CN108365235A - 基于有机朗肯循环的燃料电池余热利用系统 - Google Patents

基于有机朗肯循环的燃料电池余热利用系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于有机朗肯循环的燃料电池余热利用系统，具体涉及燃料电池余热利用领域。其解决了现有的甲醇燃料电池的效率低，输入甲醇燃料的能量有一半以上以热的形式排出，造成能量的浪费的不足。该基于有机朗肯循环的燃料电池余热利用系统，包括甲醇燃料电池子系统、吸收式热泵子系统和有机朗肯循环子系统，所述甲醇燃料电池子系统包括燃料电池冷却器、燃料电池电堆和直流‑交流逆变器，所述吸收式热泵子系统包括发生器、吸收器、制冷剂泵、热泵冷凝器和热泵蒸发器，燃料电池冷却器与发生器相连；有机朗肯循环子系统包括蒸发器、膨胀机、工质泵、冷凝器和储液罐，储液罐与蒸发器通过管路相连，管路上设有工质泵，吸收器与蒸发器相连。

Description

基于有机朗肯循环的燃料电池余热利用系统
技术领域
本发明涉及燃料电池余热利用领域，具体涉及一种基于有机朗肯循环的燃料电池余热利用系统。
背景技术
甲醇燃料电池是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的一种变种，直接使用甲醇水溶液或蒸汽甲醇为燃料供给来源，而不需通过甲醇、汽油及天然气的重整制氢以供发电，具备低温快速启动、燃料洁净环保以及电池结构简单等特性。但是甲醇燃料电池的效率大约是40％左右，也就是说，输入甲醇燃料的能量有一半以上以热的形式排出，造成能量的浪费。
此外，由于甲醇燃料电池工作温度较低，大约在110～120℃，其废热冷却水温度品位较差(一般不超过80℃)，利用受到限制。若添加辅助热源，会受限于地点、环境、热源效率及投资等问题。
发明内容
本发明的目的是针对上述不足，提出了一种将燃料电池余热继续充分利用产生交流电输出的基于有机朗肯循环的燃料电池余热利用系统。
本发明具体采用如下技术方案：
一种基于有机朗肯循环的燃料电池余热利用系统，包括甲醇燃料电池子系统、吸收式热泵子系统和有机朗肯循环子系统，所述甲醇燃料电池子系统包括燃料电池冷却器、燃料电池电堆和直流-交流逆变器，所述吸收式热泵子系统包括发生器、吸收器、制冷剂泵、热泵冷凝器和热泵蒸发器，燃料电池冷却器与发生器相连；有机朗肯循环子系统包括蒸发器、膨胀机、工质泵、冷凝器和储液罐，储液罐与蒸发器通过管路相连，工质泵位于管路上，吸收器与蒸发器相连。
优选地，所述燃料电池电堆包括电池阳极和电池阴极，其中电池阳极上连有甲醇溶液供应回路，甲醇溶液供应回路上设有单向截止阀，电池阴极上连有空气供应回路，空气供应回路上设有空气压缩机和空气调节阀，燃料电池电堆上还连有补水阀。
优选地，所述直流-交流逆变器上连有第一输出电路，所述膨胀机上连有发电机，发电机上连有第二输出电路。
优选地，所述燃料电池冷却器的输出端与发生器之间设有分流三通，发生器与热泵蒸发器的输出端连接同一合流三通，燃料电池冷却器输出的废热冷却水经过分流三通分别输送至发生器和热泵蒸发器，最后经合流三通汇合后返回燃料电池冷却器。
优选地，所述吸收器与蒸发器之间的管路上设有温度传感器和热水泵。
优选地，所述发生器与吸收器之间设有两条连接管，连接管上设有溶液热交换器，其中一条连接管上设有溶液调节阀，另一条连接管上设有溶液泵。
优选地，在所述甲醇燃料电池子系统中，甲醇溶液供应回路为电池阳极提供甲醇燃料，在燃料电池电堆中进行电化学反应，反应生成物随溶液排出，空气供应回路为电池阴极提供氧气作为氧化剂参与电化学反应，反应生成的水蒸气或液态水随尾气排出，燃料电池电堆生成的直流电经过直流-交流逆变器整流为交流电经第一输出电路输出使用；
所述燃料电池冷却器吸收来自燃料电池电堆的反应废热，并以废热冷却水的形式输送至发生器，发生器吸收废热冷却水的热量产生制冷剂蒸汽，制冷剂蒸汽输送进入热泵冷凝器，并在热泵冷凝器中释放冷凝热成为制冷剂水，进入热泵蒸发器，在热泵蒸发器内转换成制冷剂蒸汽后流入吸收器，浓溶液进入溶液热交换器升温，升温后的浓溶液进入吸收器中进行稀释，同时释放出吸收热，热量输出至有机朗肯循环子系统，带动发电机发电，生产的交流电通过第二输出电路输出。
