CN1789863A - 使用燃料电池废热的制冷/制热装置 - Google Patents

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CN1789863A CNA2005101295237A CN200510129523A CN1789863A CN 1789863 A CN1789863 A CN 1789863A CN A2005101295237 A CNA2005101295237 A CN A2005101295237A CN 200510129523 A CN200510129523 A CN 200510129523A CN 1789863 A CN1789863 A CN 1789863A
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Abstract

公开了一种使用燃料电池废热的制冷/制热装置。该制冷/制热装置包括燃料电池，氢改性单元，制冷/制热单元，和制冷剂加热单元。该制冷/制热单元包括至少一个压缩机，一个4－通阀，一个室外热交换器，一个膨胀装置，和一个室内热交换器，用于建立热泵型的制冷循环。该制冷剂加热单元将从燃料电池和氢改性单元回收的废热提供至吸入端制冷剂管路以便提高制冷剂的温度，其中该吸入端制冷剂管路连接至包括在制冷/制热单元中的压缩机的吸入端。在制热操作的过程中，制冷/制热装置可实现制热性能和系统效率的提高。

Description

使用燃料电池废热的制冷/制热装置
技术领域
本发明涉及一种使用产生于燃料电池的废热的制冷/制热装置，并且，更特别地，本发明涉及一种制冷/制热装置，其中在加热操作过程中产生于燃料电池的废热被提供给压缩机的吸入端以便实现热效率的提高。
背景技术
通常，燃料电池是电化学装置，其中燃料的化学能通过电化学反应直接转换为电能。考虑其中的基本原理，燃料电池适于通过由改性化石燃料，例如石油或天然气或者纯氢所获得的氢的氧化来产生电能。在氢的氧化过程中，热量和水蒸气作为副产品而产生。
根据目前可利用的电解质的种类，燃料电池通常可被分为4种，包括磷酸燃料电池(PAFC)，熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)，固态氧化物燃料电池(SOFC)，和质子交换膜燃料电池(PEMFC)。
图1是示出使用燃料电池废热的常规热电联供系统的示意性构造图。
如图1所示，该常规的热电联产系统包括燃料电池10，和用来提供冷却水以吸收产生于燃料电池10的热量的水槽20。水槽20的冷却水适合于在燃料电池10的内部循环，从而用于使燃料电池10的内部温度保持在适当的水平并回收燃料电池10的废热。
使用冷却水从燃料电池10回收的热量连续地蓄积在水槽20中，并且，最终，所得到的热水被供给到家用或建筑物供暖系统，例如热水供应源或热水锅炉。
在图1中，附图标记12指代发电机断开开关，附图标记14指代设置在电气设备中的电气配线。
当需要在冬天加热一个有限空间时，上述的使用燃料电池10的常规热电联供系统适于利用产生于燃料电池10或者产生于使用燃料电池10的锅炉的电能。
但是，在使用锅炉的情形下，存在一个问题，即热电联供系统的尺寸过分地增加了，并且需要操作锅炉的额外成本。另一方面，在使用电能的情况下，由于热电联供系统不能使用来自燃料电池的废热，该热电联供系统将遭受整个系统效率的降低。
发明内容
因此，本发明是在考虑上述问题作出的，并且本发明的一个目的是提供一种制冷/制热装置，其中产生于燃料电池的废热被提供给一个使用制冷循环的加热单元，从而实现了废热回收效率的提高，并因此提高了制热性能。
