CN114804259B - 一种燃料电池余热利用系统 - Google Patents

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Abstract

本公开揭示了一种燃料电池余热利用系统，包括：燃料电池，热泵模块和海水淡化模块，所述热泵模块包括第一热交换器和压缩机，所述第一热交换器用于将所述燃料电池的余热通过热交换传递至压缩机，所述压缩机用于对余热进行升温升压后传递至所述海水淡化模块。本公开通过第一热交换器和压缩机能够提高燃料电池的余热利用品质，从而能够促进海水的蒸发效率。

Description

一种燃料电池余热利用系统
技术领域
本公开属于氢燃料电池船舶领域，特别涉及一种燃料电池余热利用系统。
背景技术
大型船舶是为国家航运业发展、海洋资源开发以及国防建设必不可少的装备之一，但以柴油机、燃气轮机为主要动力装置的船舶也导致其成为了大气污染和碳排放的重灾区。随着氢能利用的推广和燃料电池技术的成熟，将高效清洁的氢能源应用在大型船舶上，可以缓解当前船舶航运业污染物排放和碳排放严重的问题。
氢燃料电池是一种将氢燃料与氧化剂中的化学能经过电化学反应直接转化为电能的发电装置，具有能量转化效率高、能量密度高、低噪音污染、零排放等优点，非常适用于电动船舶的动力推进装置。动力系统的余热利用一直是大型船舶提高系统能量利用效率的有效方式，为解决船舶上淡水紧缺的问题，可将船舶动力系统的余热与海水淡化装置耦合获得船员生活用淡水。传统的内燃机、燃气轮机的余热是高达上百摄氏度的废燃气、水蒸气等，含有大量的潜热，属于高品质能量，但是，对于氢燃料电池电动船舶，由于燃料电池的工作特性，动力系统的余热绝大部分储存在60～80℃液态冷却工质，属于低品质能量，直接利用低品质能量会降低船舶海水淡化装置的工作效率及产水量。已公开专利优化海水淡化装置，利用真空泵获得负压环境促进海水蒸发来制取淡水。已公开专利提供了内燃机和燃料电池的混合动力系统，利用内燃机的高品质能量与燃料电池的低品质能量混合输出到海水淡化装置。上述专利虽然提高了余热的利用效率，但依旧直接利用氢燃料电池低品质的能量，对海水淡化装置工作效率的提升是有限的。提高船舶氢燃料电池低品质能量并加以利用，对海水淡化装置工作效率和产水量的提高十分重要。此外，在低温环境下燃料电池启动阶段，需要快速对燃料电池进行加热升温，常用办法是利用PTC电加热器加热燃料电池冷却回路内的冷却工质。PTC电加热器是一个高电功耗的元器件，加热冷却工质的同时会大量消耗燃料电池产生的电能，甚至需要系统内其他能源为PTC供电，这样降低系统的净输出功耗。因此，开发高效率的办法，替换低温环境燃料电池启动阶段使用PTC加热器的方法，对系统低温环境的运行具有重大意义。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
针对现有技术中的不足，本公开的目的在于提供一种燃料电池余热利用系统，该系统能够提高海水的淡化效率以及降低系统的电能损耗。
为实现上述目的，本公开提供以下技术方案：
一种燃料电池余热利用系统，包括：燃料电池，热泵模块和海水淡化模块，所述热泵模块包括第一热交换器和压缩机，所述第一热交换器用于将所述燃料电池的余热通过热交换传递至压缩机，所述压缩机用于对余热进行升温升压后传递至所述海水淡化模块。
优选的，所述热泵模块还包括第二热交换器。
优选的，所述热泵模块还包括四通换向阀。
优选的，所述热泵模块还包括第三热交换器。
优选的，所述热泵模块还包括三通控制阀。
优选的，所述热泵模块还包括第一单向阀。
优选的，所述热泵模块还包括第二单向阀。
优选的，所述海水淡化模块包括淡水收集器、海水喷淋器和换热管。
优选的，所述第一热交换器为板式热交换器。
优选的，所述第二热交换器为空气热交换器、所述第三热交换器为空气热交换器。
与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：
(1)本公开可以提高余热利用品质，将直接利用燃料电池内的60～80℃液态冷却工质改变为利用105℃以上的气态热泵工质，提高了海水淡化模块内换热管与海水的温度差，而且气态热泵工质具有较高的相变潜热，提高换热管的换热效率，促进海水的蒸发效率。
(2)本公开在低温环境中燃料电池启动阶段，利用所吸收的环境中的热量来加热燃料电池内的冷却工质，代替了原有的高功耗PTC电加热方式，减少了系统的电能损失，提高系统低温环境的工作效率。
(3)本公开在环境温度较高时燃料电池余热不能全部被海水淡化装置利用，在燃料电池中调控冷却工质流过热交换器，进行冷却工质的二次降温，保证燃料电池的运行温度在设定温度范围内。
附图说明
图1是本公开一个实施例提供的一种燃料电池余热利用系统的结构示意图；
图2是图1中海水淡化装置的结构示意图；
图3是图1中的三通控制阀的进出端口示意图；
图4是图1中的四通控制阀的进出端口示意图；
附图中的标记说明如下：
1-燃料电池；2-水泵；3-第三热交换器；4-三通控制阀；5-第一热交换器；6-膨胀阀；7-第一单向阀；8-海水淡化模块；9-第二单向阀；10-第二热交换器；11-压缩机；12-四通换向阀；13-淡水出口；14-海水进口；15-换热管；16-热泵工质进口；17-海水出口；18-热泵工质出口；19-海水喷淋器；20-淡水收集器。
具体实施方式
下面将参照附图图1至图4详细地描述本公开的具体实施例。虽然附图中显示了本公开的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本公开的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本公开的范围。本公开的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本公开实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本公开实施例的限定。
