于所述翅片为双螺旋结构布置且两块翅片在进气口2和出气口处9的电极连接方式相反，使得任意气流通道两侧金属孔板电极13电性相同而产生同种电解气而达到分离电解气体的目的，电解气体与脱附的水蒸气沿所述两块螺旋结构布置的翅片间的螺旋型气流通道11 前进，直至到达翅片尾部，从布置于另一端盖上的相应出气口9排出吸附床。

如图1所示，所述吸附床为基于电渗效应再生的双螺旋结构翅片管式吸附床，当吸附床处于吸附模式时，水蒸气通过两进气口进入吸附床并螺旋前进，同时与吸附质接触完成吸附过程；当其处于解吸模式时，通过外接电源给电极通电，使其解吸过程中伴随着电渗效应的发生，除解吸产生的水蒸气外，流道中还存在由于电渗效应产生的氢气和氧气。由于翅片结构为双螺旋结构以及电极方向相反，因此氢气氧气分别在不同流道从而实现气体分离，最终流出吸附床分别进入不同的冷凝器。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种与PEMFC联供的电渗再生吸附式制冷系统，其特征在于：包括第一吸附床、第二吸附床、第一冷凝器、第二冷凝器、第一蒸发器、第二蒸发器、补水系统、热水箱、冷却塔、冷冻水箱、PEMFC系统和储气罐，所述热水箱的出水端同时与第一阀门的第一端和第三阀门的第一端连接，所述热水箱的进水端同时与第二阀门的第一端和第四阀门的第一端连接，所述第一吸附床的水路一端与第一阀门的第二端连接，所述第一吸附床的水路另一端与第二阀门的第二端连接，第一阀门的第三端同时与第一冷凝器的第一水循环端和第三阀门的第二端连接，第一冷凝器的第二水循环端与第二冷凝器的第一水循环端连接，第二冷凝器的第二水循环端与冷却塔的出水端连接，冷却塔的进水端同时与第二阀门的第三端、第四阀门的第二端连接，第四阀门的第三端与第二吸附床的水路一端连接，第三阀门的第三端与第二吸附床的水路第二端连接，所述补水系统的出水口通过第十二阀门分别与第一冷凝器和第二冷凝器的进水端连接，所述第一吸附床和所述第二吸附床的氢气出口通过第十阀门后再经第一冷凝器冷凝后输入至PEMFC系统，所述第一吸附床和所述第二吸附床的氧气出口通过第十一阀门后再经第二冷凝器后输入至储气罐，PEMFC系统的电源端分别与第一吸附床和第二吸附床的电源端连接，所述第一冷凝器的排水端通过第八阀门与第一蒸发器的进水端连接，所述第一蒸发器的排汽口通过第十三阀门与第一吸附床的进汽端连接，第一蒸发器的排气口通过第十四阀门与第一吸附床的进气端连接，第一蒸发器的水循环口通过第七阀门与第二蒸发器的水循环口连接，第一蒸发器的排水口和第二蒸发器的排水口通过第六阀门与冷冻水箱的进水口连接，冷冻水箱的排水口通过第五阀门分别与第一蒸发器的进水口和第二蒸发器进水口连接，所述第二蒸发器的排汽口通过第十五阀门与第二吸附床的进汽端连接，所述第二蒸发器的排气口通过第十六阀门与第二吸附床的进气端连接。

2.根据权利要求1所述的与PEMFC联供的电渗再生吸附式制冷系统，其特征在于：所述第一冷凝器和所述第二冷凝器均为水冷式冷凝器。

3.根据权利要求1所述的与PEMFC联供的电渗再生吸附式制冷系统，其特征在于：所述第一吸附床和所述第二吸附床均为基于电渗效应再生的双螺旋结构翅片管式吸附床。

4.根据权利要求3所述的与PEMFC联供的电渗再生吸附式制冷系统，其特征在于：所述基于电渗效应再生的双螺旋结构翅片管式吸附床包括传热管(1)、进气管(2)、第一端盖(3)、电极引线(4)、外层金属套管(5)、内层密封管(6)、连接螺栓(7)、密封垫片(8)、排气管(9)、第二端盖(10)、气流通道(11)、吸附材料(12)和金属孔板电极(13)，所述进气管(2)为两个，两个所述进气管(2)设置于所述第一端盖(3)的两侧，所述第一端盖(3)和所述第二端盖(10)分别通过一个所述密封垫片(8)与所述外层金属套管(5)的两端通过所述连接螺栓(7)密封连接，所述内层密封管(6)设置于所述外层金属套管(5)的内壁，所述传热管(1)的两端穿过所述第一端盖(3)和所述第二端盖(10)，所述第一端盖(3)上设置所述进气管(2)，所述第二端盖(10)上设置所述排气管(9)，所述金属孔板电极(13)为双层螺旋结构，所述金属孔板电极(13)固定设置于所述传热管(1)的外壁，所述传热管(1)的外壁绝缘处理，所述金属孔板电极(13)设置于所述内层密封管(6)内，双层的所述金属孔板电极(13)之间填充所述吸附材料(12)，所述金属孔板电极(13)之间的螺旋间隙设置所述气流通道(11)，两层所述金属孔板电极(13)以相反方式连接所述电极引线(4)，且所述电极引线(4)引出于所述外层金属套管(5)外与PEMFC系统连接。

5.根据权利要求4所述的用于吸附制冷系统的双螺旋翅片管式吸附床，其特征在于：所述吸附材料(12)为硅胶。

6.根据权利要求4所述的用于吸附制冷系统的双螺旋翅片管式吸附床，其特征在于：所述金属孔板电极(13)为导电耐腐蚀材料。

7.根据权利要求6所述的用于吸附制冷系统的双螺旋翅片管式吸附床，其特征在于：所述导电耐腐蚀材料为钛金属。

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