根据本发明，上述和其它目的可通过提供一种使用燃料电池的废热的制冷/制热装置来实现，该装置包括：燃料电池；制冷/制热装置，其包括至少一个压缩机，4-通阀，室外热交换器，膨胀装置，和室内热交换器，以用于建立热泵型的制冷循环；和制冷剂加热单元，用于将从燃料电池回收的废热提供至该制冷/制热单元的制冷剂管路，以便提高制冷剂的温度。
优选地，该制冷剂加热单元可被配置以便将废热提供到连接至压缩机吸入端的吸入端制冷剂管路。
优选地，该制冷剂加热单元可包括：用于传递从燃料电池回收的热量的冷却水管；和用于将由冷却水管提供的热量传递到连接至压缩机吸入端的吸入端制冷剂管路的蓄热罐。
优选地，冷却水管可设置有温度传感器和流量传感器，以用于分别检测冷却水的温度和流量，并且还设置有用于循环冷却水的冷却水泵，和用于调节冷却水流量的流量控制阀。
优选地，蓄热罐可连接至一个管路，该管路接收由冷却水管传递的热量并将该热量提供至需热单元。
优选地，连接至压缩机吸入端的吸入端制冷剂管路可设置有旁通管和阀，用于使制冷剂绕过蓄热罐。
优选地，该制冷/制热装置可进一步包括：用于将氢提供给燃料电池的氢改性单元；和用于该氢改性单元的制冷剂加热单元，其用于将从氢改性单元回收的废热提供给吸入端制冷剂管路，该吸入端制冷剂管路连接至包括在制冷/制热单元中的压缩机的吸入端。
优选地，用于氢改性单元的制冷剂加热单元可包括：冷却水管，用于传递从氢改性单元回收的热量；和蓄热罐，用于将由冷却水管提供的热量传递至连接到压缩机吸入端的吸入端制冷剂管路。
优选地，冷却水管可设置有温度传感器和流量传感器以用于分别检测冷却水的温度和流量，并且还设置有用于循环冷却水的冷却水泵，和用于调节冷却水流量的流量控制阀。
优选地，用于氢改性单元的蓄热罐可被连接至一个管路，该管路接收由冷却水管传递的热量并将该热量提供至需热单元。
优选地，连接至压缩机吸入端的吸入端制冷剂管路可设置有旁通管和阀，以用于使制冷剂绕过蓄热罐。
通过该使用燃料电池的废热的制冷/制热装置，在制热操作过程中产生于燃料电池或氢改性单元的废热能被提供至制冷/制热单元的制冷剂管路。从而，实现制热性能和整体系统效率的提高是可能的。
进一步，由于根据燃料电池或氢改性单元的负荷变化被适当调节了水量和温度的冷却水可被提供至制冷剂管路，因而，将均匀的热量提供至制冷剂管路，从而使制热操作能够执行是可能的。
附图说明
根据下面的与附图相结合的详细说明，本发明的上述和其它的目的，特征以及其它优点将被更清晰地了解，其中附图为：
图1是示出常规燃料电池系统的示意性构造图；
图2是根据本发明第一实施例的使用来自燃料电池废热的制冷/制热装置的示意性构造图；
图3是根据本发明第二实施例的使用来自燃料电池废热的制冷/制热装置的示意性构造图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图阐述根据本发明的使用来自燃料电池废热的制冷/制热装置的示例性实施例。
虽然根据本发明的使用来自燃料电池废热的制冷/制热装置可通过多个实施例来实施，但是下面的描述将结合最优选的实施例给出。
图2是根据本发明第一实施例的使用来自燃料电池废热的制冷/制热装置的示意性构造图。
如图2所示，根据本发明第一实施例的制冷/制热装置包括呈多个电池组形式的燃料电池50。燃料电池50优选地由质子交换膜燃料电池(PEMFC)构成，但是本发明并不限定于此，而且，无可否认，本发明也可使用其它的各种类型的燃料电池。
燃料电池50适于通过诱发一个电化学反应来产生热量。考虑到燃料电池50的这种热量产生方式，本发明的制冷/制热装置还包括一个冷却单元52，其用于冷却燃料电池50以便将燃料电池50的内部温度调节到适当的水平。
冷却单元52包括蓄热罐53和冷却水管54，其中热交换在蓄热罐中执行，冷却水在冷却水管中流动以便将从燃料电池50回收的热量传递到蓄热罐53。
