CN213298067U - 氢燃料电池电堆余热发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了氢燃料电池电堆余热发电系统，包括燃料电池电堆反应模块、发电模块和燃料电池散热模块；燃料电池电堆反应模块上设有第一冷却液进口和第一冷却液出口；发电模块包括换热器、透平和发电机，换热器上开设有第二冷却液进口和第二冷却液出口，换热器内填充有机工质，透平上设有透平入口，透平入口与工质蒸汽出口相通，透平的转轴与发电机的转轴连接；燃料电池散热模块包括散热器，散热器上设有第三冷却液进口和第三冷却液出口，第三冷却液进口与第二冷却液出口连通，且第三冷却液出口与所述第一冷却液进口连通。本方案实现了将氢燃料电池电堆冷却系统带走的热量进行回收利用，并进行发电的目的。

Description

氢燃料电池电堆余热发电系统

技术领域

本实用新型涉及能量回收技术领域，具体涉及一种氢燃料电池电堆余热发电系统。

背景技术

氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置。其基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阳极和阴极，氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阴极。

氢燃料电池电堆是由多个氢燃料电池所组成的电池组。氢燃料电池电堆在将化学能转换成电能的过程中会产生热量，为了保证电堆的正常运行，需要利用冷却系统对电堆进行冷却。

现有技术中氢燃料电池电堆是使用水冷或者风冷的方式对电堆进行冷却，并将电堆的热能直接排入周围的空气中，这样会造成电堆的热能被冷却系统浪费掉，并且冷却系统还会消耗大量电力。

实用新型内容

针对现有技术存在的上述不足，本实用新型要解决的技术问题是：如何提供一种能对氢燃料电池电堆冷却系统带走的热量进行回收利用的氢燃料电池电堆余热发电系统。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

氢燃料电池电堆余热发电系统，包括燃料电池电堆反应模块、发电模块和燃料电池散热模块；

所述燃料电池电堆反应模块用于发生燃料电池的电堆反应，且所述燃料电池电堆反应模块上设有第一冷却液进口和第一冷却液出口；

所述发电模块包括换热器、透平和发电机，所述换热器上开设有第二冷却液进口和第二冷却液出口，其中所述第二冷却液进口与所述第一冷却液出口连通，所述第二冷却液出口与所述燃料电池散热模块连通，所述换热器内填充有机工质，且在所述换热器上还设有供汽化后的有机工质排出的工质蒸汽出口，所述透平上设有透平入口，所述透平入口与所述工质蒸汽出口相通，以使得汽化后的有机工质能进入到所述透平内并推动所述透平的转轴转动，所述透平的转轴与所述发电机的转轴连接，以使得所述透平的转轴转动时能够带动所述发电机进行发电；

所述燃料电池散热模块包括散热器，所述散热器上设有第三冷却液进口和第三冷却液出口，所述第三冷却液进口与所述第二冷却液出口连通，且所述第三冷却液出口与所述第一冷却液进口连通。

本实用新型的工作原理是：本方案的燃料电池电堆反应模块在进行反应时，会产生大量的热量，此时燃料电池散热模块中从散热器排出的冷却液将经第一冷却液进口进入到燃料电池电堆反应模块中，并将燃料电池电堆反应模块产生的热量进行吸收后从第一冷却液出口排出，此时从第一冷却液出口排出的冷却液具有较高的热量，经第一冷却液出口排出的冷却液进一步从第二冷却液进口进入到换热器中，进入到换热器中的冷却液热量将进一步传递给有机工质后从第二冷却液出口排出到散热器中，散热器将冷却液进一步进行散热后再次对燃料电池电堆进行冷却；

同时，冷却液传递到有机工质的热量将对有机工质进行加热，由于有机工质的沸点较低，在冷却液传递的热量的作用下将使得有机工质汽化，汽化后的有机工质进一步经工质蒸汽出口进入到透平内，并推动透平的转轴转动进行做功，透平的转轴转动时还将进一步带动发电机的转轴转动，从而使得发电机发出电能，由此就实现了将氢燃料电池电堆冷却系统带走的热量进行回收利用，并进行发电的目的。