优选地，所述有机朗肯循环子系统中的循环介质为有机工质，高压液态有机工质经蒸发器热量传递后蒸发，然后进入膨胀机，膨胀机产生的能量带动发电机工作并对外输出交变电流，做功后的有机工质从膨胀机排出，进入冷凝器热侧入口，通过冷凝器放热冷凝变为低温低压有机工质，经冷凝器热侧出口进入储液罐储存，储液罐中的有机工质经工质泵再次压缩输送至蒸发器冷侧入口。
本发明具有如下有益效果：
本系统充分利用第二类吸收式热泵升温的能力，温升达30～50℃，从输出热水管路流出的热水温度达100℃以上，满足有机朗肯循环的工作热源要求；
本系统以甲醇燃料电池发电，输出电能的同时，利用余热驱动热泵的方式来制备热水，然后利用升温后的热水驱动有机朗肯循环再次发电，且生产的交流电可以供给系统的泵与风机使用，使整个基于有机朗肯循环的燃料电池余热利用系统脱离外部电源而独立运行，设备布置灵活，几乎不受环境条件限制，该系统及以此为基础的改进型可以在脱离大电网的分布式供能系统中发挥重要作用。
附图说明
图1为基于有机朗肯循环的燃料电池余热利用系统示意图。
其中，1为燃料电池冷却器，2为燃料电池电堆，3为电池阳极，4为电池阴极，5为直流-交流逆变器，6为发生器，7为溶液热交换器，8为吸收器，9为热泵冷凝器，10为热泵蒸发器，11为蒸发器，12为温度传感器，13为膨胀机，14为发电机，15为冷凝器，16为储液罐，17为单向截止阀，18为空气调节阀，19为分流三通，20为溶液调节阀，21为合流三通，22为补水阀，23为第一输出电路，24为第二输出电路，25为甲醇溶液供应回路，26为空气供应回路，27为空气压缩机，28为溶液泵，29为制冷剂泵，30为热水泵，31为工质泵，32为甲醇燃料电池子系统，33为吸收式热泵子系统，34为有机朗肯循环子系统。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：
如图1所示，一种基于有机朗肯循环的燃料电池余热利用系统，包括甲醇燃料电池子系统32、吸收式热泵子系统33和有机朗肯循环子系统34，所述甲醇燃料电池子系统32包括燃料电池冷却器1、燃料电池电堆2和直流-交流逆变器5，所述吸收式热泵子系统33包括发生器6、吸收器8、制冷剂泵29、热泵冷凝器9和热泵蒸发器10，燃料电池冷却器1与发生器6相连，可在燃料电池冷却器1一侧设置通过补水阀22控制的补水口，以保证废热冷却水回路水压，或者将补水口设在热泵蒸发器10至燃料电池冷却器1之间的废热冷却水回路的任意位置；有机朗肯循环子系统34包括蒸发器11、膨胀机13、工质泵、冷凝器15和储液罐16，储液罐16与蒸发器11通过管路相连，工质泵31位于管路上，吸收器8与蒸发器11相连。
燃料电池电堆2包括电池阳极3和电池阴极4，其中电池阳极3上连有甲醇溶液供应回路25，由于甲醇具有高度挥发、流动、易燃等性质，故甲醇溶液供应回路25使用单向截止阀17控制溶液流动；或者当系统运行的环境条件恶劣时，在溶液进口处选用减压阀，在溶液出口处选用电磁防爆阀，电池阴极4上连有空气供应回路26，空气供应回路26上设有空气压缩机27和空气调节阀18，燃料电池电堆2上还连有补水阀22，为废热冷却水回路补水。
直流-交流逆变器5上连有第一输出电路23，所述膨胀机13上连有发电机14，发电机14与膨胀机13同轴相连，发电机14上连有第二输出电路24。
燃料电池冷却器1的输出端与发生器6之间设有分流三通19，发生器6与热泵蒸发器10的输出端连接同一合流三通21，燃料电池冷却器1输出的废热冷却水经过分流三通19分别输送至发生器6和热泵蒸发器9，最后经合流三通21汇合后返回燃料电池冷却器1。
吸收器8与蒸发器11之间的管路上设有温度传感器12和热水泵30。
发生器6与吸收器8之间设有两条连接管，连接管上设有溶液热交换器7，其中一条连接管上设有溶液调节阀20，另一条连接管上设有溶液泵28。
在甲醇燃料电池子系统32中，甲醇溶液供应回路25为电池阳极3提供甲醇，在燃料电池电堆2中进行电化学反应，反应生成物随溶液排出，空气供应回路26为电池阴极4提供氧气作为氧化剂参与电化学反应，反应生成的水蒸气或液态水随尾气排出，燃料电池电堆2生成的直流电经过直流-交流逆变器5整流为交流电经第一输出电路23输出使用；
