CN114413505B - 一种利用燃料电池余热的复合吸收式制冷系统 - Google Patents
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Abstract
一种利用燃料电池余热的复合吸收式制冷系统，其特征在于：包括燃料电池模块和吸收制冷循环模块，所述吸收制冷循环模块包括依次连接形成循环的制冷剂再生装置、制冷剂蒸发装置和制冷剂吸收装置，所述燃料电池模块产生的废热传递给所述制冷剂再生装置后从吸收剂中再生出制冷剂，再生出的制冷剂进入所述制冷剂蒸发装置向外输出冷量后进入所述制冷剂吸收装置，在制冷剂吸收装置中，制冷剂被吸收剂所吸收，然后回到制冷剂再生装置形成循环。本发明利用氢气和空气的电化学反应驱动，既能通过高温质子交换膜燃料电池产生电能，又能利用燃料电池废热制冷。
Description
技术领域
本发明涉及制冷设备系统技术领域，尤其涉及一种利用燃料电池余热的复合吸收式制冷系统。
背景技术
燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能，不受卡诺循环效应的限制，因此效率高。燃料电池用燃料和氧气作为原料，同时没有机械传动部件，故排放出的有害气体极少，使用寿命长。由此可见，从节约能源和保护生态环境的角度来看，燃料电池是最有发展前途的发电技术。以氢气为代表的氢能源因清洁高效零碳排放受到了国内外广泛关注。在氢气的利用中，以氢气为燃料的高温质子交换膜燃料电池作为燃料电池中的其中一种，可以高效的将化学能转化产生出为电能。但即使效率提高，电池内部仍会产生40~50%的废热。在现有技术中，产生的这部分废热只能自然耗散在周围环境中而不能够得到有效的回收利用。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种利用燃料电池余热的复合吸收式制冷系统，利用余热驱动的吸收式制冷系统对废气热量重新利用，从而达到节能的效果，实现冷热电联产目的。
为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：
一种利用燃料电池余热的复合吸收式制冷系统，其特征在于：包括燃料电池模块和吸收制冷循环模块，所述吸收制冷循环模块包括依次连接形成循环的制冷剂再生装置、制冷剂蒸发装置和制冷剂吸收装置，所述燃料电池模块产生的废热传递给所述制冷剂再生装置后从吸收剂中再生出制冷剂，再生出的制冷剂进入所述制冷剂蒸发装置向外输出冷量后进入所述制冷剂吸收装置，在制冷剂吸收装置中，制冷剂被吸收剂所吸收，然后回到制冷剂再生装置形成循环。
进一步的，还包括用于将所述燃料电池模块中的废热传递给所述吸收制冷循环模块的冷却油循环模块，所述冷却油循环模块包括油泵和第一换热器，所述燃料电池模块、油泵和第一换热器依次相连接，所述制冷剂再生装置包括依次相连的气液分离器、风冷式冷凝器和第一储液罐，所述制冷剂吸收装置包括依次相连的压缩机、风冷式翅片管吸收器、第二储液罐和溶液泵，所述溶液泵的出口端依次连接第一换热器和气液分离器，所述第一储液罐的出口端依次与所述制冷剂蒸发装置和所述压缩机的入口端相连接，气液分离器的出口端还与风冷式翅片管吸收器相连接。
进一步的，所述制冷剂蒸发装置包括第一针型节流阀、毛细管和板式蒸发器，所述第一储液罐的出口端依次与所述第一针型节流阀、毛细管、板式蒸发器以及压缩机的入口端相连接，所述板式蒸发器还与冷冻水管道相连接。
进一步的，所述制冷剂蒸发装置还包括回热器，所述回热器的入口端分别与所述第一储液罐、板式蒸发器的出口端相连接，所述回热器的出口端分别与所述第一针型节流阀、压缩机的入口端相连接。
进一步的，在所述制冷剂吸收装置和制冷剂再生装置之间设置有第二换热器，所述溶液泵的出口端经过所述第二换热器与所述第一换热器相连接，所述气液分离器的出口端经过所述第二换热器与所述风冷式翅片管吸收器相连接。