优选的，所述发电模块还包括工质冷凝器和工质泵，所述换热器上还开设有工质回流入口，所述透平上还开设有透平出口，所述透平出口与所述工质冷凝器的入口连通，以使得对所述透平做功后的有机工质进入所述工质冷凝器内并冷却为液体，所述工质冷凝器的出口与所述工质泵的入口相通，且所述工质泵的出口与所述换热器的工质回流入口相通，以使得液化后的有机工质能在所述工质泵的作用下回流到所述换热器内。

这样，对透平做功结束后的有机工质进入到工质冷凝器中，并在工质冷凝器中变为液体，变为液体后的有机工质在工质泵的作用下进一步回到换热器内，这样就可以实现有机工质的循环利用，同时换热器，透平、工质冷凝器和工质泵等共同形成有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle，简称ORC）的结构，本方案中燃料电池电堆反应模块的工作温度大约在65℃左右，利用燃料电池电堆反应模块的余热作为ORC有机朗肯循环发电的热源，通过ORC有机朗肯循环回收燃料电池电堆反应模块余热中的能量具有回收效率高的优点，由于循环中显热/潜热不相等，而ORC技术中此比例大，因此采用ORC技术可回收较多的热量。

优选的，所述燃料电池电堆反应模块包括燃料电池电堆、氢气供应组件和空气供应组件，所述燃料电池电堆分别与所述氢气供应组件和所述空气供应组件连通，以使得所述氢气供应组件和所述空气供应组件能够分别向所述燃料电池电堆提供反应需要的氢气和空气。

这样，利用氢气供应组件和空气供应组件分别向燃料电池电堆提供反应所需要的氢气和空气，依次来保证燃料电池电堆的正常工作。

优选的，所述发电模块还包括电源组件，所述发电机的电能输出端与所述电源组件的电能输入端连接，以将所述发电机发出的电能输入到所述电源组件，所述电源组件的电能输出端用于与用电储电模块连接，以将所述电源组件的电能输出到用电储电模块中。

这样，将发电机发出的电能输入到电源组件，再通过电源组件将电能进一步输入到用电或储电设备中，以实现对发电机发出电能的利用。

优选的，所述燃料电池散热模块还包括冷却循环水泵，所述冷却循环水泵连接在所述第三冷却液出口和所述第一冷却液进口之间，以使得冷却液能够按既定的流向从所述第三冷却液出口流向所述第一冷却液进口。

这样，通过设置冷却循环水泵，使得冷却液在燃料电池电堆反应模块和燃料电池散热模块之间始终按既定的路线流动，从而保证了进入到燃料电池电堆反应模块的冷却液是经过散热器散热后的冷却液，以此来保证冷却液对燃料电池电堆反应模块的冷却效果。

附图说明

图1为本实用新型氢燃料电池电堆余热发电系统的结构框图。

附图标记说明：燃料电池电堆1、发电模块2、换热器21、透平22、工质冷凝器23、工质泵24、发电机25、电源组件26、燃料电池散热模块3、散热器31、冷却循环水泵32、空气供应组件4、氢气供应组件5、用电储电模块6。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明。

如附图1所示，氢燃料电池电堆余热发电系统，包括燃料电池电堆反应模块、发电模块2和燃料电池散热模块3；

燃料电池电堆反应模块用于发生燃料电池的电堆反应，且燃料电池电堆反应模块上设有第一冷却液进口和第一冷却液出口；

发电模块2包括换热器21、透平22和发电机25，换热器21上开设有第二冷却液进口和第二冷却液出口，其中第二冷却液进口与第一冷却液出口连通，第二冷却液出口与燃料电池散热模块3连通，换热器21内填充有机工质，且在换热器21上还设有供汽化后的有机工质排出的工质蒸汽出口，透平22上设有透平22入口，透平22入口与工质蒸汽出口相通，以使得汽化后的有机工质能进入到透平22内并推动透平22的转轴转动，透平22的转轴与发电机25的转轴连接，以使得透平22的转轴转动时能够带动发电机25进行发电；

