CN217361659U - 一种燃料电池余热回收系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种燃料电池余热回收系统，包括燃料电池子系统、热分离子系统和逆向电渗析子系统，该系统能够先通过热分离子系统将燃料电池子系统排出的低品位热能转换为溶液浓差能，然后，通过逆向电渗析子系统将溶液浓差能转换为氢能/电能。因此，该系统能够对燃料电池出口排放的冷却液携带的低品位余废热进行回收利用，减少能源的浪费。

Description

一种燃料电池余热回收系统
技术领域
本实用新型涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池余热回收系统。
背景技术
燃料电池工作过程中，需要连续地向燃料电池电堆输送燃料以及氧化剂，燃料与氧化剂在膜电极两侧催化层上发生氧化还原反应，生成水以及大量的热。生成的热通过系统中循环的冷却液带走，并释放到外界。通常来说，作为热量传递媒介的冷却液出口温度低于90℃，属于低品位余废热，这部分热能能量密度低且利用转换难度大，直接排放到环境中造成了能源的浪费。
因此，如何回收利用燃料电池排放的低品位余废热，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型的目的是提供一种燃料电池余热回收系统，该系统能够对燃料电池出口排放的冷却液携带的低品位余废热进行回收利用，减少能源的浪费。
为了达到上述目的，本实用新型提供了如下技术方案：
一种燃料电池余热回收系统，包括：
燃料电池子系统，所述燃料电池子系统包括燃料电池堆，所述燃料电池堆的电堆冷却液出口和电堆冷却液入口之间通过冷却液循环管路连通；
热分离子系统，所述热分离子系统包括热分离器，所述热分离器的内侧下部容纳有工作溶液并设有第一换热器，所述第一换热器的入口和出口串联或并联接通于所述冷却液循环管路，所述第一换热器用于加热所述工作溶液并生成浓工作溶液和溶液蒸汽，所述热分离器的内侧上部设有用于吸收所述溶液蒸汽的热量并生成稀工作溶液的第二换热器，所述热分离器还连通有用于收集所述浓工作溶液的浓工作溶液储罐和用于收集所述稀工作溶液的稀工作溶液储罐；
逆向电渗析子系统，所述逆向电渗析子系统包括RED电堆，所述RED电堆包括阴极室、阳极室以及在所述阴极室和所述阳极室之间依次交替分布的浓溶液流道和稀溶液流道，所述浓溶液流道和相邻的所述稀溶液流道之间通过离子交换膜隔开，所述浓溶液流道的进口端与所述浓工作溶液储罐连通且出口端连通有用于容纳中间工作溶液的中间工作溶液储罐，所述稀溶液流道的进口端与所述稀工作溶液储罐连通且出口端连通于所述中间工作溶液储罐，所述中间工作溶液储罐连通于所述热分离器，所述阴极室和所述阳极室内部循环流动有电极液，所述RED电堆通过外电路输出电能；
其中，所述中间工作溶液的浓度大于所述稀工作溶液的浓度并且小于所述浓工作溶液的浓度。
优选地，所述热分离器的内侧上部设有用于收集所述稀工作溶液的收集槽，所述稀工作溶液储罐连通于所述收集槽。
优选地，所述浓工作溶液储罐通过第一泵连通所述浓溶液流道，所述稀工作溶液储罐通过第二泵连通所述稀溶液流道，所述中间工作溶液储罐通过第三泵连通所述热分离器。
优选地，所述第一换热器的至少部分浸没在所述工作溶液的液面以下。
优选地，所述冷却液循环管路包括工作循环管路和小循环管路，所述工作循环管路和所述小循环管路通过三通换向阀并联布置，所述第一换热器的入口和出口串联接通于所述工作循环管路。
优选地，所述冷却液循环管路还设有用于检测冷却液出堆温度的温度传感器。
优选地，所述第一换热器和/或所述第二换热器为盘管式换热器。
