CN104485469A - 基于余热余压利用的燃料电池空气供给系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于余热余压利用的燃料电池空气供给系统，其包括：基于有机朗肯循环的余热回收利用回路、增压空气供给系统。基于有机朗肯循环的余热回收利用回路包括：有机工质泵、膨胀机、有机工质管路、冷凝器。增压空气供给系统包括：第一控制阀门、涡轮增压旁通回路、第二控制阀门、涡轮增压器、第一中冷器、压缩机、第二中冷器、增湿器。采用增压空气供给系统将来自燃料电池的废气的动力能回收转换为机械功用于驱动涡轮增压器对外部空气进行初次压缩，初次压缩空气作为压缩机压缩的供给空气，采用基于有机朗肯循环的余热回收利用回路将来自燃料电池的电化学反应的余热回收转换为机械功用于驱动增压空气供给系统的压缩机压缩供给空气。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种基于余热余压利用的燃料电池空气供给系统。
背景技术
燃料电池系统由燃料电池堆和空气供给系统、氢气系统、冷却系统等辅助系统组成。空气供给系统向燃料电池堆供应具有一定压力和湿度的空气，是燃料电池系统的重要组成部分。空气供给系统的性能对燃料电池系统的效率、体积、重量和瞬态响应性等均具有重要影响。空气供给系统的核心部件空压机是燃料电池系统的主要耗能部件，消耗的功率约占燃料电池堆输出功率的15％～20％，对燃料电池系统效率影响很大。
现有的燃料电池空压机的驱动方式主要有两种：1)利用电动机驱动，2)利用燃料电池排气和电机共同驱动，第一种方式空压机的全部功耗由燃料电池提供。第二种方式利用燃料电池排气能量驱动空压机，由于燃料电池排气温度较低，其能量不能满足空压机的功率需求，须通过辅助电机联合作用驱动压气机才能满足燃料电池空气供给要求。两种驱动方式都需要消耗一部分燃料电池的输出功率，导致系统净输出功率减小。
发明内容
鉴于背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于余热余压利用的燃料电池空气供给系统，其能提高燃料电池系统的净输出功率。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于余热余压利用的燃料电池空气供给系统，其包括：基于有机朗肯循环的余热回收利用回路、以及增压空气供给系统。基于有机朗肯循环的余热回收利用回路包括：有机工质泵，连通外部的有机工质储液罐；膨胀机，设置在有机工质泵的下游并受控连通有机工质泵；有机工质管路，一端连通于有机工质泵而另一端连通于膨胀机且经过燃料电池，有机工质泵输出的液态有机工质经由有机工质管路进入燃料电池以吸收燃料电池的反应耗散热并蒸发为气态有机工质，随后气态有机工质输送到膨胀机，驱动膨胀机做功并输出气态有机工质做功后的乏气；以及冷凝器，设置在膨胀机的下游并受控连通膨胀机且受控连通外部的有机工质储液罐，以使驱动膨胀机做功后的乏气冷却成液态有机工质并将液态有机工质回收到有机工质储液罐。增压空气供给系统包括：第一控制阀门；涡轮增压旁通回路，一端连通于外部空气；第二控制阀门，设置于涡轮增压旁通回路；涡轮增压器，一端连通燃料电池的废气排放出口，涡轮增压器的膨胀端利用燃料电池的废气动力能对经由第一控制阀门进入涡轮增压器的压缩端的外部空气进行初次压缩并输出初次压缩空气且排出废气；第一中冷器，设置在涡轮增压器的下游并连通涡轮增压器，将初次压缩空气降温；压缩机，设置在第一中冷器的下游、连通第一中冷器、连通涡轮增压旁通管路的另一端且同轴连接于基于有机朗肯循环的余热回收利用回路的膨胀机，当关闭第一控制阀门并调节第二控制阀门开度，燃料电池在低压缩比空气供给条件下工作，压缩机接收经由涡轮增压旁通管路送入的外部空气作为压缩机压缩的供给空气；当关闭第二控制阀门并调节第一控制阀门开度，燃料电池在中压缩比空气供给条件下工作，压缩机接收第一中冷器输出的初次压缩空气作为压缩机压缩的供给空气并经由基于有机朗肯循环的余热回收利用回路的膨胀机做功驱动压缩机对接收的供给空气进行压缩并输出压缩供给空气；第二中冷器，设置在压缩机的下游并受控连通压缩机，且位于燃料电池的上游并受控连通燃料电池，以接收压缩机输出的压缩供给空气并使所接收的压缩供给空气降温；以及增湿器，设置在第二中冷器的下游和燃料电池的上游，对第二中冷器输送的压缩供给空气加湿，并将加湿后的压缩供给空气输送到燃料电池中进行电化学反应。
