CN111477914A - 一种燃料电池系统能量回收利用系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统能量回收利用系统，包括质子交换膜燃料电池发电装置、阳极供气系统、阴极供气系统和尾气能量回收系统，质子交换膜燃料电池发电装置包括质子交换膜燃料电池和与该质子交换膜燃料电池连接的变频器；阳极供气系统包括燃料气压缩机与燃料气增湿器；阴极供气系统包括空气压缩机、换热器、冷却器与空气增湿器，空气压缩机与换热器的Ⅰ口连接，换热器的Ⅱ口与冷却器连接，换热器的Ⅲ口与质子交换膜燃料电池的阴极或阳极的尾气出口连接；尾气能量回收系统包括涡轮和电机，涡轮与换热器的Ⅳ口连接。本发明能使得燃料电池尾气经过换热器达到提升尾气温度与尾气压力的目的，能够节省提升尾气温度所需要消耗的能量。

Description

一种燃料电池系统能量回收利用系统及方法
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，更具体地，涉及一种燃料电池系统能量回收利用系统及方法。
背景技术
燃料电池作为一种利用氢气作为燃料、氧气作为氧化剂发生化学反应将化学能转化为电能的绿色能源装置，因为其高效、清洁的特点已经成为当前的研究热点。其中质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有运行温度低、功率密度高、响应快、启动快、稳定性好以及使用纯氢时不会造成环境污染等特点，另外，质子交换膜燃料电池用燃料和氧气作为原料；同时没有机械传动部件，故没有噪声污染，排放出的有害气体极少，是一种非常具有吸引力的发电设备。
在构建PEMFC发电系统过程中，对燃料电池系统的高效性以及安全性的要求在逐步提高。为了进一步提升燃料电池系统的效率，完成系统外围部件、辅助部件的改进及系统集成工作显得尤为重要。
当PEMFC在高压条件下运行时，质子交换膜燃料电池中参与化学反应后经阴极排出的尾气具有部分热能以及一定量的压力势能，并且以空气压缩机-涡轮为主要部件的阴极供气系统中，空压机进入PEMFC电堆前，需要进行降温处理，在这个过程中将会导致热量损失，造成能量浪费。目前国内外对于尾气化学能的研究主要集中于高温固体氧化物燃料电池(SOFC)，而对于PEMFC还没有合适的装置来进行尾气化学能的应用，因此尾气的回收利用率不高。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种燃料电池系统能量回收利用系统及方法，可提升系统回收能量的总功率。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种燃料电池系统能量回收利用系统，其特征在于，包括质子交换膜燃料电池发电装置、阳极供气系统、阴极供气系统和尾气能量回收系统，其中，
所述质子交换膜燃料电池发电装置包括质子交换膜燃料电池和与该质子交换膜燃料电池连接的变频器；
所述阳极供气系统包括燃料气压缩机与燃料气增湿器，该燃料气压缩机的入口安装燃料气进气管，该燃料气压缩机通过管道与该燃料气增湿器连接，该燃料气增湿器通过管道与该质子交换膜燃料电池的阳极连接；
所述阴极供气系统包括空气压缩机、换热器、冷却器与空气增湿器，所述空气压缩机的入口安装有空气进气管，所述空气压缩机通过管道与换热器的Ⅰ口连接，所述换热器的Ⅱ口通过管道与冷却器连接，所述换热器的Ⅱ口与该换热器的Ⅰ口连通，所述换热器的Ⅲ口通过管道与所述质子交换膜燃料电池的阴极的尾气出口连接，所述冷却器与所述空气增湿器连接，所述空气增湿器通过管道与质子交换膜燃料电池的阴极连接；
所述尾气能量回收系统包括涡轮和电机，所述换热器的Ⅳ口通过管道与所述涡轮的进气口连接，所述换热器的Ⅳ口与该换热器的Ⅲ口连通，并且所述涡轮与所述空气压缩机通过联轴器连接，所述涡轮与所述电机也通过联轴器连接。
优选地，所述质子交换膜燃料电池的阳极的尾气出口通过管道与所述燃料气进气管连接。
优选地，所述质子交换膜燃料电池的阳极的尾气出口与所述燃料气进气管之间的管道上设置有尾气调节阀。
优选地，所述换热器为吸收制冷装置或烟气热水换热器，以让空气压缩机流出的空气与阴极的尾气进行热量交换。
