一种高温燃料电池高效制冷系统的制作方法

1.本发明涉及生物燃气技术领域，特别涉及一种高温燃料电池高效制冷系统。


背景技术：

2.现有普遍使用的燃气机热泵制冷模式中,通常是在燃气内燃机内通入燃气以进行内部燃烧,从而使燃气内燃机产生机械能带动发电机运动发电以驱动制冷单元的压缩机压缩,该过程经历了燃气内燃机将内能转化为机械能以及发电机将机械能转化为电能多次能量的转化，多次不同能量的转化损耗大，其造成了在燃料一定的情况下，可以供给压缩机的电能减少，产电效率低的问题。
3.为了解决这一问题，本发明由此产生。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种高温燃料电池高效制冷系统。
5.为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
6.一种高温燃料电池高效制冷系统，所述系统包括燃气压缩机、空气压缩机、燃料电池、压缩机以及电制冷单元，所述燃气压缩机与燃料电池的阳极连接，所述空气压缩机与燃料电池的阴极连接，所述燃料电池与压缩机连接，所述压缩机与电制冷单元连接并与所述电制冷单元形成第一介质制冷循环回路，所述燃气压缩机以及空气压缩机分别对燃气以及空气进行压缩并将压缩后的燃气以及空气传输至燃料电池以供给所述燃料电池产电原料，所述燃料电池将产电原料反应后的化学能转化为电能后，所述燃料电池将产生的电能传输至压缩机以驱动所述压缩机对流入其内的第一介质进行压缩。
7.在本实施例中，所述系统还包括燃烧器，所述燃烧器具有第一输入端、第二输入端以及输出端，所述第一输入端与燃料电池的阳极连接，所述第二输入端与燃料电池的阴极连接，所述燃烧器的输出端分别与燃料电池的阳极以及阴极连接，所述燃料电池将未反应完全的燃气以及空气传输至燃烧器中以供给所述燃烧器产热原料，所述燃烧器通过产热原料反应后产生热量，所述燃烧器将产生的热量传输至燃料电池以供燃料电池热能。
8.在本实施例中，所述系统还包括热制冷单元，所述热制冷单元与燃烧器以及电制冷单元连接，所述燃烧器通入燃气以及空气反应后产生烟气，所述燃烧器将产生的烟气热量传输至热制冷单元以供所述热制冷单元热能，外部水源依次流经所述热制冷单元以及所述电制冷单元，并从电制冷单元流至外部以完成制冷。
9.在本实施例中，所述系统还包括换热单元，所述换热单元分别与燃烧器、燃气压缩机、空气压缩机、热制冷单元以及燃料电池连接，所述燃烧器产生的烟气分别与燃气压缩机压缩后的燃气以及空气压缩机压缩后的空气通过换热单元换热后，所述换热单元将换热后的热量分别传输至热制冷单元以供所述热制冷单元热量以及传输至燃料电池以供所述燃料电池热能。
10.在本实施例中，所述换热单元包括第一换热器以及第二换热器，所述第一换热器分别与燃烧器、燃气压缩机、热制冷单元以及燃料电池的阳极连接，所述燃烧器产生的烟气热量通过第一换热器传输至热制冷单元，所述燃气压缩机将压缩后的燃气热量通过第一换热器传输至燃料电池；所述第二换热器分别与燃烧器、空气压缩机、热制冷单元以及燃料电池的阴极连接，所述燃烧器产生的烟气热量通过第二换热器传输至热制冷单元，所述空气压缩机将压缩后的空气热量通过第二换热器传输至燃料电池。
11.在本实施例中，所述第一换热器与第二换热器连接，所述燃烧器的输出端通过第一换热器与第二换热器连接，所述第一换热器通过第二换热器与热制冷单元连接，所述燃烧器产生的烟气先与第一换热器发生换热后，再与第二换热器发生换热，所述第二换热器将换热后的烟气传输至热制冷单元。
