一种基于有机朗肯循环的燃料电池余热发电系统的制作方法

1.本发明涉及燃料电池余热利用领域，具体为一种基于有机朗肯循环的燃料电池余热发电系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.质子交换膜燃料电池的发电效率约为40％，产生的废热能量占总能量的50％以上，温度范围约为60
‑
80℃，其余热品味低，热功率大，因此回收废热能量是较为经济性的做法。
4.有机朗肯循环是以低沸点有机物为工质的朗肯循环，其中，有机工质能够从余热热源中吸收热量，形成过热蒸汽，在透平机中做功，进而实现余热发电，排出的乏汽经过凝汽器的冷却过程凝结成液态，再经过循环泵的压缩重新回到循环初始状态。
5.传统的基于有机朗肯循环的余热利用系统中，受限于换热效率低下和系统结构复杂等问题，使得余热利用率低、寄生损耗高。如果通过抽取过热蒸汽预热有机工质则能够提高热力循环效率，但这损失了一部分过热蒸汽，在这种方式下，热力循环效率的提高是以牺牲可用热容量为代价的，会使得有机朗肯循环的发电量减小。


技术实现要素：

6.为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种基于有机朗肯循环的燃料电池余热发电系统，燃料电池的电堆的冷却装置被有机朗肯循环装置代替，电堆中的热量被用于直接加热有机朗肯循环中的有机工质，电堆阴极的排气热量用于预热有机工质。引入了金属氢化物储存罐，吸收热力循环中的乏汽能量，使金属氢化物发生可逆的化学反应解析出氢气，实现了能量的梯级利用，提高能量利用效率的同时简化了系统结构。
7.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：本发明的第一个方面提供一种基于有机朗肯循环的燃料电池余热发电系统，包括燃料电池冷却系统、有机朗肯循环装置和金属氢化物储氢系统；
8.燃料电池冷却系统包括，与电堆连接的冷却液管道，冷却液管道依次连接有机朗肯循环装置中的透平机和金属氢化物储氢系统中的金属氢化物储存罐；
9.有机朗肯循环装置包括相连接的发电机和透平机；
10.金属氢化物储氢系统包括相连接的金属氢化物储存罐和氢气罐，氢气罐与电堆阳极的入口管道连接。
11.电堆为质子交换膜燃料电池。
12.氢气罐的出口连接在电堆阳极的氢气入口管道上。氢气罐中的氢气作为质子交换膜燃料电池工作时的燃料来源。
13.电堆阳极的氢气出口连接氢气循环泵，将未消耗的氢气输送至氢气入口管道中循
环使用。电堆内部产生的热量经有机工质吸收，通过冷却液管道输送至透平机中做功，透平机驱动发电机实现余热发电。
14.有机工质在透平机中做功后的乏汽通过冷却液管道输送至金属氢化物储罐，金属氢化物储罐吸收乏汽中的气化潜热并释放出氢气储存于氢气罐中。失去热量后的有机工质成为饱和液态，集中存储在容器中，通过工质泵输送至换热器中吸收电堆阴极出口处的空气热量并完成预热，最终输送至电堆中重新吸收电堆的热量形成循环。
15.换热器与电堆阴极的空气出口管道连接，利用电堆排出的高温空气预热有机工质，换热后的空气散失至大气中。
16.冷却液管道上设有出口温度传感器和入口温度传感器，用于控制电堆温度。
17.与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果
18.1、有机朗肯循环中的有机工质直接充当了电堆的冷却液，吸收了电堆的余热成为过热蒸汽。对于有机朗肯循环来说，省去了蒸发器；对于质子交换膜燃料电池来说，省去了冷却风扇。
19.2、金属氢化物解析氢气的过程吸收了有机朗肯循环中的乏汽的汽化潜热，乏汽得到冷却成为恢复到饱和状态，对于有机朗肯循环来说，省去了凝汽器；对于金属氢化物储氢罐来说，省去了外部加热装置。
20.3、与传统的基于有机朗肯循环的余热利用系统相比，系统换热损失小，工质的过热温度更高，热力循环效率更高。
21.4、利用了电堆阴极出口的热气流对工质泵出口的未饱和工质预热，进一步提高了废热利用率的同时，保证了电堆进、出口工质的温度差保持在一定范围内。
附图说明
22.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
