一种基于氢气蒸发气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，具体为一种基于氢气蒸发气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℃，回收废热能量是较为经济性的做法。
4.热再生电化学循环装置、热电发电装置和热原电池等发电装置常用于回收废热并产生额外的电能，其发电效率都与热端和冷端的传热速率和温度有关。传统的余热发电装置中，热端通过换热器吸收废热中的热量，而冷端直接向空气中散热。
5.当质子交换膜燃料电池的废热作为上述三种余热发电装置的热源时，其温度范围约为60
‑
80℃，因此热端处换热器中的温度则限制在60
‑
80℃难以进一步提高，而冷端换热器的温度会受限于环境温度更难以进一步降低，因此导致传统的热再生电化学循环装置、热电发电装置和热原电池等发电装置直接用于质子交换膜燃料电池的废热回收时发电效率较低。


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氢气蒸发气的燃料电池余热发电系统，利用氢气蒸发气的冷能降低热再生电化学循环装置、热电发电装置或热原电池等余热发电装置的冷端温度，同时氢气蒸发气吸收热量产生的氢气直接作为质子交换膜燃料电池的燃料供给。其中，氢气蒸发气在氢气膨胀机中释放压力的过程中，对外做的机械功将传递至空气压缩机。空气压缩机是质子交换膜燃料电池空气进气子系统的重要部件，能够提高质子交换膜燃料电池电堆阴极的空气进气压力和流量，从而在提高余热发电效率的同时降低了部件寄生功率损耗的效果。
7.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.本发明的第一个方面提供一种基于氢气蒸发气的燃料电池余热发电系统，包括：燃料电池系统、电堆冷却系统、余热发电装置和氢气蒸发气系统；
9.燃料电池系统包括，分别与电堆连接的氢气罐和空气压缩机，氢气罐接收来自氢气蒸发气系统的氢气蒸发气，空气压缩机与氢气膨胀机连接，氢气膨胀机带动空气压缩机产生压缩空气进入电堆用于发电；
10.电堆冷却系统包括，与电堆连接的冷却液管道，冷却液管道分别连接间壁式换热器和余热发电装置的热端换热器；
11.余热发电装置包括，分别与余热发电装置本体连接的热端换热器和冷端换热器；
12.氢气蒸发气系统包括，分别与液氢罐连接的氢气蒸发气压缩机和缓冲罐，氢气蒸
发气分别经压缩机和管道进入缓冲罐，依次经余热发电装置的冷端换热器和电堆冷却系统的间壁式换热器，与燃料电池系统的氢气膨胀机连接。
13.电堆冷却系统的冷却液管道在电堆的冷却水出口处引出两路冷却液循环管路，，分别为第一冷却液循环管路和第二冷却液循环管路。
14.第一冷却液循环管路依次经热端换热器、水箱、第二电磁阀、循环泵和冷却水进口温度传感器返回至冷却水入口。
15.第二冷却液循环管路依次经第一电磁阀、间壁式换热器、循环泵和冷却水进口温度传感器返回至冷却水入口。
16.余热发电装置包括热再生电化学循环装置，热电发电装置和热原电池中的至少一种。
17.燃料电池系统为质子交换膜燃料电池，利用氢气罐中的氢气和空气压缩机压缩产生的压缩空气实现发电。
18.燃料电池系统电堆的氢气出口还设有氢气循环泵，将未消耗的氢气输送至氢气罐中循环使用。
19.液氢罐由于吸收环境热量而耗散的氢气蒸发气经蒸发气压缩机压缩后，回收进入缓冲罐中，液氢罐释放的氢气同样进入缓冲罐中；氢气蒸发气缓冲罐中的气体来源于液氢罐释放的氢气蒸发气和从液氢罐的不可逆耗散中收集得到的氢气蒸发气；缓冲罐中的氢气蒸发气进入冷端换热器中为余热发电装置的冷端散热，将其温度降至环境温度以下，氢气蒸发气在冷端换热器换热后成为高压低温状态。
20.冷却液吸收电堆中的热量后，一部分冷却液经第一冷却液循环管路流入余热发电装置的热端换热器，将冷却液中的热量传递至余热发电装置的热端，换热后的冷却液存储于水箱中，在循环泵的作用下，冷却液被循环导入电堆。
21.另一部分冷却液经第二冷却液循环管路流入间壁式换热器，利用间壁式换热器将冷却液的热量传递给氢气蒸发气，从而释放氢气蒸发气的压力，换热后的冷却液在循环泵的作用下导入电堆。
22.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
23.1、余热发电效率提高。热再生电化学循环装置、热电发电装置和热原电池等余热发电装置的发电效率与温度差密切相关，利用氢气蒸发气的冷能降低了这些发电装置的冷端温度，进而增大了余热发电装置的冷端和热端的温度差，提高了余热发电装置的发电效率。