优选地，本实用新型的燃料电池余热回收系统还包括用于容纳电极液的电极液储罐，所述阴极室的入口和所述阳极室的入口均连通于所述电极液储罐，所述阴极室的出口连通有阴极气液分离器，所述阳极室的出口连通有阳极气液分离器，所述阴极气液分离器的出液口和所述阳极气液分离器的出液口均连通于所述电极液储罐，所述阴极气液分离器的出气口连通于所述燃料电池堆的氢气进堆管路，所述电极液为碱性溶液。
优选地，所述电极液为氢氧化钠溶液。
优选地，所述工作溶液为氯化钠溶液。
本实用新型提供的燃料电池余热回收系统，包括燃料电池子系统、热分离子系统和逆向电渗析子系统，其工作原理如下：
燃料电池堆的反应热被冷却液吸收，吸热升温后的冷却液经冷却液循环管路进入热分离器的第一换热器，再由第一换热器的出口和冷却液循环管路回流到电堆冷却液入口，热分离器内的工作溶液通过第一换热器吸收冷却液的热量后蒸发，部分溶剂以蒸汽的形式上升，同时携带部分溶质，蒸汽上升至第二换热器处遇冷凝结成液态并形成稀工作溶液，然后收集至稀工作溶液储罐中，而热分离器下方的工作溶液由于溶剂的蒸发从而变为浓工作溶液，并由浓工作溶液储罐收集。接着，浓工作溶液和稀工作溶液分别通入RED电堆的不同流道内，由于浓/稀工作溶液间具有溶液浓差能，因此，在RED电堆中形成定向的离子流，并最终在RED电堆两侧的阴极室和阳极室产生电势差，RED电堆因此能够向外电路输出电能。完成离子交换后的溶液变为中间工作溶液并重新回到热分离器进行热分离。
本实用新型具有以下优点：
1)、特别适用于船用燃料电池系统，海洋中可源源不断的为热分离器的第二换热器提供冷却水以及RED电堆的工作溶液电解质(通常为NaCl)；
2)、热分离子系统将第一换热器和第二换热器整合到一个腔体内，简化了系统结构；
3)、本方案能够对燃料电池出口排放的冷却液携带的低品位余废热进行回收利用，逆向电渗析子系统可通过改变电极液成分的方式实现产氢/产电的转换。产生的电能可以经DC/DC转换器后储存在动力电池中，而产生的氢气则可重复循环进入电堆，实现能源的综合利用，提高能源利用率；
4)、燃料电池冷却液经降温后温度下降至50～60℃，满足电堆冷却液入口的温度要求，可降低冷却液大循环中散热器的功耗。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型具体实施例中的燃料电池余热回收系统的工作原理示意图。
图1中的各项附图标记的含义如下：
1-第一换热器、2-第二换热器、3-收集槽、4-稀工作溶液储罐、5-第二泵、6-浓工作溶液储罐、7-第一泵、8-阳极气液分离器、9-阳极室、10-稀溶液流道、11-电极液储罐、12-第四泵、13-浓溶液流道、14-阴极室、15-阴极气液分离器、16-中间工作溶液储罐、17-第三泵、18-氢气循环泵、19-燃料电池堆、20-冷却液循环管路、21-热分离器、22-工作循环管路、23-小循环管路、24-三通换向阀、25-温度传感器、26-冷却液泵、27-真空泵。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
请参照图1，图1为本实用新型具体实施例中的燃料电池余热回收系统的工作原理示意图。
本实用新型提供了一种燃料电池余热回收系统，包括：燃料电池子系统、热分离子系统和逆向电渗析子系统，其中，燃料电池子系统包括燃料电池堆19，燃料电池堆19的电堆冷却液出口和电堆冷却液入口之间通过冷却液循环管路20连通；
热分离子系统包括热分离器21，热分离器21的内侧下部容纳有工作溶液并设有第一换热器1，第一换热器1的入口和出口串联或并联接通于冷却液循环管路20，第一换热器1用于加热工作溶液并生成浓工作溶液和溶液蒸汽，热分离器21的内侧上部设有用于吸收溶液蒸汽的热量并生成稀工作溶液的第二换热器2，热分离器21还连通有用于收集浓工作溶液的浓工作溶液储罐6和用于收集稀工作溶液的稀工作溶液储罐4；