进一步的，在所述制冷剂蒸发装置中还包括第二针型节流阀，所述第二针型节流阀与所述第一针型节流阀和毛细管相并联。
进一步的，在所述回热器和压缩机之间设置有止回阀，在压缩机的入口端和出口端分别设置有第一球阀和第二球阀，还设置有串联的第三球阀和旋拧阀与串联的第一球阀、压缩机和第二球阀相互并联。
进一步的，所述吸收制冷循环模块中采用R134a/二甲醚四甘醇二元溶液作为循环工质，其中R134a作为制冷剂，二甲醚四甘醇作为吸收剂。
进一步的，所述第二换热器和风冷式翅片管吸收器之间设置有节流阀。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、本发明利用氢气和空气的电化学反应驱动，既能通过高温质子交换膜燃料电池产生电能，又能利用燃料电池废热制冷。2、利用燃料电池的部分电量驱动吸收式制冷系统中压缩机，达到提高制冷稳定性和系统效率的目的。3、燃料电池和吸收式制冷系统通过冷却油循环连接，互不传质，使得燃料电池的废热能被利用到吸收式制冷系统中。4、采用复合吸收式制冷系统设计，可以深度利用废热从而获得冷量，提升了系统的能量利用效率。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
其中：1-燃料电池模块；2-油泵；3-第一换热器；4-气液分离器；5-第二换热器；6-溶液泵；7-第二储液罐；8-风冷式翅片管吸收器；9-第二球阀；10-压缩机；11-旋拧阀；12-第三球阀；13-第一球阀；14-止回阀；15-回热器；16-第一针型节流阀；17-第二针型节流阀；18-毛细管；19-板式蒸发器；20-第一储液罐；21-风冷式冷凝器；22-冷冻水管道；23-节流阀；101-热管理系统；102-电堆系统；103-氢气；104-空气。
具体实施方式
为了加深本发明的理解，下面我们将结合附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
图1示出了一种利用燃料电池余热的复合吸收式制冷系统的具体实施例，包括燃料电池模块1和吸收制冷循环模块，吸收制冷循环模块包括依次连接形成循环的制冷剂再生装置、制冷剂蒸发装置和制冷剂吸收装置，燃料电池模块1产生的废热传递给制冷剂再生装置后从吸收剂中再生出制冷剂，再生出的制冷剂进入制冷剂蒸发装置向外输出冷量后进入制冷剂吸收装置，在制冷剂吸收装置中，制冷剂被吸收剂所吸收，然后回到制冷剂再生装置形成循环。
优选的，燃料电池模块1中包括热管理系统101和电堆系统102，其中的电堆系统102采用高温质子交换膜燃料电池，而热管理系统101通过冷却油循环模块与吸收制冷循环模块连接。采用高温质子交换膜燃料电池的电堆系统102通过电化学反应将通入的氢气103和空气104转化为电能、热能和反应后生成的无污染废气，热管理系统101通过管路的布置使冷却油在燃料电池中吸收电化学反应所产生的废热。
冷却油循环模块由油泵2、第一换热器3、热管理系统101组成循环回路，冷却油在燃料电池模块1中吸收废热后由油泵2泵送到第一换热器3中放热冷却，随后再次回到燃料电池内进行废热吸收，冷却油在吸收高温质子交换膜燃料电池的废热后，进入第一换热器3前的温度为100~150℃，其中第一换热器3采用板式发生器。