12.在本实施例中，所述热制冷单元包括吸收器、发生器、第一冷凝器、第一节流阀以及第一蒸发器，所述发生器与第二换热器连接，所述吸收器与发生器连接并形成第二介质水溶液循环回路；所述发生器内的第二介质水溶液产生的水蒸汽依次流经第一冷凝器、第一节流阀以及第一蒸发器后流入吸收器，以被所述吸收器内的第二介质水溶液吸收。
13.在本实施例中，所述热制冷单元还包括溶液换热器，所述溶液换热分别与发生器以及吸收器连接，所述发生器内的第二介质水溶液通过溶液换热器传输到所述吸收器，所述吸收器内的第二介质水溶液通过溶液换热器传输到所述发生器。
14.在本实施例中，所述电制冷单元包括第二冷凝器、第二节流阀以及第二蒸发器，所述第二冷凝器、第二节流阀、第二蒸发器以及压缩机依次连接，所述第二冷凝器、第二节流阀以及第二蒸发器以及压缩机形成第一介质制冷循环回路。
15.在本实施例中，所述第一冷凝器与第二冷凝器并联，所述第一冷凝器与第二冷凝器分别与同一个管道的冷却水入口端以及冷却水出口端连接，外部冷却水通过冷却水入口端部分传输至第一冷凝器，部分传输至第二冷凝器，以带走第一冷凝器以及第二冷凝器内的热量。
16.有益效果：与现有技术相比，本发明中通过燃料电池产电不仅环保，产电效率高，而且通过燃料电池在电解质的环境下将燃气以及空气反应后的化学能转化为电能，无需进行多次不同能量的转化，减少了电能的损失，再次提高了产电效率和产冷效率。
附图说明
17.图1为本发明提供的高温燃料电池高效制冷系统的结构示意图。
具体实施方式
18.本发明提供一种高温燃料电池高效制冷系统，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
19.需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接连接到另一个部件或者间接连接至该另一个部件上。
20.还需说明的是，本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部
件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此，附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
21.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
22.下面结合附图，通过对实施例的描述，对发明内容作进一步说明。
23.本实施例提供了一种高温燃料电池高效制冷系统，如图1所示，所述系统包括燃气压缩机11、空气压缩机12、燃料电池13、压缩机51以及电制冷单元，所述燃气压缩机11与燃料电池13的阳极连接，所述空气压缩机12与燃料电池13的阴极连接，所述燃料电池13与压缩机51连接，所述压缩机51与电制冷单元连接并与所述电制冷单元形成第一介质制冷循环单元，其中，所述燃气压缩机11内存储有从外部输入至燃气压缩机11的燃气，所述空气压缩机12内存储有从外部输入至空气压缩机12的空气，所述燃气压缩机11以及空气压缩机12分别对燃气以及空气进行压缩成高温高压的燃气与空气，并将压缩后的高温高压的燃气以及空气传输至燃料电池13以提供所述燃料电池13的产电原料，所述燃料电池13在电解质的环境下将产电原料反应后的化学能转化为电能后，所述燃料电池13将产生的电能传输至压缩机51，以驱动所述压缩机51对流入其内的第一介质进行压缩，相比于燃料内燃机，本发明中通过燃料电池13产电不仅环保，产电效率高，而且通过燃料电池13在电解质的环境下将燃气以及空气反应后的化学能转化为电能，无需进行多次不同能量的转化，减少了电能的损失，再次提高了产电效率和产冷效率。