23.图1是本发明一个或多个实施例提供的传统有机朗肯循环系统结构图；
24.图2是本发明一个或多个实施例提供的余热系统结构示意图；
25.图3是本发明一个或多个实施例提供的余热利用系统中有机朗肯循环的温度
‑
熵循环示意图；
26.图中：1
‑
蒸发器，2
‑
循环泵，3
‑
透平机，4
‑
冷凝器，5
‑
氢气循环泵，6
‑
冷却水出口温度传感器，7
‑
电堆，8
‑
冷却水入口温度传感器，9
‑
换热器，10
‑
工质泵，11
‑
电磁阀，12
‑
透平机，13
‑
金属氢化物储存罐，14
‑
存储容器，15
‑
氢气罐。
具体实施方式
27.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
28.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
29.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式
也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
30.正如背景技术中所描述的，传统的基于有机朗肯循环的余热利用系统中，通过抽取过热蒸汽预热有机工质则能够提高热力循环效率，但这损失了一部分过热蒸汽，在这种方式下，热力循环效率的提高是以牺牲可用热容量为代价的，会使得有机朗肯循环的发电量减小。
31.因此，以下实施例中，质子交换膜燃料电池的电堆的冷却系统由有机朗肯循环装置代替，电堆中的热量被用于直接加热有机朗肯循环中的有机工质，电堆阴极的排气热量用于预热有机工质，引入了金属氢化物储存罐，吸收热力循环中的乏汽能量，使金属氢化物发生可逆的化学反应解析出氢气，作为pemfc的燃料供给，实现了能量的梯级利用，提高能量利用效率的同时简化了系统结构。
32.氢气与一些金属或合金可以发生可逆的化学反应生成金属氢化物，金属间化合物合金a
y
b
z
与氢气的可逆反应可以表示为：
[0033][0034]
其中，可以看出，金属氢化物在一定条件下可以释放出氢气，其释放氢气的反应是吸热过程。研究表明，大多数适用于低温质子交换膜燃料电池的金属氢化物解吸氢气所需的能量约为存储的氢气量高热值的10
‑
20％，而金属氢化物在环境温度为15
‑
20℃范围时，解吸氢气的速率不能够满足电堆工作时的对燃料质量流量的需求，因此需要外界提供热量以达到足够的氢气释放速率。现有的研究几乎都是利用质子交换膜燃料电池的冷却液直接为金属氢化物提供热量，而余热回收量受限于金属氢化物吸收热量的能力和所需的解吸焓，因此仍存在大量的余热未被利用。
[0035]
实施例一：
[0036]
如图1
‑
3所示，一种基于有机朗肯循环的燃料电池余热发电系统，包括：燃料电池冷却系统、有机朗肯循环装置和金属氢化物系统；
[0037]
燃料电池冷却系统包括，与电堆7连接的冷却液管道，冷却液管道依次连接有机朗肯循环装置的透平机12和金属氢化物系统的金属氢化物储存罐13；
[0038]
有机朗肯循环装置包括，与发电机连接的透平机12，透平机12与燃料电池冷却系统的冷却液管道连接；
[0039]
金属氢化物系统包括，与氢气罐15连接的金属氢化物储存罐13，金属氢化物储存罐13与燃料电池冷却系统的冷却液管道连接。
[0040]
氢气罐15的出口连接在电堆7的氢气入口上，电堆7的氢气出口连接氢气循环泵5，氢气循环泵5将氢气输送给氢气罐15。
[0041]
冷却液管道由电堆7的冷却液出口引出，依次经冷却水出口温度传感器6、透平机12、金属氢化物储存罐13、存储容器14、电磁阀11、工质泵10、换热器9和冷却水入口温度传感器8连接至电堆7的冷却液入口。
[0042]
上述结构中，电堆7是将化学能转化成电能的装置，电堆内部产生的热量由有机朗肯循环装置中的有机工质直接吸收，而不需要额外的外部冷却器。有机朗肯循环装置中的液态有机工质吸收了电堆中的废热，成为过热蒸汽，并通过热力循环过程转化为机械能，进而转化为电能，本实施例中，过热蒸汽进入透平机驱动发电机实现发电。
[0043]