一个实施例中，如图1所示，本公开提供一种燃料电池余热利用系统，包括：燃料电池，热泵模块和海水淡化模块，所述热泵模块包括第一热交换器5和压缩机11，所述第一热交换器5用于将所述燃料电池的余热通过热交换传递至压缩机11，所述压缩机11用于对余热进行升温升压后传递至所述海水淡化模块8。
上述实施例构成了本公开的完整技术方案，通过第一热交换器5(第一热交换器5为板式换热器，一侧为燃料电池内的冷却工质，可选择乙二醇水溶液；另一侧为热泵工质，可选择R134a)和压缩机11能够提高燃料电池的余热利用品质，将原有利用60～80℃的低品质液态冷却工质能量提高到利用超过100℃的高品质气态热泵工质能量，从而能够提高海水淡化模块8内的温度差，促进了海水的蒸发效率，具体的，假设喷淋海水的温度为15℃，海水淡化装置内换热面积恒定为S，利用低品质液态工质的温度设定为70℃，利用高品质气态热泵工质的温度设定为100℃，根据以下公式计算分别海水淡化模块内的换热量：
Ql＝hlS(70-15) (1)
Qg＝hgS(100-15) (2)
式中，Q1和Qg为分别使用液态工质和气态工质时的换热量，h1和hg为分别使用液态工质和气态工质的换热系数。液态工质在海水淡化模块8内强制对流换热，其换热系数h1在3000～10000W/(m2 K)范围；气态工质在海水淡化模块8内凝结换热，其换热系数hg可以达到2.55×105W/(m2 K)，所以hg远大于h1。而且气态工质换热的温差也大于液态工质换热温差，根据公式(1)和(2)，使用气态工质进行海水淡化时的换热量远大于使用液态工质，更多的换热量促进更多的海水蒸发，从而提高海水蒸发效率。需要说明的是，气态工质的温度假设值100℃是一个较低值，通过增加压缩机的压比，可以实现更高的温度，热泵工质与海水的温差增加，进一步促进海水的蒸发效率。
另一个实施例中，所述热泵模块还包括第二热交换器10，第二热交换器10的输出端通过四通换向阀12连接压缩机11的输入端。
本实施例中，若燃料电池1为低温启动，如图4所示，四通换向阀12的端口(2)和端口(3)连通，端口(1)和端口(4)连通，热泵工质按图1中虚线箭头方向流动，第二单向阀9阻止热泵工质流入海水淡化模块8，则海水淡化模块8不工作。热泵工质通过第二热交换器10(第二热交换器10为空气热交换器，空气侧为热交换器工作的环境，能够吸收环境中的热量)从环境中吸收空气热量并输出至第一热交换器5，通过热交换实现对燃料电池内的冷却工质进行加热。
当系统处于非高温运行状态时，四通换向阀12的端口(1)和端口(2)连通，端口(3)和端口(4)连通，热泵工质按图1中实线箭头方向流动，此时海水淡化模块8正常工作，燃料电池1产生的余热以冷却工质为媒介通过第一热交换器5传递给热泵工质，热泵工质通过压缩机11将余热转换为高温高压的气态工质，从而促进海水的蒸发与收集。当高温的气态工质散热后，在海水淡化模块8内冷凝恢复为液态热泵工质，冷凝后的热泵工质经过膨胀阀6节流后进入第一热交换器5，留待下一次热交换循环。同时，第一单向阀7阻止热泵工质流入第二热交换器10进行散热。
本实施例利用第二热交换器10从环境中吸收热量加热燃料电池内的冷却工质，代替了原有的高功耗PTC电加热方式，从而减少了电能损失，提高了系统低温环境的工作效率。具体的，假设燃料电池低温启动时的热负荷需求为13kW，第一热交换器的工作温度为20℃，第二热交换器的工作温度为-30℃，热泵工质为R134a，以压缩机等熵效率作为压缩机工作效率，此外假设PTC电加热器的工作效率为0.98。在此工况下，实现燃料电池加热所需的压缩机功耗为6.635kW，而实现同样的热负荷需要PTC电加热器消耗13.265kW的电能。上述计算结果说明利用第二热交换器10从环境中吸收热量加热燃料电池内的冷却工质是高效节能的。
另一个实施例中，所述热泵模块还包括第三热交换器3，第三热交换器3的输入端连接有三通控制阀4，所述第三换热器3用于将燃料电池内1的冷却工质的热量释放到空气中，以保护燃料电池，防止燃料电池超温；所述三通控制阀4通过控制阀门端口的连通，决定冷却工质是否流入第三热交换器3。
本实施例中，当系统处于低温或非高温运行状态时，图3所示的三通控制阀4的端口(1)和端口(2)连通，端口(3)关闭，第一热交换器5流出的冷却工质(系统低温运行时，冷却工质被加热；系统非高温运行时，冷却工质被冷却)经水泵2返回燃料电池1，从而使得冷却工质不会流过第三热交换器3(第三热交换器3为空气热交换器，空气侧为热交换器工作的环境，能够释放热量到环境空气)对环境散热。
当系统处于高温运行状态时，由于燃料电池1产生的余热超过了海水淡化模块的吸收能力，此时三通换向阀4的端口(1)和端口(3)连通，端口(2)关闭，被加热后的冷却工质由端口(2)流入第三热交换器3继续被冷却，将多余热量释放到环境中，冷却后的冷却工质流入燃料电池1吸收电池余热。
另一个实施例中，如图2所示，所述海水淡化模块8包括淡水收集器20、海水喷淋器19和换热管15。
本实施例中，换热管15、海水喷淋器19和淡水收集器20由下至上依次设置，当气化后的高温高压热泵工质由热泵工质进口16输入换热管15并从热泵工质出口18输出，在此过程中，海水从海水进口14进入海水喷淋器19，随即喷淋到换热管15表面，换热管15内流通高温的气态热泵工质使得海水蒸发，海水蒸发后上升至淡水收集器20遇冷变为淡水被收集，然后通过淡水出口13流出。蒸发后剩余的海水通过海水出口17流出海水淡化模块。
以上结合具体实施例对本公开所提供的一种燃料电池余热利用系统进行了详细介绍，同时，上述实施例的说明只是用于帮助理解本公开的方法及其核心思想，对于本领域的一般技术人员，依据本公开的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。因此，本说明书内容不应理解为对本公开的限制。