逆向电渗析子系统包括RED电堆，RED电堆包括阴极室14、阳极室9以及在阴极室14和阳极室9之间依次交替分布的浓溶液流道13和稀溶液流道10，浓溶液流道13和相邻的稀溶液流道10之间通过离子交换膜隔开，浓溶液流道13的进口端与浓工作溶液储罐6连通且出口端连通有用于容纳中间工作溶液的中间工作溶液储罐16，稀溶液流道10的进口端与稀工作溶液储罐4连通且出口端连通于中间工作溶液储罐16，中间工作溶液储罐16连通于热分离器21，阴极室14和阳极室9内部循环流动有电极液，RED电堆通过外电路输出电能；
其中，中间工作溶液的浓度大于稀工作溶液的浓度并且小于浓工作溶液的浓度。
需要说明的是，本实用新型中的工作溶液通常采用氯化钠溶液或氯化钾溶液等盐溶液，要求工作溶液能够受热蒸发和冷凝并形成浓度较高的浓工作溶液以及浓度较低的稀工作溶液，从而为RED电堆提供两种不同浓度工作溶液，进而利用溶液浓差能(即两种不同浓度工作溶液之间的化学势差能)进行能量转换。优选地，本方案中的工作溶液为氯化钠溶液。
本实用新型的工作原理如下：
燃料电池堆19的反应热被冷却液吸收，吸热升温后的冷却液经冷却液循环管路20进入热分离器21的第一换热器1，再由第一换热器1的出口和冷却液循环管路20回流到电堆冷却液入口，热分离器1内的工作溶液通过第一换热器1吸收冷却液的热量后蒸发，部分溶剂以蒸汽的形式上升，同时携带部分溶质，蒸汽上升至第二换热器2处遇冷凝结成液态并形成稀工作溶液，然后收集至稀工作溶液储罐4中，而热分离器21下方的工作溶液由于溶剂的蒸发从而变为浓工作溶液，并由浓工作溶液储罐6收集。浓工作溶液与稀工作溶液之间具有溶液浓差能。接着，浓工作溶液和稀工作溶液分别通入RED电堆的不同流道内，由于浓/稀工作溶液间具有溶液浓差能，因此，在RED电堆中形成定向的离子流，并最终在RED电堆两侧的阴极室14和阳极室9产生电势差，RED电堆因此能够向外电路输出电能。完成离子交换后的溶液变为中间工作溶液并储存在中间工作溶液储罐16，最后，可将中间工作溶液按需重新回流到热分离器21进行热分离。
需要说明的是，该燃料电池余热回收系统中循环的工作溶液总量大于RED电堆所需工作溶液的量，工作溶液在热分离器21中蒸发时，生成的浓工作溶液收集后储存在浓工作溶液储罐6中，此时，由RED电堆产生的中间工作溶液储存在中间工作溶液储罐16中且并未回流进入热分离器21中，以免与刚刚生成的浓工作溶液混合。当浓工作溶液储罐6内储存有足够多的浓工作溶液后，通过关闭阀门等方式暂停收集浓工作溶液，此时，再将中间工作溶液储罐16内的中间工作溶液泵入热分离器21中，同时，浓工作溶液储罐6中的浓工作溶液通过第一泵7进入RED电堆的浓溶液流道参与工作，从而保证RED电堆持续工作。
优选地，热分离器21的内侧上部设有用于收集稀工作溶液的收集槽3，稀工作溶液储罐4连通于收集槽3。如此设置，可以更加便于对稀工作溶液的收集。
为了提高热分离效率，本方案还在热分离器21的顶部连接有真空泵27，通过对热分离器抽真空的方式降低溶剂的沸点，使工作溶液更易于蒸发。或者，也可以在工作溶液中添加低沸点组分，以此降低工作溶液的沸点。
优选地，如图1所示，浓工作溶液储罐6通过第一泵7连通浓溶液流道13，稀工作溶液储罐4通过第二泵5连通稀溶液流道10，中间工作溶液储罐16通过第三泵17连通热分离器21。
优选地，第一换热器1的至少部分浸没在工作溶液的液面以下。如此设置，可以保证第一换热器1持续与工作溶液接触，从而提高对工作溶液的换热效率。
优选地，冷却液循环管路20包括工作循环管路22和小循环管路23，工作循环管路22和小循环管路23通过三通换向阀24并联布置，第一换热器1的入口和出口串联接通于工作循环管路22。具体的，工作循环管路22用于实现燃料电池堆19的冷却液大循环，小循环管路23用于实现冷却液小循环，本方案将第一换热器1串接于工作循环管路22中，可以实现利用大部分冷却液的余热对热分离器21内的工作溶液进行加热，提高了对冷却液余热的利用率。