24.2、能量利用率和系统集成度提高。氢气蒸发气经过多级的热量吸收后，在氢气膨胀机中释放压力的过程中，能够进一步产生机械能，这部分能量用于驱动空气压缩机工作，实现了能量的梯级利用，减少了能量损耗。
25.3、回收了液氢罐由于吸收环境热量导致耗散的氢气蒸发气，蒸发吸热后的氢气可直接作为燃料电池的燃料供给，系统集成度提高，系统对外界燃料供给的依赖程度降低。
附图说明
26.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。
27.图1是本发明一个或多个实施例提供的系统结构示意图；
28.图中：1
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氢气循环泵，2
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空气压缩机，3
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冷却水出口温度传感器，4
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电堆，5
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冷却水进口温度传感器，6
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循环泵，7
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氢气罐，8
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第一电磁阀，9
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热端换热器，10
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水箱，11
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第二电磁阀，12
‑
余热发电装置(12
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1、热再生电化学循环装置，12
‑
2、热电发电装置，12
‑
3、热原电池装置)，13
‑
氢气膨胀机，14
‑
间壁式换热器，15
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冷端换热器，16
‑
氢气蒸发气压缩机，17
‑
液氢罐，18
‑
氢气蒸发气缓冲罐。
具体实施方式
29.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
30.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。
31.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。
32.热再生电化学循环装置是一种电化学电池，由正极、负极和阴离子膜组成，其循环过程包括加热，充电，冷却和放电等，为了收集热能，电池从高温热源中吸收热量并在低温下释放热量。电池在被热源加热后，吸收热量并在相对较低的电压下充电。在被冷却之后，将在低温下放热，并以高电压放电，充电和放电过程之间的电压差决定了循环的功率输出，因此，电池将热能转化为电能。
33.热电发电装置也是一种将热能转化为电能的装置，是一种半导体器件，能够将加热通量(温度差)直接转化为电能，因此其热电转换效率通常受限于较低的温度差。
34.热原电池是一种原电池，其两个电极分别保持在不同温度下，温差能够驱动电路中通过电流，进而将废热等热源转化为电能，但其能量效率仅为0.1
‑
1％。
35.上述三种余热发电装置中，通过增大温度差能够提高余热发电效率，而提高热端温度或降低冷端温度都能够增大温度差。
36.液氢是一种超低温的液体氢燃料，储能密度非常高，这种储氢方式在未来的应用前景广阔。液氢的存储温度为
‑
253℃，其存储温度比环境温度低很多，具有潜在的冷能，其存储过程中压缩机消耗的能量约占储氢总能量的30％。由于液氢储罐难以与环境绝对绝热，因此液氢会吸收外界热量并蒸发出气体，例如200m3的液氢罐日蒸发率可达0.3％以上。
37.因此，以下实施例利用氢气蒸发气的冷能降低热再生电化学循环装置、热电发电装置或热原电池等余热发电装置的冷端温度，同时氢气蒸发气吸收热量产生的氢气直接作为质子交换膜燃料电池的燃料供给。其中，氢气蒸发气在氢气膨胀机中释放压力的过程中，对外做的机械功将传递至空气压缩机。空气压缩机是质子交换膜燃料电池空气进气子系统的重要部件，能够提高质子交换膜燃料电池电堆阴极的空气进气压力和流量，从而在提高余热发电效率的同时降低了部件寄生功率损耗的效果。