蓄热罐53可被配置以用于储存流过冷却水管54的冷却水，或者被配置成用于储存传热流体，当该传热流体流过冷却水管54时其接收冷却水的热量。无可否认，蓄热罐53可由导热材料例如金属制成，以便与流过冷却水管54的冷却水交换热量。
冷却水管54为管形，并且其以和常规的冷却水通道相同的方式被配置成插入到燃料电池50的组中。
考虑到燃料电池50具有过度的温度变化这一事实，冷却水管54设置有多个控制器以控制冷却水的温度。冷却水管54还设置有用于循环冷却水的冷却水泵55，用于测量冷却水温度的温度传感器56，以及用于测量冷却水流量的流量传感器57。此外，冷却水管54还设置有一个流量控制阀58，其用于根据温度传感器56和流量传感器57检测的结果来调节流经冷却水管54的冷却水量。
蓄热罐53连接到供热管59，该供热管接收通过冷却水管54传递的热量，并且将该热量提供到某一需热位置或需热单元。供热管59设置有用于打开或关闭流体通道的阀59V。这里，需热位置或需热单元可选自多种需要热源的系统，例如热水供应装置或加热系统。
根据本发明第一实施例的制冷/制热装置还包括一个使用热泵型制冷循环的制冷/制热单元60，该制冷循环使用产生于燃料电池50的废热。制冷/制热单元60包括至少一个压缩机61，4-通阀62，室外热交换器63，膨胀装置64，和室内热交换器65，在通常的热泵型制冷/制热装置中，该室内热交换器可被用作根据制冷循环中的反向制冷剂流动的加热单元。作为参考，附图标记66指代蓄热器。
特别的，制冷/制热装置还包括一个制冷剂加热装置，其适于将从燃料电池50回收的废热提供到制冷/制热单元60的制冷剂管路，以便提高制冷剂的温度。在该实施例中，燃料电池50的冷却单元52用作制冷剂加热单元。在该情况下，制冷/制热单元60的制冷剂管路延伸穿过蓄热罐53，因此燃料电池50的废热被传递至制冷剂管路。
优选地，适于接收来自燃料电池50的废热的制冷剂管路是连接到压缩机61的吸入端的吸入端制冷剂管路67，或者是连接到压缩机61的排放端的排放端制冷剂管路。在本发明的示例性实施例中，连接到压缩机61的吸入端的吸入端制冷剂管路67适于接收来自燃料电池50的废热。
连接到压缩机61的吸入端的吸入端制冷剂管路设置有旁通管68和若干阀69，其允许制冷剂在制冷操作过程中或在制冷剂过热的情况下绕过蓄热罐53。
本发明的制冷/制热装置还包括一个控制单元70，其根据输入的操作条件和操作状态自动地控制该装置。控制单元70被设计用于接收来自温度传感器56和流量传感器57的信号，并根据该信号来控制冷却水泵55，流量控制阀58，供热管59的阀59V，和制冷/制热单元60的阀69。无可否认，控制单元70可被配置以用于控制燃料电池50和制冷/制热单元60的通常控制。
下面将描述具有上述配置的根据本发明第一实施例的使用燃料电池废热的制冷/制热装置的操作。
根据本发明第一实施例的制冷/制热装置能从产生于燃料电池50的电能和废热获得在冬天制热操作过程中用于驱动室外和室内单元所需的所有能量。这里，当来自燃料电池50的废热与连接到压缩机61的吸入端的吸入端制冷剂管路67进行热交换时，有可能实现制热性能的提高。
产生于燃料电池50的电能被用在需要电能的元件中，例如压缩机61或制冷/制热单元60的风扇以及其它各种控制设备。
在制冷/制热单元60中，当制冷剂顺序通过压缩机61，4-通阀62，室内热交换器65，膨胀装置64，和室外热交换器63时，在冬天的制热操作可被执行。在这种情况下，通过吸入端制冷剂管路67引入到压缩机61的制冷剂由在流过蓄热罐53时用于冷却燃料电池50的冷却水的热量预热。该预热后的制冷剂随后被引入到压缩机61。
通过使用来自燃料电池50的废热在压缩机61的吸入端对制冷剂预热，该制冷剂以保持或多或少的温度增加的状态而适于穿过用作冷凝器的室内热交换器65。相应地，高温的热量可被提供至房间，因此有可能实现提高的制热性能。