24.在本实施例中，所述燃料电池13在电解质的环境下将燃气以及空气反应后的化学能转化为电能，该电能为直流电，而压缩机51所需的是交流电，因此所述燃料电池13需要将产生的直流电通过dc/ac转化模块转化为交流电，再传输至压缩机51以为压缩机51的压缩工作供电。
25.在本实施例的一个实现方式中，所述系统还包括燃烧器14，所述燃烧器14具有第一输入端、第二输入端以及输出端，所述燃烧器14的第一输入端与燃料电池13的阳极连接，所述燃烧器14的第二输入端与燃料电池13的阴极连接，所述燃烧器14的输出端与燃料电池13连接，所述燃料电池13将未反应完全的燃气以及空气传输至燃烧器14中，以提供给燃烧器14产热原料，所述燃烧器14通过产热原料反应后产生高温烟气，所述燃烧器14将产生的高温烟气中的热量传输至燃料电池13以提供给所述燃料电池13反应热量，一方面可以使燃料电池13未反应完全的燃料反应完全以提高燃料转化率，另一方面还可以将燃烧器14产生的热量传输至燃料电池13以作为燃料电池13的反应热量以促进燃料电池13产电，从而进一步提高了燃料电池13的产电效率。
26.在本实施例的一个实现方式中，所述系统还包括热制冷单元，所述热制冷单元与燃烧器14连接，所述燃烧器14通入燃气以及空气反应后产生高温烟气，所述燃烧器14将产生的高温烟气传输至热制冷单元以提供给热制冷单元热能。其中，由于燃烧器14产生的烟
气温度非常高，而燃料电池13所需的反应热量比热制冷单元所需的热能高，为了提高燃烧器14产生的热能的利用率，先将燃烧器14产生的烟气热量传输至燃料电池13，为燃料电池13的产电提供反应热量以促进燃料电池13的产电效率，再将燃烧器14产生的剩余烟气热量传输至热制冷单元，这样由燃烧器14、燃料电池13以及热制冷单元形成了耦合式取热通路很好的根据温差大小对烟气热量进行阶梯式地取热，提高了燃烧器14产生的热量的利用率；所述热制冷单元还与所述电制冷单元连接，其中，电制冷单元为主要制冷单元，外部水源通过热制冷单元完成第一次制冷，第一次制冷后的外部水源接着通过电制冷单元完成第二次制冷，例如，假设外部水源通过热制冷单元的温度为14℃，外部水源通过热制冷单元的制冷后的温度为12℃，经过热制冷单元后的外部水源继续通入电制冷单元后输出到外部时温度变成了7℃，这样的由热制冷单元与电制冷单元形成耦合式制冷通路很好的根据温差大小来对外部水源进行阶梯式地降温，提高了制冷效率。
27.在本实施例的一个实现方式中，由于燃气经过燃气压缩机11压缩后的燃气温度以及空气经过空气压缩机12压缩后的空气温度均远低于燃料电池13完全反应的反应热量，例如，在本实施例中，燃气经过燃气压缩机11压缩后的燃气温度可以为100-200℃，空气经过空气压缩机12压缩后的空气温度可以为100-200℃，而燃料电池13在电解质的环境下完全反应温度为800℃，因此，为了减小压缩后的燃气以及空气进入燃料电池13里的温度差以提高燃料电池13的产电效率，所述系统还包括换热单元，所述换热单元分别与燃烧器14、燃气压缩机11、空气压缩机12、热制冷单元以及燃料电池13连接，所述燃烧器14产生的烟气分别与燃气压缩机11压缩后的燃气以及空气压缩机12压缩后的空气通过换热单元换热后，所述换热单元将换热后的热量分别传输至热制冷单元以供所述热制冷单元热量以及传输至燃料电池13以供所述燃料电池13热能，其中，燃烧器14产生的高温烟气的热量远大于燃气压缩机11压缩后的燃气温度以及空气压缩机12压缩后的空气温度，将燃烧器14原本传输至热制冷单元的烟气热量与将燃气压缩机11压缩后的燃气以及空气压缩机12压缩后的空气传输至燃料电池13的温度通过换热单元交换，减小了压缩后的燃气以及空气进入燃料电池13里与燃料电池13内原本的温度差，提高了燃料电池13的产电效率。