优选地，冷却液循环管路20还设有用于检测冷却液出堆温度的温度传感器25。如图1所示，温度传感器25用于监测电堆冷却液出口的冷却液温度。当冷却液出堆温度低于预设温度(例如60℃)时，则通过小循环管路23自然降温后回到电堆冷却液入口，此时，由于冷却液出堆温度较低，其蕴含的余热较少，故没有流经第一换热器1进行回收利用；当冷却液出堆温度高于预设温度(例如60℃)时，则变换三通换向阀24，使冷却液经工作循环管路22进入第一换热器1进行余热回收利用，换热后的冷却液温度降低，再经工作循环管路22回流至电堆冷却液入口。
另外，冷却液循环管路20中还设有冷却液泵26，用于为冷却液的循环提供动力。
优选地，本实用新型中的第一换热器1和/或第二换热器2为盘管式换热器，当然，也可以选用其他例如板式换热器等换热装置，本文不再一一列举。
优选地，本实用新型的燃料电池余热回收系统还包括用于容纳电极液的电极液储罐11，阴极室14的入口和阳极室9的入口均连通于电极液储罐11，如图1所示，电极液储罐11通过第四泵12向阴极室14和阳极室9输入电极液，阴极室14的出口连通有阴极气液分离器15，阳极室9的出口连通有阳极气液分离器8，阴极气液分离器15的出液口和阳极气液分离器8的出液口均连通于电极液储罐11，阴极气液分离器15的出气口连通于燃料电池堆19的氢气进堆管路，电极液为碱性溶液。
需要说明的是，本方案中的逆向电渗析子系统利用阴/阳离子交换膜将不同浓度溶液之间的溶液浓差能转换为电能。其具体工作原理如下：
浓工作溶液和稀工作溶液分别经溶液泵进入到RED电堆的相应的浓溶液流道13和稀溶液流道10，两部分流道均被中间的离子交换膜隔开，在离子交换膜之间形成溶液浓度差，在溶液浓度差的驱动下，浓工作溶液中的阴离子或阳离子分别穿过对应的离子交换膜进入到稀工作溶液中，在RED电堆中形成定向的离子流。由于离子的定向迁移，浓工作溶液中离子浓度降低，稀工作溶液中离子浓度升高，在离子交换膜两端形成膜电势，多个电池单元串联，在电堆两侧阴/阳电极处产生电势差。完成离子交换后的浓工作溶液和稀工作溶液从RED电堆的出口流出，进入中间工作溶液储罐16中，再通过第三泵17重新泵回到热分离器21进行热分离；
在电势差的作用下，在RED电堆的电极处发生氧化还原反应，根据需要的不同选用不同电极液，产生电能或氢能：电极液在电极液储罐11与阴极室14和阳极室9内循环流动，在电势差的作用下，电极液中的电解质离子在阴极得电子而发生还原反应，以及在阳极失电子而发生氧化反应，电子通过外电路由阳极流向阴极，产生电流。根据电极液的不同，发生的电极反应也不同。若需要RED电堆产出电能，则要求电极液中具有可逆的氧化还原对，则电极处发生可逆的氧化还原反应，只发生电子的得失，不生成任何副产物。若需要RED电堆产出氢气，则选用碱性溶液或酸性溶液。优选地，本方案中的电极液为NaOH溶液，电极反应如下：
阴极反应：4H2O+4e-＝2H2+4OH-
阳极反应：4OH-＝2H2O+O2+4e-
总反应：2H2O＝2H2+O2
本方案在阴极气液分离器15中得到分离出的氢气，氢气可通过氢气进堆管路中的氢气循环泵18进入燃料电池堆19，实现循环利用。阳极气液分离器8则分离出氧气，氧气可储存在氧气罐中进行回收。
本实用新型具有以下优点：
1)、特别适用于船用燃料电池系统，海洋中可源源不断的为热分离器21的第二换热器2提供冷却水以及RED电堆的工作溶液电解质(通常为NaCl)；
2)、热分离子系统将第一换热器1和第二换热器2整合到一个腔体内，简化了系统结构；