按照本发明的另一个方面，还提供了所述的燃料电池系统能量回收利用系统进行能量回收的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)燃料气压缩机将燃料气压缩为适用于质子交换膜燃料电池使用的燃料压缩气，然后燃料压缩气经燃料气增湿器后进入质子交换膜燃料电池；同时，电机驱动空气压缩机工作，空气压缩机将环境空气压缩为适用于燃料电池电堆工作的压缩空气，压缩空气依次经换热器、冷却器和空气增湿器后进入质子交换膜燃料电池；
2)燃料压缩气与压缩空气在质子交换膜燃料电池中进行反应，反应产生电能，同时也在阳极和阴极分别产生尾气；
3)将上述电能送入变频器；
4)质子交换膜燃料电池的阴极的尾气出口所排出的尾气通入换热器，以与空气压缩机排到换热器中的空气进行换热；同时，质子交换膜燃料电池的的阳极的尾气出口排出的尾气送入燃料气进气管中；
5)在换热器中换热后的尾气通入涡轮让涡轮做功，涡轮做功产生的机械能进一步带动电机与空气压缩机工作。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1)本发明设计了涡轮能量回收、冷却器、换热器和质子交换膜燃料电池共同作用的燃料电池能量回收利用系统，通过换热器将空气压缩机出口的空气与质子交换膜燃料电池的阴极排出的尾气进行对流换热，这样既可以对空气压缩机出口气体进行一次降温，达到降低冷却器耗功的目的，又可以提升质子交换膜燃料电池阴极的尾气温度和尾气压力来达到提高涡轮做功的目的，而且节省提升尾气温度所需要消耗的能量。最终，使得燃料电池系统能量回收系统的工作效率得到进一步提升，进一步提高能量回收利用率，较不添加换热器做功的燃料电池能量回收系统的功率提升8.2％～8.6％。
2)本发明通过质子交换膜燃料电池、阴、阳极供气系统与尾气能量回收系统相耦合，将质子交换膜燃料电池产生阴、阳极尾气的压力势能回收并加以利用，减小由于空气压缩机持续做功的耗能较大的问题。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是阴极尾气能量回收装置简图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1、图2所示，一种燃料电池系统能量回收利用系统，包括质子交换膜燃料电池发电装置、阳极供气系统、阴极供气系统和尾气能量回收系统，其中，
所述质子交换膜燃料电池发电装置包括质子交换膜燃料电池9和与该质子交换膜燃料电池9连接的变频器10；
所述阳极供气系统包括燃料气压缩机1与燃料气增湿器3，该燃料气压缩机1的入口安装燃料气进气管，该燃料气压缩机1通过管道与该燃料气增湿器3连接，该燃料气增湿器3通过管道与该质子交换膜燃料电池9的阳极连接；
所述阴极供气系统包括空气压缩机2、换热器6、冷却器5与空气增湿器4，所述空气压缩机2的入口安装有空气进气管，所述空气压缩机2通过管道与换热器6的Ⅰ口连接，所述换热器6的Ⅱ口通过管道与冷却器5连接，所述换热器6的Ⅱ口与该换热器6的Ⅰ口连通，所述换热器6的Ⅲ口通过管道与所述质子交换膜燃料电池9的阴极的尾气出口连接，所述冷却器5与所述空气增湿器4连接，所述空气增湿器4通过管道与质子交换膜燃料电池9的阴极连接；
所述尾气能量回收系统包括涡轮7和电机8，所述换热器6的Ⅳ口通过管道与所述涡轮7的进气口连接，所述换热器6的Ⅳ口与该换热器6的Ⅲ口连通，换热器6的Ⅳ口与该换热器6的Ⅰ口和Ⅱ口不连通，并且所述涡轮7与所述空气压缩机2通过联轴器连接，所述涡轮7与所述电机8也通过联轴器连接。
进一步，所述质子交换膜燃料电池9的阳极的尾气出口通过管道与所述燃料气进气管连接，并且所述质子交换膜燃料电池9的阳极的尾气出口与所述燃料气进气管之间的管道上设置有尾气调节阀11。
进一步，所述换热器6为吸收制冷装置或烟气热水换热器6，以让空气压缩机2流出的空气与阴极的尾气进行热量交换，可以进行吸热或放热。
本发明的燃料电池系统能量回收利用系统的工作过程如下：
燃料气通过燃料压缩机1，燃料压缩机1将燃料气压缩一定压力形成燃料压缩气后进入燃料气增湿器4，该燃料气增湿器4的进口端为燃料压缩气，出口端为饱和燃料气，该饱和燃料气通过燃料电池阴极管道进入质子交换膜燃料电池9；
启动电机8，由于电机8与空气压缩机2通过联轴器连接，电机8带动空气压缩机2，为质子交换膜燃料电池9提供压缩空气。