28.在本实施例的一个实现方式中，所述换热单元包括第一换热器21以及第二换热器22，所述第一换热器21分别与燃烧器14、燃气压缩机11、热制冷单元以及燃料电池13的阳极连接，所述燃烧器14产生的烟气热量通过第一换热器21传输至热制冷单元，所述燃气压缩机11将压缩后的燃气通过第一换热器21升温后传输至燃料电池13，压缩后的燃气与烟气换热，使得燃气温度升高后进入燃料电池13中去；以提高燃料电池13的产电效率；此时烟气温度虽然降低了，但仍然具有较高温度；所述第二换热器22分别与燃烧器14、空气压缩机12、热制冷单元以及燃料电池13的阴极连接，所述燃烧器14产生的烟气热量通过第二换热器22传输至热制冷单元，所述空气压缩机12将压缩后的空气热量通过第二换热器22传输至燃料电池13，压缩后的空气与烟气换热，使得空气温度升高后进入燃料电池13中去，以提高燃料电池13的产电效率。
29.在本实施例的一个实现方式中，为了充分提高燃料电池13的产电效率，将所述第一换热器21与第二换热器22连接，所述燃烧器14的输出端通过第一换热器21与第二换热器22连接，所述第一换热器21通过第二换热器22与热制冷单元连接，以使得将燃烧器14产生的烟气热量先与燃气压缩机11压缩后的燃气热量通过第一换热器21换热后，再将经过第一
换热器21换热后的烟气热量与空气压缩机12压缩后的空气热量通过第二换热器22换热，最后将经过第二换热器22换热后的烟气热量传输至热制冷单元以提供给热制冷单元热能以完成热制冷工作，实际上是第一换热器21中压缩后的燃气与烟气换热，使得燃气温度升高后进入燃料电池13中去，第一次换热后烟气温度虽然降低了，但仍然具有较高温度，故烟气继续进入第二换热器22中使压缩后的空气升温，即使烟气温度再一次降低，但还是具有较高温度，因此再将烟气通入到热制冷单元，完成热量的阶梯式利用。
30.在本实施例中，所述热制冷单元包括吸收器31、发生器32、第一冷凝器33、第一节流阀34以及第一蒸发器35，所述发生器32与第二换热器22连接，经第二换热器22换热后的烟气通过发生器32后并经发生器32排出至外部，所述吸收器31与发生器32连接并形成第二介质水溶液循环回路；所述发生器32内的第二介质水溶液产生的水蒸汽依次流经第一冷凝器33、第一节流阀34以及第一蒸发器35后流入吸收器31，以被所述吸收器31内的第二介质水溶液吸收。其中，所述第二介质水溶液为溴化锂水溶液，在溴化锂水溶液的循环回路里，所述溴化锂为溶质，水为溶剂，所述发生器32与吸收器31之间设置有节流阀38以及溶液泵37，所述吸收器31内的溴化锂水溶液通过溶液泵37传输至发生器32，发生器32内的溴化锂水溶液吸收经第二换热器22换热后的烟气热量后，发生器32内的溴化锂水溶液中的水溶剂部分形成水蒸汽并提高溴化锂水溶液的浓度，水蒸气流入第一冷凝器33内，发生器32内经过蒸发的溴化锂水溶液通过节流阀38回流至吸收器31内。此外，发生器32的溴化锂水溶液浓度大于吸收器31的溴化锂水溶液浓度，发生器32产生的水蒸汽蒸发入第一冷凝器33中，被第一冷凝器33内的冷却水降温后凝结，成为低温高压的液态水，第一冷凝器33内的水通过第一节流阀34降压降温后进入第一蒸发器35时，急速膨胀而汽化，并在汽化过程中大量吸收第一蒸发器35内的外部水源的热量，达到降温制冷的目的，第一蒸发器35内的水蒸汽进入吸收器31被吸收器31内的溴化锂水溶液吸收以供溴化锂水溶液回路形成溴化锂水溶液循环回路。