在操作中，控制单元70持续地控制旁通管68，阀69，流量控制阀58，以及供热管59的阀59V，以便将均匀的热量提供给连接到压缩机61的吸入端的吸入端制冷剂管路67。因此，有可能适当地控制燃料电池50的制冷操作和制冷/制热单元60的操作。
如上所述，在本发明中，质子交换膜燃料电池(PEMFC)被用作燃料电池50。在该情形下，虽然燃料电池50的工作温度是80度，但是在化学反应实际上被诱发的燃料电池50的内部却呈现出大约40至100度的温度偏差。而且，在燃料电池50中循环的冷却水的流量必须根据燃料电池50的负荷改变，以便将燃料电池50的工作温度保持在适当的水平。
在本发明中，当控制单元70根据冷却水的流量变化来控制所有的阀58，59V和69时，有可能将均匀的热量提供到制冷/制热单元60的制冷剂管路，其中冷却水的流量变化取决于燃料电池50的负荷和通过温度传感器56和流量传感器57检测的冷却水管54和蓄热罐53的内部温度。
图3是根据本发明第二实施例的使用燃料电池废热的制冷/制热装置的示意性构造图。作为参考，示于图3的构造中的与示于图2的构造中的相同组成元件，被分别指定为相同的附图标记，并将不再作出描述。
通常，燃料电池，例如固态氧化物燃料电池(SOFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、和质子交换膜燃料电池(PEMFC)，使用从燃料例如甲醇、液化天然气、或者天然气中获得的氢的氢改性单元。根据本发明第二实施例的制冷/制热装置被配置以便产生于氢改性单元150和燃料电池50的废热被提供给连接至压缩机61的吸入端的吸入端制冷剂管路167，从而实现了热性能的进一步提高。
这里，氢改性单元150通过氢供给管151连接到燃料电池50。
氢改性单元150还连接到改性单元的冷却单元152，其用于吸收在氢改性单元150的氢改性操作过程中产生的热量。
改性单元的冷却单元152包括蓄热罐153和冷却水管154，其中热交换在蓄热罐中执行，冷却水流过该冷却水管以便将从氢改性单元150回收的热量传递到蓄热罐153。
用于氢改性单元150的蓄热罐153具有与上述用于燃料电池50的蓄热罐53相同的配置。
以与燃料电池50的方式相同的方式，氢改性单元150的冷却水管154设置有冷却水泵155，温度传感器156，流量传感器157，和流量控制阀158。
蓄热罐153连接到供热管159，该供热管接收由冷却水管154传递的热量，并将该热量提供到某一需热位置或需热单元。
特别的，根据本发明第二实施例的制冷/制热装置还包括一个用于氢改性单元150的制冷剂加热单元。该制冷剂加热单元适于将从氢改性单元150回收的废热提供至吸入端制冷剂管路167以便提高制冷剂的温度，其中该吸入端制冷剂管路连接至设置在制冷/制热单元60中的压缩机61的吸入端。在该实施例中，改性单元的冷却单元152用作制冷剂加热单元。在该情形下，制冷/制热单元60的制冷剂管路延伸穿过蓄热罐153，从而使氢改性单元150的废热传递至制冷剂管路。
在连接至压缩机61的吸入端的吸入端制冷剂管路67和167之间设置有用于氢改性单元150的旁通管168和阀169，从而使已经流过蓄热罐153以用于燃料电池的制冷剂在必要时绕过蓄热罐153。
而且，根据本发明第二实施例的制冷/制热装置还包括一个控制单元170，其被设计以用于根据输入的信号来控制与燃料电池50和氢改性单元150相关联的各种元件。
下面将描述具有上述配置的根据本发明第二实施例的使用燃料电池废热的制冷/制热装置的操作。