环境空气经过空气压缩机2，空气压缩机2将空气压缩一定压力形成压缩空气，所述压缩空气送入换热器6的Ⅰ口，送入换热器6中的压缩空气为换热器6提供换热源，然后将压缩空气从换热器6的Ⅱ口送入冷却器4，在冷却器4内将空气温度降至60℃-80℃，以符合质子交换膜燃料电池反应条件，然后将冷却后的压缩空气送入空气增湿器5中。
经过换热、加压、增湿后的空气进入质子交换膜燃料9内与燃料压缩气进行反应，产生直流电。将该直流电通入变频器10中，变频器10一侧输入为直流电，另一侧输出的为交流电。
质子交换膜燃料电池9会残存部分未充分反应的燃料气，该燃料气进入质子交换膜燃料电池9的阳极处的尾气出口，然后又排入燃料气进气管中，可以再次进入质子交换膜燃料电池9中参与反应。
质子交换膜燃料电池9反应完毕后，在阴极产生60℃-80℃的尾气，阴极的尾气经过管道送入换热器6的Ⅲ口，换热器6的Ⅲ口一侧为质子交换膜燃料电池9的阴极排出的尾气、换热器6的Ⅳ口一侧为与空气压缩机2流出的压缩空气完成热量交换的气体，热量交换后的气体经过管道进入涡轮10，推动涡轮10做功，此时涡轮10与电机8共同连接带动空气压缩机2转动，达到减少电机8为空气压缩机2耗功的目的。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种燃料电池系统能量回收利用系统，其特征在于，包括质子交换膜燃料电池发电装置、阳极供气系统、阴极供气系统和尾气能量回收系统，其中，
所述质子交换膜燃料电池发电装置包括质子交换膜燃料电池和与该质子交换膜燃料电池连接的变频器；
所述阳极供气系统包括燃料气压缩机与燃料气增湿器，该燃料气压缩机的入口安装燃料气进气管，该燃料气压缩机通过管道与该燃料气增湿器连接，该燃料气增湿器通过管道与该质子交换膜燃料电池的阳极连接；
所述阴极供气系统包括空气压缩机、换热器、冷却器与空气增湿器，所述空气压缩机的入口安装有空气进气管，所述空气压缩机通过管道与换热器的Ⅰ口连接，所述换热器的Ⅱ口通过管道与冷却器连接，所述换热器的Ⅱ口与该换热器的Ⅰ口连通，所述换热器的Ⅲ口通过管道与所述质子交换膜燃料电池的阴极的尾气出口连接，所述冷却器与所述空气增湿器连接，所述空气增湿器通过管道与质子交换膜燃料电池的阴极连接；
所述尾气能量回收系统包括涡轮和电机，所述换热器的Ⅳ口通过管道与所述涡轮的进气口连接，所述换热器的Ⅳ口与该换热器的Ⅲ口连通，并且所述涡轮与所述空气压缩机通过联轴器连接，所述涡轮与所述电机也通过联轴器连接。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统能量回收利用系统，其特征在于，所述质子交换膜燃料电池的阳极的尾气出口通过管道与所述燃料气进气管连接。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池系统能量回收利用系统，其特征在于，所述质子交换膜燃料电池的阳极的尾气出口与所述燃料气进气管之间的管道上设置有尾气调节阀。
4.根据权利要求1所述的一种燃料电池系统能量回收利用系统，其特征在于，所述换热器为吸收制冷装置或烟气热水换热器，以让空气压缩机流出的空气与阴极的尾气进行热量交换。
5.权利要求1～4中任一所述的燃料电池系统能量回收利用系统进行能量回收的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)燃料气压缩机将燃料气压缩为适用于质子交换膜燃料电池使用的燃料压缩气，然后燃料压缩气经燃料气增湿器后进入质子交换膜燃料电池；同时，电机驱动空气压缩机工作，空气压缩机将环境空气压缩为适用于燃料电池电堆工作的压缩空气，压缩空气依次经换热器、冷却器和空气增湿器后进入质子交换膜燃料电池；
2)燃料压缩气与压缩空气在质子交换膜燃料电池中进行反应，反应产生电能，同时也在阳极和阴极分别产生尾气；
3)将上述电能送入变频器；
4)质子交换膜燃料电池的阴极的尾气出口所排出的尾气通入换热器，以与空气压缩机排到换热器中的空气进行换热；同时，质子交换膜燃料电池的的阳极的尾气出口排出的尾气送入燃料气进气管中；
5)在换热器中换热后的尾气通入涡轮让涡轮做功，涡轮做功产生的机械能进一步带动电机与空气压缩机工作。
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