燃料电池散热模块3包括散热器31，散热器31上设有第三冷却液进口和第三冷却液出口，第三冷却液进口与第二冷却液出口连通，且第三冷却液出口与第一冷却液进口连通。

本实用新型的工作原理是：本方案的燃料电池电堆反应模块在进行反应时，会产生大量的热量，此时燃料电池散热模块3中从散热器31排出的冷却液将经第一冷却液进口进入到燃料电池电堆反应模块中，并将燃料电池电堆反应模块产生的热量进行吸收后从第一冷却液出口排出，此时从第一冷却液出口排出的冷却液具有较高的热量，经第一冷却液出口排出的冷却液进一步从第二冷却液进口进入到换热器21中，进入到换热器21中的冷却液热量将进一步传递给有机工质后从第二冷却液出口排出到散热器31中，散热器31将冷却液进一步进行散热后再次对燃料电池电堆反应模块1进行冷却；

同时，冷却液传递到有机工质的热量将对有机工质进行加热，由于有机工质的沸点较低，在冷却液传递的热量的作用下将使得有机工质汽化，汽化后的有机工质进一步经工质蒸汽出口进入到透平22内，并推动透平22的转轴转动进行做功，透平22的转轴转动时还将进一步带动发电机25的转轴转动，从而使得发电机25发出电能，由此就实现了将氢燃料电池电堆1冷却系统带走的热量进行回收利用，并进行发电的目的。

在本实施例中，发电模块2还包括工质冷凝器23和工质泵24，换热器21上还开设有工质回流入口，透平22上还开设有透平22出口，透平22出口与工质冷凝器23的入口连通，以使得对透平22做功后的有机工质进入工质冷凝器23内并冷却为液体，工质冷凝器23的出口与工质泵24的入口相通，且工质泵24的出口与换热器21的工质回流入口相通，以使得液化后的有机工质能在工质泵24的作用下回流到换热器21内。

这样，对透平22做功结束后的有机工质进入到工质冷凝器23中，并在工质冷凝器23中变为液体，变为液体后的有机工质在工质泵24的作用下进一步回到换热器21内，这样就可以实现有机工质的循环利用，同时换热器21，透平22、工质冷凝器23和工质泵24等共同形成有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle，简称ORC）的结构，本方案中燃料电池电堆反应模块的工作温度大约在65℃左右，利用燃料电池电堆反应模块的余热作为ORC有机朗肯循环发电的热源，通过ORC有机朗肯循环回收燃料电池电堆反应模块余热中的能量具有回收效率高的优点，由于循环中显热/潜热不相等，而ORC技术中此比例大，因此采用ORC技术可回收较多的热量。

在本实施例中，燃料电池电堆反应模块包括燃料电池电堆1、氢气供应组件5和空气供应组件4，燃料电池电堆1分别与氢气供应组件5和空气供应组件4连通，以使得氢气供应组件5和空气供应组件4能够分别向燃料电池电堆1提供反应需要的氢气和空气，具体实施时，第一冷却液进口和第一冷却液出口均开设在燃料电池电堆1上。

这样，利用氢气供应组件5和空气供应组件4分别向燃料电池电堆1提供反应所需要的氢气和空气，依次来保证燃料电池电堆1的正常工作。

在本实施例中，发电模块2还包括电源组件26，发电机25的电能输出端与电源组件26的电能输入端连接，以将发电机25发出的电能输入到电源组件26，电源组件26的电能输出端用于与用电储电模块6连接，以将电源组件26的电能输出到用电储电模块6中。需要说明的是，用电储电模块6并非一定是本系统固有的部分，其可以属于或者不属于本系统的一部分，均在本实用新型的保护范围之内。

这样，将发电机25发出的电能输入到电源组件26，再通过电源组件26将电能进一步输入到用电或储电设备中，以实现对发电机25发出电能的利用。

在本实施例中，燃料电池散热模块3还包括冷却循环水泵32，冷却循环水泵32连接在第三冷却液出口和第一冷却液进口之间，以使得冷却液能够按既定的流向从第三冷却液出口流向第一冷却液进口。

这样，通过设置冷却循环水泵32，使得冷却液在燃料电池电堆反应模块和燃料电池散热模块3之间始终按既定的路线流动，从而保证了进入到燃料电池电堆反应模块的冷却液是经过散热器31散热后的冷却液，以此来保证冷却液对燃料电池电堆反应模块的冷却效果。