通常，氢改性单元的操作温度大约为600度。于是，该实施例的制冷/制热装置使用产生于氢改性单元的废热能够在冬天的制热操作过程中将热量提供给压缩机的吸入端制冷剂管路，从而实现制热性能的提高。而且，该实施例的制冷/制热装置能够将产生于燃料电池的蓄热罐和氢改性单元中的热量提供至热水供应装置或其它加热系统。
通过这种方式，当在制热操作过程中产生于燃料电池50的废热和产生于氢改性单元150的废热被提供给连接到压缩机的相应制冷剂管路67和167，并且控制单元170根据由温度传感器56和156和流量传感器57和157所检测到的冷却水管54、154和蓄热罐53、153的内部温度以及冷却水流量的变化来控制所有的阀58，59V，69和158，159V，和169，有可能将适当量的热量提供到制冷/制热单元60的制冷剂管路，从而实现制热能力的提高。
从上述描述可明显看出，根据本发明的使用燃料电池废热的制冷/制热装置被配置以便产生于燃料电池或氢改性单元的废热在制热操作过程中被提供到制冷/制热单元的制冷剂管路，从而实现了制热性能和系统效率的提高。
而且，根据本发明，根据燃料电池或氢改性单元的负荷变化被适当调节了水量和温度的冷却水可被提供到制冷剂管路。相应地，将均匀的热量提供到制冷剂管路，以使制热操作能够实行是可能的。
虽然本发明的优选实施例已经出于示例性目的被公开了，但是本领域技术人员将会理解到，在不偏离公开在所附权利要求中的本发明的范围和精神的前提下，各种变化，添加和替代是可能的。

Claims (11)

1、一种使用燃料电池的废热的制冷/制热装置，包括：
燃料电池；
制冷/制热单元，其包括至少一个压缩机，4-通阀，室外热交换器，膨胀装置，和室内热交换器，以用于建立热泵型的制冷循环；和
制冷剂加热单元，用于将从燃料电池回收的废热提供到该制冷/制热单元的制冷剂管路，以便提高制冷剂的温度。
2、如权利要求1所述的制冷/制热装置，其中制冷剂加热单元被配置以便将废热提供到连接在压缩机吸入端的吸入端制冷剂管路。
3、如权利要求2所述的制冷/制热装置，其中制冷剂加热单元包括：
冷却水管，用于传递从燃料电池回收的热量；和
蓄热罐，用于将通过冷却水管提供的热量传递到连接在压缩机吸入端的吸入端制冷剂管路。
4、如权利要求3所述的制冷/制热装置，其中冷却水管设置有温度传感器和流量传感器以用于分别检测冷却水的温度和流量，并且还设置有用于循环冷却水的冷却水泵和用于调节冷却水流量的流量控制阀。
5、如权利要求3所述的制冷/制热装置，其中蓄热罐连接至一个管路，该管路通过冷却水管接收所传递的热量并将该热量提供到一需热单元。
6、如权利要求3所述的制冷/制热装置，其中连接至压缩机吸入端的吸入端制冷剂管路设置有旁通管和阀单元，用于使制冷剂绕过蓄热罐。
7、如权利要求1所述的制冷/制热装置，进一步包括：
氢改性单元，用于将氢提供至燃料电池；和
用于氢改性单元的制冷剂加热单元，其将从氢改性单元回收的废热提供到吸入端制冷剂管路，该吸入端制冷剂管路连接到包括在制冷/制热单元中的压缩机的吸入端。
8、如权利要求7所述的制冷/制热装置，其中用于氢改性单元的制冷剂加热单元包括：
冷却水管，用于传递从氢改性单元回收的热量；和
蓄热罐，用于将通过冷却水管提供的热量传递至连接到压缩机吸入端的吸入端制冷剂管路。
9、如权利要求8所述的制冷/制热装置，其中冷却水管设置有温度传感器和流量传感器以用于分别检测冷却水的温度和流量，并且还设置有用于循环冷却水的冷却水泵和用于调节冷却水流量的流量控制阀。
10、如权利要求8所述的制冷/制热装置，其中用于氢改性单元的蓄热罐连接至一个管路，该管路接收通过冷却水管传递的热量并将该热量提供到一需热单元。
11、如权利要求8所述的制冷/制热装置，其中连接至压缩机的吸入端的吸入端制冷剂管路设置有旁通管和阀，用于使制冷剂绕过蓄热罐。
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