3)、本方案能够对燃料电池出口排放的冷却液携带的低品位余废热进行回收利用，逆向电渗析子系统可通过改变电极液成分的方式实现产氢/产电的转换。产生的电能可以经DC/DC转换器后储存在动力电池中，而产生的氢气则可重复循环进入电堆，实现能源的综合利用，提高能源利用率；
4)、燃料电池冷却液经降温后温度下降至50～60℃，满足电堆冷却液入口的温度要求，可降低冷却液大循环中散热器的功耗。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种燃料电池余热回收系统，其特征在于，包括：
燃料电池子系统，所述燃料电池子系统包括燃料电池堆，所述燃料电池堆的电堆冷却液出口和电堆冷却液入口之间通过冷却液循环管路连通；
热分离子系统，所述热分离子系统包括热分离器，所述热分离器的内侧下部容纳有工作溶液并设有第一换热器，所述第一换热器的入口和出口串联或并联接通于所述冷却液循环管路，所述第一换热器用于加热所述工作溶液并生成浓工作溶液和溶液蒸汽，所述热分离器的内侧上部设有用于吸收所述溶液蒸汽的热量并生成稀工作溶液的第二换热器，所述热分离器还连通有用于收集所述浓工作溶液的浓工作溶液储罐和用于收集所述稀工作溶液的稀工作溶液储罐；
逆向电渗析子系统，所述逆向电渗析子系统包括RED电堆，所述RED电堆包括阴极室、阳极室以及在所述阴极室和所述阳极室之间依次交替分布的浓溶液流道和稀溶液流道，所述浓溶液流道和相邻的所述稀溶液流道之间通过离子交换膜隔开，所述浓溶液流道的进口端与所述浓工作溶液储罐连通且出口端连通有用于容纳中间工作溶液的中间工作溶液储罐，所述稀溶液流道的进口端与所述稀工作溶液储罐连通且出口端连通于所述中间工作溶液储罐，所述中间工作溶液储罐连通于所述热分离器，所述阴极室和所述阳极室内部循环流动有电极液，所述RED电堆通过外电路输出电能；
其中，所述中间工作溶液的浓度大于所述稀工作溶液的浓度并且小于所述浓工作溶液的浓度。
2.根据权利要求1所述的燃料电池余热回收系统，其特征在于，所述热分离器的内侧上部设有用于收集所述稀工作溶液的收集槽，所述稀工作溶液储罐连通于所述收集槽。
3.根据权利要求1所述的燃料电池余热回收系统，其特征在于，所述浓工作溶液储罐通过第一泵连通所述浓溶液流道，所述稀工作溶液储罐通过第二泵连通所述稀溶液流道，所述中间工作溶液储罐通过第三泵连通所述热分离器。
4.根据权利要求1所述的燃料电池余热回收系统，其特征在于，所述第一换热器的至少部分浸没在所述工作溶液的液面以下。
5.根据权利要求1所述的燃料电池余热回收系统，其特征在于，所述冷却液循环管路包括工作循环管路和小循环管路，所述工作循环管路和所述小循环管路通过三通换向阀并联布置，所述第一换热器的入口和出口串联接通于所述工作循环管路。
6.根据权利要求5所述的燃料电池余热回收系统，其特征在于，所述冷却液循环管路还设有用于检测冷却液出堆温度的温度传感器。
7.根据权利要求1所述的燃料电池余热回收系统，其特征在于，所述第一换热器和/或所述第二换热器为盘管式换热器。
8.根据权利要求1所述的燃料电池余热回收系统，其特征在于，还包括用于容纳电极液的电极液储罐，所述阴极室的入口和所述阳极室的入口均连通于所述电极液储罐，所述阴极室的出口连通有阴极气液分离器，所述阳极室的出口连通有阳极气液分离器，所述阴极气液分离器的出液口和所述阳极气液分离器的出液口均连通于所述电极液储罐，所述阴极气液分离器的出气口连通于所述燃料电池堆的氢气进堆管路，所述电极液为碱性溶液。
9.根据权利要求1-8任一项所述的燃料电池余热回收系统，其特征在于，所述电极液为氢氧化钠溶液。
10.根据权利要求1-8任一项所述的燃料电池余热回收系统，其特征在于，所述工作溶液为氯化钠溶液。
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