Claims (8)

1.一种燃料电池余热利用系统，包括：燃料电池，热泵模块和海水淡化模块，所述热泵模块包括第一热交换器和压缩机，所述第一热交换器用于将所述燃料电池的余热通过热交换传递至压缩机，所述压缩机用于对余热进行升温升压后传递至所述海水淡化模块；所述热泵模块还包括第二热交换器和四通换向阀，第二热交换器的输出端通过四通换向阀连接压缩机的输入端，用于从环境中吸收热量加热燃料电池内的冷却工质；其中，若燃料电池为低温启动，四通换向阀的端口2和端口3连通，端口1和端口4连通，则热泵工质通过第二热交换器从环境中吸收空气热量并输出至第一热交换器，通过热交换实现对燃料电池内的冷却工质进行加热；若系统处于非高温运行状态，四通换向阀的端口1和端口2连通，端口3和端口4连通，则燃料电池产生的余热以冷却工质为媒介通过第一热交换器传递给热泵工质，热泵工质通过压缩机将余热转换为高温高压的气态工质，当高温气态工质散热后，在海水淡化模块内冷凝恢复为液态热泵工质并进入第一热交换器。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述热泵模块还包括第三热交换器。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述热泵模块还包括三通控制阀。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述热泵模块还包括第一单向阀。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述热泵模块还包括第二单向阀。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述海水淡化模块包括淡水收集器、海水喷淋器和换热管。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一热交换器为板式热交换器。
8.根据权利要求2所述的系统，其中，所述第二热交换器、第三热交换器为空气热交换器。
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