本发明的有益效果如下：
采用增压空气供给系统将来自燃料电池的废气的动力能回收转换为机械功用于驱动涡轮增压器对外部空气进行初次压缩，初次压缩空气作为压缩机压缩的供给空气，采用基于有机朗肯循环的余热回收利用回路将来自燃料电池的电化学反应的余热回收转换为机械功用于驱动增压空气供给系统的压缩机压缩供给空气，从而实现燃料电池的空气供给系统的空气增压效用，本发明的燃料电池的空气供给系统的驱动动力全部来自这两部分回收的能量，相比于现有技术，燃料电池的空气供给系统不消耗燃料电池的输出功率，显著提高了燃料电池系统的净输出功率。增压空气供给系统通过第一控制阀门和第二控制阀门的控制利用两级压缩可分别实现中压压缩比和低压压缩比。本发明的燃料电池的空气供给系统的结构紧凑，具有较高的实用性。
附图说明
图1为根据本发明的基于余热余压利用的燃料电池空气供给系统的一实施例的示意图。
其中，附图标记说明如下：
1基于有机朗肯循环的余热回收 20涡轮增压旁通回路
利用回路 21涡轮增压器
11有机工质泵 211膨胀端
12膨胀机 212压缩端
13有机工质管路 22第一中冷器
14冷凝器 23压缩机
141风扇 24第二中冷器
15有机朗肯循环旁通回路 25增湿器
16电动阀门 3控制器
2增压空气供给系统 4燃料电池
V1第一控制阀门 S传感器
V2第二控制阀门
具体实施方式
下面参照附图来详细说明根据本发明的基于余热余压利用的燃料电池空气供给系统。
参照图1，根据本发明的基于余热余压利用的燃料电池空气供给系统包括：基于有机朗肯循环的余热回收利用回路1、以及增压空气供给系统2。基于有机朗肯循环的余热回收利用回路1包括：有机工质泵11，连通外部的有机工质储液罐(未示出)；膨胀机12，设置在有机工质泵11的下游并受控连通有机工质泵11；有机工质管路13，一端连通于有机工质泵11而另一端连通于膨胀机12且经过燃料电池4，有机工质泵11输出的液态有机工质经由有机工质管路13进入燃料电池4以吸收燃料电池4的反应耗散热(可称为余热)并蒸发为气态有机工质，随后气态有机工质输送到膨胀机12，驱动膨胀机做功并输出气态有机工质做功后的乏气；以及冷凝器14，设置在膨胀机12的下游并受控连通膨胀机12且受控连通外部的有机工质储液罐，以使驱动膨胀机12做功后的乏气冷却成液态有机工质并将液态有机工质回收到有机工质储液罐(用于参与下次循环)。增压空气供给系统2包括：第一控制阀门V1；涡轮增压旁通回路20，一端连通于外部空气；第二控制阀门V2，设置于涡轮增压旁通回路20；涡轮增压器21，一端连通燃料电池4的废气排放出口，涡轮增压器21的膨胀端211利用燃料电池4的的废气(以氮气和水蒸汽为主)动力能对经由第一控制阀门V1进入涡轮增压器21的压缩端212的外部空气进行初次压缩并输出初次压缩空气且排出废气；第一中冷器22，设置在涡轮增压器21的下游并连通涡轮增压器21，将初次压缩空气降温；压缩机23，设置在第一中冷器22的下游、连通第一中冷器22、连通涡轮增压旁通管路20的另一端且同轴连接于基于有机朗肯循环的余热回收利用回路1的膨胀机12，当关闭第一控制阀门V1并调节第二控制阀门V2开度，燃料电池4在低压缩比空气供给条件下工作，压缩机23接收经由涡轮增压旁通管路20送入的外部空气作为压缩机23压缩的供给空气；当关闭第二控制阀门V2并调节第一控制阀门V1开度，燃料电池4在中压缩比空