本方案的氢燃料电池电堆余热发电系统的完整工作方法包括以下步骤：

步骤一：空气供应组件4和氢气供应组件5分别向燃料电池电堆1供应空气和氢气，使得燃料电池电堆1工作，燃料电池电堆1上第一冷却液出口输出的冷却液通过换热器21的第二冷却液进口进入换热器21中，换热器21将冷却液的热量交换给有机物工质，从而加热有机物工质，进而使换热器21中的有机工质汽化；

步骤二：汽化的有机工质从工质蒸汽出口排出并进入透平22内做功，透平22将有机工质汽化的热能转换为机械能，使透平22的转轴转动，进而带动发电机25的转轴转动；

步骤三：发电机25的转轴转动发出电能，输出的电能通过电源组件26进行转化后输出到用电储存模块；

步骤四：进入到换热器21的冷却液将进一步从换热器21的第二冷却液出口输出后从第三冷却液进口进入到散热器31内进行进一步散热，散热后的冷却液从第三冷却液出口排出后进入冷却循环水泵32，再进一步经冷却循环水泵32进入到燃料电池电堆1中进行冷却。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.氢燃料电池电堆余热发电系统，其特征在于，包括燃料电池电堆反应模块、发电模块和燃料电池散热模块；

所述燃料电池电堆反应模块用于发生燃料电池的电堆反应，且所述燃料电池电堆反应模块上设有第一冷却液进口和第一冷却液出口；

所述发电模块包括换热器、透平和发电机，所述换热器上开设有第二冷却液进口和第二冷却液出口，其中所述第二冷却液进口与所述第一冷却液出口连通，所述第二冷却液出口与所述燃料电池散热模块连通，所述换热器内填充有机工质，且在所述换热器上还设有供汽化后的有机工质排出的工质蒸汽出口，所述透平上设有透平入口，所述透平入口与所述工质蒸汽出口相通，以使得汽化后的有机工质能进入到所述透平内并推动所述透平的转轴转动，所述透平的转轴与所述发电机的转轴连接，以使得所述透平的转轴转动时能够带动所述发电机进行发电；

所述燃料电池散热模块包括散热器，所述散热器上设有第三冷却液进口和第三冷却液出口，所述第三冷却液进口与所述第二冷却液出口连通，且所述第三冷却液出口与所述第一冷却液进口连通。

2.根据权利要求1所述的氢燃料电池电堆余热发电系统，其特征在于，所述发电模块还包括工质冷凝器和工质泵，所述换热器上还开设有工质回流入口，所述透平上还开设有透平出口，所述透平出口与所述工质冷凝器的入口连通，以使得对所述透平做功后的有机工质进入所述工质冷凝器内并冷却为液体，所述工质冷凝器的出口与所述工质泵的入口相通，且所述工质泵的出口与所述换热器的工质回流入口相通，以使得液化后的有机工质能在所述工质泵的作用下回流到所述换热器内。

3.根据权利要求1所述的氢燃料电池电堆余热发电系统，其特征在于，所述燃料电池电堆反应模块包括燃料电池电堆、氢气供应组件和空气供应组件，所述燃料电池电堆分别与所述氢气供应组件和所述空气供应组件连通，以使得所述氢气供应组件和所述空气供应组件能够分别向所述燃料电池电堆提供反应需要的氢气和空气。

4.根据权利要求1所述的氢燃料电池电堆余热发电系统，其特征在于，所述发电模块还包括电源组件，所述发电机的电能输出端与所述电源组件的电能输入端连接，以将所述发电机发出的电能输入到所述电源组件，所述电源组件的电能输出端用于与用电储电模块连接，以将所述电源组件的电能输出到用电储电模块中。

5.根据权利要求1所述的氢燃料电池电堆余热发电系统，其特征在于，所述燃料电池散热模块还包括冷却循环水泵，所述冷却循环水泵连接在所述第三冷却液出口和所述第一冷却液进口之间，以使得冷却液能够按既定的流向从所述第三冷却液出口流向所述第一冷却液进口。

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