燃料电池冷却器1吸收来自燃料电池电堆2的反应废热，并以废热冷却水的形式输送至发生器6，发生器6吸收废热冷却水的热量产生制冷剂蒸汽，制冷剂蒸汽输送进入热泵冷凝器9，并在热泵冷凝器9中释放冷凝热成为制冷剂水，进入热泵蒸发器10，在热泵蒸发器10内转换成制冷剂蒸汽后流入吸收器8，浓溶液进入溶液热交换器7升温，升温后的浓溶液进入吸收器8中进行稀释，同时释放出吸收热，热量输出至有机朗肯循环子系统34，带动发电机14发电，生产的交流电通过第二输出电路24输出，并为空气压缩机、溶液泵、制冷剂泵、冷却水泵和散热风机提供电能。
有机朗肯循环子系统34中的循环介质为有机工质，高压液态有机工质经蒸发器热量传递后蒸发，然后进入膨胀机13，膨胀机13产生的能量带动发电机14工作并对外输出交变电流，做功后的有机工质从膨胀机13排出，进入冷凝器15热侧入口，通过冷凝器15放热冷凝变为低温低压有机工质，经冷凝器热侧出口进入储液罐16储存，储液罐16中的有机工质经工质泵再次压缩输送至蒸发器冷侧入口。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于有机朗肯循环的燃料电池余热利用系统，其特征在于，包括甲醇燃料电池子系统、吸收式热泵子系统和有机朗肯循环子系统，所述甲醇燃料电池子系统包括燃料电池冷却器、燃料电池电堆和直流-交流逆变器，所述吸收式热泵子系统包括发生器、吸收器、制冷剂泵、热泵冷凝器和热泵蒸发器，燃料电池冷却器与发生器相连；有机朗肯循环子系统包括蒸发器、膨胀机、工质泵、冷凝器和储液罐，储液罐与蒸发器通过管路相连，工质泵设置于管路上，吸收器与蒸发器相连。
2.如权利要求1所述的一种基于有机朗肯循环的燃料电池余热利用系统，其特征在于，所述燃料电池电堆包括电池阳极和电池阴极，其中电池阳极上连有甲醇溶液供应回路，甲醇溶液供应回路上设有单向截止阀，电池阴极上连有空气供应回路，空气供应回路上设有空气压缩机和空气调节阀，燃料电池电堆上还连有补水阀。
3.如权利要求1所述的一种基于有机朗肯循环的燃料电池余热利用系统，其特征在于，所述直流-交流逆变器上连有第一输出电路，所述膨胀机上连有发电机，发电机上连有第二输出电路。
4.如权利要求1所述的一种基于有机朗肯循环的燃料电池余热利用系统，其特征在于，所述燃料电池冷却器的输出端与发生器之间设有分流三通，发生器与热泵蒸发器的输出端连接同一合流三通，燃料电池冷却器输出的废热冷却水经过分流三通分别输送至发生器和热泵蒸发器，最后经合流三通汇合后返回燃料电池冷却器。
5.如权利要求1所述的一种基于有机朗肯循环的燃料电池余热利用系统，其特征在于，所述吸收器与蒸发器之间的管路上设有温度传感器和热水泵。
6.如权利要求1所述的一种基于有机朗肯循环的燃料电池余热利用系统，其特征在于，所述发生器与吸收器之间设有两条连接管，连接管上设有溶液热交换器，其中一条连接管上设有溶液调节阀，另一条连接管上设有溶液泵。
7.如权利要求1-6任意一项所述的一种基于有机朗肯循环的燃料电池余热利用系统，其特征在于，在所述甲醇燃料电池子系统中，甲醇溶液供应回路为电池阳极提供甲醇燃料，在燃料电池电堆中进行电化学反应，反应生成物随溶液排出，空气供应回路为电池阴极提供氧气作为氧化剂参与电化学反应，反应生成的水蒸气或液态水随尾气排出，燃料电池电堆生成的直流电经过直流-交流逆变器整流为交流电经第一输出电路输出使用；
所述燃料电池冷却器吸收来自燃料电池电堆的反应废热，并以废热冷却水的形式输送至发生器，发生器吸收废热冷却水的热量产生制冷剂蒸汽，制冷剂蒸汽输送进入热泵冷凝器，并在热泵冷凝器中释放冷凝热成为制冷剂水，进入热泵蒸发器，在热泵蒸发器内转换成制冷剂蒸汽后流入吸收器，浓溶液进入溶液热交换器升温，升温后的浓溶液进入吸收器中进行稀释，同时释放出吸收热，热量输出至有机朗肯循环子系统，带动发电机发电，生产的交流电通过第二输出电路输出。
8.如权利要求7所述的一种基于有机朗肯循环的燃料电池余热利用系统，其特征在于，所述有机朗肯循环子系统中的循环介质为有机工质，高压液态有机工质经蒸发器热量传递后蒸发，然后进入膨胀机，膨胀机产生的能量带动发电机工作并对外输出交变电流，做功后的有机工质从膨胀机排出，进入冷凝器热侧入口，通过冷凝器放热冷凝变为低温低压有机工质，经冷凝器热侧出口进入储液罐储存，储液罐中的有机工质经工质泵再次压缩输送至蒸发器冷侧入口。
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