气供给条件下工作，压缩机23接收第一中冷器22输出的初次压缩空气作为压缩机23压缩的供给空气并经由基于有机朗肯循环的余热回收利用回路1的膨胀机12做功驱动压缩机23对接收的供给空气进行压缩并输出压缩供给空气；第二中冷器24，设置在压缩机23的下游并受控连通压缩机23，且位于燃料电池4的上游并受控连通燃料电池4，以接收压缩机23输出的压缩供给空气并使所接收的压缩供给空气降温；以及增湿器25，设置在第二中冷器24的下游和燃料电池4的上游，对第二中冷器24输送的压缩供给空气加湿，并将加湿后的压缩供给空气输送到燃料电池4中进行电化学反应。
采用增压空气供给系统2将来自燃料电池4的废气的动力能回收转换为机械功用于驱动涡轮增压器21对外部空气进行初次压缩，初次压缩空气作为压缩机23压缩的供给空气，而采用基于有机朗肯循环的余热回收利用回路1将来自燃料电池4的电化学反应的余热回收转换为机械功用于驱动增压空气供给系统2的压缩机压缩供给空气，从而实现燃料电池4的空气供给系统的空气增压效用，本发明的燃料电池的空气供给系统的驱动动力全部来自这两部分回收的能量，相比于现有技术，燃料电池的空气供给系统不消耗燃料电池4的输出功率，显著提高了燃料电池系统的净输出功率。增压空气供给系统2通过第一控制阀门V1和第二控制阀门V2的控制利用两级压缩可分别实现中压压缩比和低压压缩比。本发明的燃料电池的空气供给系统的结构紧凑，具有较高的实用性。
在根据本发明的基于余热余压利用的燃料电池空气供给系统的一实施例中，参照图1，基于有机朗肯循环的余热回收利用回路1还可包括：有机朗肯循环旁通回路15，一端连通于膨胀机12的上游而另一端连通在膨胀机12的下游且所述另一端与冷凝器14连通；以及电动阀门16，设置于有机朗肯循环旁通回路15，控制有机朗肯循环旁通回路15的流量。有机朗肯循环旁通回路15及电动阀门16的设置能够调节膨胀机12的功率输出，从而控制压缩机23的功率输出，进而能够匹配燃料电池4在不同工况下的增压负荷。具体地，当有机工质回收的热量过多、燃料电池4当前运行工况不需要较大的空压比或有机工质参数未达到工作状态需要空转时，可通过电动阀门16调整阀门开度将富余的气态有机工质通过有机朗肯循环旁通回路15进行旁通，然后直接经冷凝器14冷却输送到有机工质储液罐。
在根据本发明的基于余热余压利用的燃料电池空气供给系统的一实施例中，参照图1，基于余热余压利用的燃料电池空气供给系统还可包括：控制器3，通信连接基于有机朗肯循环的余热回收利用回路1及增压空气供给系统2。所述通信连接可为有线连接或无线连接。在一实施例中，基于有机朗肯循环的余热回收利用回路1的膨胀机12的输入端可设置有传感器S，通信连接控制器3，用于检测进入膨胀机12的气态有机工质的压力、流量、温度。传感器S的设置可以保证燃料电池4的余热被充分带走并保证进入膨胀机4前的有机工质的工作参数，从而确保燃料电池的空气供给系统运行的稳定性。
在根据本发明的基于余热余压利用的燃料电池空气供给系统的一实施例中，参照图1，基于有机朗肯循环的余热回收利用回路1的有机工质泵11为变频泵且与控制器3通信连接。
在根据本发明的基于余热余压利用的燃料电池空气供给系统的一实施例中，参照图1，冷凝器14可具有风扇141，冷凝器14与控制器3通信连接，用于控制冷凝器14的风扇141的转速以调节冷凝速率。
在根据本发明的基于余热余压利用的燃料电池空气供给系统中，“受控”连通均可通过设置控制阀来进行。
Claims (6)
1.一种基于余热余压利用的燃料电池空气供给系统，其特征在于，包括：基于有机朗肯循环的余热回收利用回路(1)，包括：
有机工质泵(11)，连通外部的有机工质储液罐；
膨胀机(12)，设置在有机工质泵(11)的下游并受控连通有机工质泵(11)；