吸收制冷循环模块包括依次连接形成循环的制冷剂再生装置、制冷剂蒸发装置和制冷剂吸收装置，其中第二换热器5和气液分离器4与第一换热器3相连接，第二换热器5连接溶液泵6，溶液泵6连接第二储液罐7，储液罐7连接风冷式翅片管吸收器8，气液分离器4连接第二换热器5和风冷式冷凝器21，风冷式冷凝器21连接第一储液罐20。风冷式翅片管吸收器8连接第二换热器5和压缩机回路，第二换热器5和风冷式翅片管吸收器8之间设置有节流阀23。压缩机回路由旋拧阀11、第三球阀12组成的串联支路和第一球阀9、压缩机10、第二球阀13组成的串联支路以并联形式组成，压缩机10的电源由燃料电池模块1产生的电能提供。压缩机回路连接回热器15，回热器15与压缩机回路之间设置止回阀14，回热器15连接储液罐20和节流回路，节流回路由毛细管18、第一针型节流阀16组成的串联支路和第二针型阀17以并联形式组成。节流回路连接板式蒸发器19，板式蒸发器19冷冻水回水温度为10~20℃，板式蒸发器19连接回热器15，储液罐20连接风冷式冷凝器21，吸收式制冷循环模块中采用R134a/二甲醚四甘醇二元溶液作为循环工质对，其中R134a作为制冷剂，二甲醚四甘醇作为吸收剂。
上述实施例的具体工作过程及原理如下：
向采用高温质子交换膜燃料电池的电堆系统102中送入氢气103和空气104，在电堆系统102内经过电化学反应输出电功率和产生废热，生成产物为水蒸气和过量空气的无污染混合物废气，热管理系统101通过将冷却油在布置的管路中循环，使其对燃料电池的废热进行吸收。
冷却油在冷却油循环模块的回路中流动，实现将燃料电池废热带到吸收制冷循环模块中。循环回路中的油泵2使得冷却油能流动起来，冷却油在电堆系统102中吸收废热进入第一换热器3中放热冷却，将热量传递给R134a/二甲醚四甘醇二元溶液，随后再次回到燃料电池内进行废热吸收，冷却油在吸收电堆系统102的废热后，进入第一换热器3前的温度为100~150℃。
送入第一换热器3的冷却油对R134a/二甲醚四甘醇溶液进行加热，溶液加热后进入气液分离器4，在气液分离器4中，二元溶液中大部分的R134a被蒸发出来成为R134a气体进入到风冷式冷凝器21中，R134a气体被冷凝后成为R134a液体进入第一储液罐20，第一储液罐20流出的R134a液体进入回热器15与板式蒸发器19出来的R134a蒸气进行热交换获得一定温降，温度降低后的R134a液体通过节流回路进入板式蒸发器19蒸发吸收，其中通过调节节流回路的第一针型节流阀16和第二针型节流阀17可控制进入蒸发器的R134a气液混合物的量，蒸发的R134a气体从板式蒸发器19出来后进入回热器15对第一储液罐20出来的R134a液体进行热交换并获得一定温升。回热器15出来的R134a气体进入压缩机回路，其中压缩机回路可通过调节旋拧阀11、第三球阀12改变进入压缩机10的R134a气体量，压缩机10的电源来源于燃料电池产生的电能。气液分离器4中的二元溶液由于低沸点的R134a从溶液中蒸发出来，所以气液分离器4中剩下来的为R134a稀溶液，R134a稀溶液依次经过第二换热器5换热降温和节流阀23降压后，与获得压缩机10加压后的R134a气体混合进入风冷式翅片管吸收器8中进行冷却吸收，达到饱和状态后进入第二储液罐7中，第二储液罐7中的R134a浓溶液通过溶液泵6送至第二换热器5与气液分离器4出来的R134a稀溶液进行换热，加热预热后的R134a浓溶液进入第一换热器3再次被冷却油加热开始下一轮循环。
回水温度为10~20℃冷冻水通过冷冻水管道22进入板式蒸发器19被R134a制冷剂冷却，从而获得制冷效果；吸收器和冷凝器都为风冷式，通过强制常温空气对流换热达到对冷凝器、吸收器中液体降温的效果。
上述具体实施方式，仅为说明本发明的技术构思和结构特征，目的在于让熟悉此项技术的相关人士能够据以实施，但以上内容并不限制本发明的保护范围，凡是依据本发明的精神实质所作的任何等效变化或修饰，均应落入本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种利用燃料电池余热的复合吸收式制冷系统，其特征在于：包括燃料电池模块（1）和吸收制冷循环模块，所述吸收制冷循环模块包括依次连接形成循环的制冷剂再生装置、制冷剂蒸发装置和制冷剂吸收装置，所述燃料电池模块（1）产生的废热传递给所述制冷剂再生装置后从吸收剂中再生出制冷剂，再生出的制冷剂进入所述制冷剂蒸发装置向外输出冷量后进入所述制冷剂吸收装置，在制冷剂吸收装置中，制冷剂被吸收剂所吸收，然后回到制冷剂再生装置形成循环；