31.在本实施例的一个实现方式中，所述热制冷单元还包括溶液换热器36，所述溶液换热器36分别与反应器以及吸收器31连接，所述发生器32内的溴化锂水溶液通过溶液换热器36传输到所述吸收器31中，所述吸收器31内的溴化锂水溶液通过溶液换热器36传输到所述发生器32中，由于所述发生器32的溴化锂水溶液温度高于吸收器31的溴化锂水溶液温度；因此，在将吸收器31内较低温度的溴化锂水溶液传输至发生器32之前，先通过溶液换热器36，并利用所述溶液换热器36使即将进入发生器32的较低温度的溴化锂水溶液与从发生器32传输至吸收器31的较高温度的溴化锂水溶液进行热交换，该过程不仅提高了从吸收器31进入发生器32的溴化锂水溶液的温度，进而减小了进入所述发生器32内的溴化锂水溶液的温差，以提高所述发生器32内溴化锂水溶液的混合效率；同时还降低了从发生器32进入吸收器31的溴化锂水溶液的温度，进而减少了进入吸收器31内的溴化锂水溶液的温差，以提高所述吸收器31内溴化锂水溶液的混合效率。
32.在本实施例的一个实现方式中，所述电制冷单元包括第二冷凝器52、第二节流阀53以及第二蒸发器54，所述第二冷凝器52、第二节流阀53、第二蒸发器54以及压缩机51依次连接，所述第二冷凝器52、第二节流阀53以及第二蒸发器54以及压缩机51形成第一介质制冷循环回路，其中，第一介质可以为四氟乙烷，四氟乙烷制冷循环回路中，所述压缩机51将四氟乙烷转化为高温高压气体，经过第二冷凝器52后被第二冷凝器52内的冷却水降温后凝
结，成为低温高压的液态形式，第二冷凝器52内的液态形式四氟乙烷通过第二节流阀53降温降压后进入第二蒸发器54时，急速膨胀而汽化，并在汽化过程中大量吸收第二蒸发器54内的外部水源的热量，达到降温制冷的目的，第二蒸发器54内的低温汽态r134回到压缩机51形成第二介质制冷循环回路。其中，第一蒸发器35与第二蒸发器54连接，外部水源先从第一蒸发器35流入，经过第一蒸发器35的外部水源完成第一次制冷后，通过第一蒸发器35流入到第二蒸发器54中，在第二蒸发器54内完成第二次制冷，最后从第二蒸发器54流出到外部，这样由以第一蒸发器35在内的热制冷单元与以第二蒸发器54在内的电制冷单元形成耦合式制冷通路，所述外部水源通过该耦合式制冷通路能够很好地进行阶梯式地降温，提高了制冷效率。
33.在本实施例的一个实现方式中，为了简化结构节省安装以及材料成本，将所述第一冷凝器33与所述第二冷凝器52并联，所述第一冷凝器33与第二冷凝器52分别与同一个管道的冷却水入口端以及冷却水出口端连接，外部冷却水通过冷却水入口端部分传输至第一冷凝器33，部分传输至第二冷凝器52，以带走第一冷凝器33内的热量以及第二冷凝器52内的热量。
34.本实施例提供了一种高温燃料电池13高效制冷系统，所述系统包括燃气压缩机11、空气压缩机12、燃料电池13、压缩机51以及电制冷单元，所述燃气压缩机11与燃料电池13的阳极连接，所述空气压缩机12与燃料电池13的阴极连接，所述燃料电池13与压缩机51连接，所述压缩机51与电制冷单元连接并与所述电制冷单元形成第一介质制冷循环单元，所述燃气压缩机11以及空气压缩机12分别对燃气以及空气进行压缩成高温高压的燃气与空气，并将压缩后的高温高压的燃气以及空气传输至燃料电池13以提供所述燃料电池13的产电原料，所述燃料电池13在电解质的环境下将产电原料反应后的化学能转化为电能后，所述燃料电池13将产生的电能传输至压缩机51，以驱动所述压缩机51对流入其内的第一介质进行压缩，相比于燃料内燃机，本发明中通过燃料电池13产电不仅环保，产电效率高，而且通过燃料电池13在电解质的环境下将燃气以及空气反应后的化学能转化为电能，无需进行多次不同能量的转化，减少了电能的损失，再次提高了产电效率和产冷效率。
35.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。