其中，电堆直接代替了有机朗肯循环中的蒸发器装置，不需要额外的换热器，降低了热量损耗。有机工质做功后变成乏汽状态，乏汽中的热量由金属氢化物储氢罐13吸收，金属氢化物吸收乏汽中的热量并释放出氢气储存于氢气罐中15，并作为质子交换膜燃料电池工作时的燃料来源，氢气罐连接电堆的阳极入口，阳极出口的为反应氢气由氢气循环泵5导入至氢气进气歧管中。
[0044]
传统的有机朗肯循环热力循环过程如图1所示，蒸发器1吸收余热热源，携带热量的高温工质进入透平机带动发电机实现发电，排出的乏汽进入冷凝器放热形成液体，经循环泵2驱动返回蒸发器1继续吸热实现循环。
[0045]
如图3所示，
①‑②‑③‑④‑⑤‑⑥‑⑦‑①
过程是本实施例的有机朗肯循环的热力循环过程，
①‑②‑③‑⑨‑⑩‑⑥‑⑦‑①
过程是传统余热利用系统的有机朗肯循环热力循环过程。如图1所示，
⑨‑⑩
的过程是使用外部换热器时的做功过程，外部换热器的换热过程造成了更多的热量散失，本实施例中省去了外部的换热器与原有机朗肯循环中的蒸发器1，有机工质直接进入电堆中吸收热量，因此
④
处的温度高于
⑨
处的温度。为了充分利用电堆产生的热量，电堆阴极出口的气流用于预热有机工质，这将提高有机工质进入电堆前的温度。利用金属氢化物释放氢气的吸热特性，将金属氢化物替代原有机朗肯循环中的冷凝器4，达到相匹配的放氢速率。本实施例提出的余热利用系统能够提供更高的过热蒸汽温度，热力循环效率更高，并且可以减小寄生功率损耗，提高能量利用效率。
[0046]
温度
‑
熵图中
①‑④
过程：
[0047]
电堆中的冷却液由有机朗肯循环中的有机工质代替，不饱和工质进入电堆中的冷却管路，吸收电堆中的热量，由不饱和状态进行等压加热，进入饱和状态后等压等温加热到汽化为饱和蒸汽，继续吸收电堆的热量直到成为过热蒸汽。
[0048]
其中，在
①‑②
过程中，不饱和工质在换热器(9)中与电堆阴极出口的热气流换热，被预热至
⑧
，其目的是：一是保证进、出口电堆的工质温度差保持在一定范围内，其中电堆进、出口温度由温度传感器(6和8)测量；二是被预热的有机工质进一步吸收了电堆阴极的废热，节省了从过热蒸汽中抽取的回热能量。
[0049]
温度
‑
熵图中
④‑⑤
过程：
[0050]
电堆冷却系统出口的过热蒸汽进入有机朗肯循环中的透平机(12)中，有机工质推动叶片做功，透平机连接发电机，机械能转化成电能输出，做功后的有机工质温度降低，成为乏汽状态。
[0051]
温度
‑
熵图中
⑤‑⑦
过程：
[0052]
乏汽进入到金属氢化物储氢罐，金属氢化物吸收乏汽中的汽化潜热，得到了解析氢气所需要的解析焓，同时乏汽将热量释放到金属氢化物储氢罐后恢复到饱和液态，并存储于存储容器14中。
[0053]
温度
‑
熵图中
⑦‑①
过程：
[0054]
饱和工质在工质泵10的作用下被压缩为不饱和状态，压力略有增大，其进入电堆的流量通过电磁阀11的开度控制。不饱和状态下的工质进入电堆后，吸收电堆中的热量再次成为饱和蒸汽，进而完成整个系统的循环。
[0055]
系统结构简化，寄生功率损耗减少。有机朗肯循环中的有机工质直接充当了电堆的冷却液，吸收了电堆的余热成为过热蒸汽。因此对于有机朗肯循环来说，省去了蒸发器，
对于质子交换膜燃料电池来说，省去了冷却风扇。金属氢化物解析氢气的过程吸收了有机朗肯循环中的乏汽的汽化潜热，乏汽得到冷却成为恢复到饱和状态。因此对于有机朗肯循环来说，省去了凝汽器，对于金属氢化物储氢罐来说，省去了外部加热装置。
[0056]
能量利用率提高。与传统的基于有机朗肯循环的余热利用系统相比，系统换热损失小，工质的过热温度更高，热力循环效率更高。利用了电堆阴极出口的热气流对工质泵出口的未饱和工质预热，进一步提高了废热利用率的同时，保证了电堆进、出口工质的温度差保持在一定范围内。
[0057]
金属氢化物作为一种储氢方式，在吸收热量后会解吸出氢气，是消耗金属氢化物的过程。随着系统的运行，金属氢化物不断被消耗，和其他储能系统一样，当容量不足时，需要外部的金属氢化物的补充。
[0058]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。