还包括用于将所述燃料电池模块（1）中的废热传递给所述吸收制冷循环模块的冷却油循环模块，所述冷却油循环模块包括油泵（2）和第一换热器（3），所述燃料电池模块（1）、油泵（2）和第一换热器（3）依次相连接，所述制冷剂再生装置包括依次相连的气液分离器（4）、风冷式冷凝器（21）和第一储液罐（20），所述制冷剂吸收装置包括依次相连的压缩机（10）、风冷式翅片管吸收器（8）、第二储液罐（7）和溶液泵（6），所述溶液泵（6）的出口端依次连接第一换热器（3）和气液分离器（4），所述第一储液罐（20）的出口端依次与所述制冷剂蒸发装置和所述压缩机（10）的入口端相连接，气液分离器（4）的出口端还与风冷式翅片管吸收器（8）相连接；
在所述制冷剂吸收装置和制冷剂再生装置之间设置有第二换热器（5），所述溶液泵（6）的出口端经过所述第二换热器（5）与所述第一换热器（3）相连接，所述气液分离器（4）的出口端经过所述第二换热器（5）与所述风冷式翅片管吸收器（8）相连接。
2.根据权利要求1所述一种利用燃料电池余热的复合吸收式制冷系统，其特征在于：所述制冷剂蒸发装置包括第一针型节流阀（16）、毛细管（18）和板式蒸发器（19），所述第一储液罐（20）的出口端依次与所述第一针型节流阀（16）、毛细管（18）、板式蒸发器（19）以及压缩机（10）的入口端相连接，所述板式蒸发器（19）还与冷冻水管道（22）相连接。
3.根据权利要求2所述一种利用燃料电池余热的复合吸收式制冷系统，其特征在于：所述制冷剂蒸发装置还包括回热器（15），所述回热器（15）的入口端分别与所述第一储液罐（20）、板式蒸发器（19）的出口端相连接，所述回热器（15）的出口端分别与所述第一针型节流阀（16）、压缩机（10）的入口端相连接。
4.根据权利要求3所述一种利用燃料电池余热的复合吸收式制冷系统，其特征在于：在所述制冷剂蒸发装置中还包括第二针型节流阀（17），所述第二针型节流阀（17）与所述第一针型节流阀（16）和毛细管（18）相并联。
5.根据权利要求4所述一种利用燃料电池余热的复合吸收式制冷系统，其特征在于：在所述回热器（15）和压缩机（10）之间设置有止回阀（14），在压缩机（10）的入口端和出口端分别设置有第一球阀（13）和第二球阀（9），还设置有串联的第三球阀（12）和旋拧阀（11）与串联的第一球阀（13）、压缩机（10）和第二球阀（9）相互并联。
6.根据权利要求5所述一种利用燃料电池余热的复合吸收式制冷系统，其特征在于：所述吸收制冷循环模块中采用R134a/二甲醚四甘醇二元溶液作为循环工质，其中R134a作为制冷剂，二甲醚四甘醇作为吸收剂。
7.根据权利要求6所述一种利用燃料电池余热的复合吸收式制冷系统，其特征在于：所述第二换热器（5）和风冷式翅片管吸收器（8）之间设置有节流阀（23）。
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| CN (1) | CN114413505B (zh) |
Citations (7)
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-
2021
- 2021-12-20 CN CN202111565296.8A patent/CN114413505B/zh active Active
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