有机工质管路(13)，一端连通于有机工质泵(11)而另一端连通于膨胀机(12)且经过燃料电池(4)，有机工质泵(11)输出的液态有机工质经由有机工质管路(13)进入燃料电池(4)以吸收燃料电池(4)的反应耗散热并蒸发为气态有机工质，随后气态有机工质输送到膨胀机(12)，驱动膨胀机(12)做功并输出气态有机工质做功后的乏气；以及
冷凝器(14)，设置在膨胀机(12)的下游并受控连通膨胀机(12)且受控连通外部的有机工质储液罐，以使驱动膨胀机(12)做功后的乏气冷却成液态有机工质并将液态有机工质回收到有机工质储液罐；以及增压空气供给系统(2)，包括：
第一控制阀门(V1)；
涡轮增压旁通回路(20)，一端连通于外部空气；
第二控制阀门(V2)，设置于涡轮增压旁通回路(20)；
涡轮增压器(21)，一端连通燃料电池(4)的废气排放出口，涡轮增压器(21)的膨胀端(211)利用燃料电池(4)的废气动力能对经由第一控制阀门(V1)进入涡轮增压器(21)的压缩端(212)的外部空气进行初次压缩并输出初次压缩空气且排出废气；
第一中冷器(22)，设置在涡轮增压器(21)的下游并连通涡轮增压器(21)，接收涡轮增压器(21)输出的初次压缩空气并使所接收的初次压缩空气降温且将降温的初次压缩空气输出；
压缩机(23)，设置在第一中冷器(22)的下游、连通第一中冷器(22)、连通涡轮增压旁通管路(20)的另一端且同轴连接于基于有机朗肯循环的余热回收利用回路(1)的膨胀机(12)，当关闭第一控制阀门(V1)并调节第二控制阀门(V2)开度，燃料电池(4)在低压缩比空气供给条件下工作，压缩机(23)接收经由旁通管路(20)送入的外部空气作为压缩机(23)压缩的供给空气；当关闭第二控制阀门(V2)并调节第一控制阀门(V1)开度，燃料电池(4)在中压缩比空气供给条件下工作，压缩机(23)接收第一中冷器(22)输出的初次压缩空气作为压缩机(23)压缩的供给空气并经由基于有机朗肯循环的余热回收利用回路(1)的膨胀机(12)做功驱动压缩机(23)对接收的供给空气进行压缩并输出压缩供给空气；
第二中冷器(24)，设置在压缩机(23)的下游并受控连通压缩机(23)，且位于燃料电池(4)的上游并受控连通燃料电池(4)，以接收压缩机(23)输出的压缩供给空气并使所接收的压缩供给空气降温；以及
增湿器(25)，设置在第二中冷器(24)的下游和燃料电池(4)的上游，对第二中冷器(24)输送的压缩供给空气加湿，并将加湿后的压缩供给空气输送到燃料电池(4)中进行电化学反应。
2.根据权利要求1所述的基于余热余压利用的燃料电池的空气供给系统，其特征在于，基于有机朗肯循环的余热回收利用回路(1)还包括：
有机朗肯循环旁通回路(15)，一端连通于膨胀机(12)的上游而另一端连通在膨胀机(12)的下游且所述另一端与冷凝器(14)连通；以及
电动阀门(16)，设置于有机朗肯循环旁通回路(15)，控制有机朗肯循环旁通回路(15)的流量。
3.根据权利要求1所述的基于余热余压利用的燃料电池空气供给系统，其特征在于，基于余热余压利用的燃料电池空气供给系统还包括：
控制器(3)，通信连接基于有机朗肯循环的余热回收利用回路(1)及增压空气供给系统(2)。
4.根据权利要求3所述的基于余热余压利用的燃料电池空气供给系统，其特征在于，基于有机朗肯循环的余热回收利用回路(1)的膨胀机(12)的输入端设置有传感器(S)，通信连接控制器(3)，用于检测进入膨胀机(12)的气态有机工质的压力、流量、温度。
5.根据权利要求3所述的基于余热余压利用的燃料电池的空气供给系统，其特征在于，基于有机朗肯循环的余热回收利用回路(1)的有机工质泵(11)为变频泵且与控制器(3)通信连接。
6.根据权利要求3所述的基于余热余压利用的燃料电池的空气供给系统，其特征在于，冷凝器(14)具有风扇(141)，冷凝器(14)与控制器(3)通信连接，用于控制冷凝器(14)的风扇(141)的转速以调节冷凝速率。
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