38.实施例一：
39.如图1所示，一种基于氢气蒸发气的燃料电池余热发电系统，包括：燃料电池系统、
电堆冷却系统、余热发电装置和氢气蒸发气系统；
40.燃料电池系统包括，分别与电堆4连接的氢气罐7和空气压缩机2，氢气罐7接收来自氢气蒸发气系统的氢气蒸发气，空气压缩机2与氢气膨胀机13连接，氢气膨胀机13带动空气压缩机2将电堆4输入压缩空气实现发电；
41.电堆冷却系统包括，与电堆4连接的冷却液管道，冷却液管道分别与余热发电装置的热端换热器9，和间壁式换热器14连接；
42.余热发电装置包括，分别与余热发电装置本体连接的热端换热器9和冷端换热器15；
43.氢气蒸发气系统包括，与液氢罐17连接的氢气蒸发气压缩机16，氢气蒸发气压缩机16将耗散的氢气蒸发气压缩后通过管道进入氢气蒸发气缓冲罐18，液氢罐释放的氢气蒸发气同样进入氢气蒸发气缓冲罐18中，再依次经余热发电装置的冷端换热器15和电堆冷却系统的间壁式换热器14，与燃料电池系统的氢气膨胀机13连接。
44.电堆冷却系统的冷却液管道由电堆4的冷却水出口经冷却水出口温度传感器3引出两路冷却液循环管路，分别为第一冷却液循环管路和第二冷却液循环管路；
45.第一冷却液循环管路依次经热端换热器9、水箱10、第二电磁阀11、循环泵6和冷却水进口温度传感器5返回至冷却水入口；
46.第二冷却液循环管路经冷却水依次经第一电磁阀8、间壁式换热器14、循环泵6和冷却水进口温度传感器5返回至冷却水入口。
47.余热发电装置12为热再生电化学循环装置12
‑
1，热电发电装置12
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2或热原电池12
‑
3中的任意一种。
48.燃料电池系统利用氢气罐7中的氢气和空气压缩机2中的压缩空气实现发电，电堆4的氢气出口还设有氢气循环泵1，将未消耗的氢气输送至氢气罐7中循环使用。
49.如图1所示，电堆4在工作中产生的热量通过冷却系统中的循环水带出系统，并由热再生电化学循环装置12
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1、热电发电装置12
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2或热原电池12
‑
3等余热发电装置12实现对冷却液的散热。其中，余热发电装置的热端吸收循环水中的热量，冷端通过间壁式换热器14由氢气蒸发气进行散热。余热发电装置的冷热温差作为发电的驱动，产生电能。氢气蒸发气吸收热量后存储于氢气罐7中，作为质子交换膜燃料电池的燃料供给。
50.电堆的冷却液吸收电堆中的热量后，一部分冷却液流入余热发电装置的热端换热器9中，并将冷却液中的热量传递至余热发电装置的热端，换热后的冷却液存储于水箱10中，在循环泵6的作用下，冷却液被循环导入电堆。其中，电堆进、出口冷却液的温度由温度传感器3和5测得，根据温度范围控制冷却液的流量，而冷却液的流量通过电磁阀11的开度控制。
51.余热发电装置包括热再生电化学循环装置、热电发电装置和热原电池等以温差作为驱动的装置，其热端与电堆冷却液出口处的热端换热器连接，用于吸收冷却液中的热量，作为发电装置的热驱动，其冷端与氢气蒸发气的冷端换热器15相连，用来吸收氢气蒸发气中的冷能。考虑到换热器和氢气蒸发气的热容量大小和换热能力的限制，所述的余热发电装置均由多个模块共同工作，以提高余热利用量。
52.液氢罐无法做到绝对意义上的绝热，仍然会有部分液氢吸热汽化，因此本实施例中，氢气蒸发气来源于两部分，一部分由氢气蒸发气压缩机16回收的，由液氢罐17吸收环境
热量而耗散的氢气蒸发气，另一部分由液氢罐17直接释放的氢气蒸发气；两部分氢气蒸发气都进入氢气蒸发气缓冲罐18中，经管道进入到冷端换热器15中，并作为散热器件，不断为余热发电装置的冷端散热，并将其温度降至环境温度以下，提高了余热发电装置冷端与热端的温度差。
53.氢气罐7中的氢气来源于氢气蒸发气，其中，氢气蒸发气在冷端换热器15中换热后成为高压低温状态。为了释放氢气蒸发气的压力，氢气蒸发气首先在间壁式换热器14中吸收另一部分电堆冷却液中的热量，其中电堆冷却液的流量由第一电磁阀8的开度控制，电堆冷却液在换热后流入到循环泵6前的管道a处。吸收电堆冷却液热量后的氢气蒸发气在氢气膨胀机13中膨胀，释放到一定压力后的氢气存储于氢气罐中，其可以直接作为质子交换膜燃料电池的燃料供给。
54.氢气膨胀机与空气进气子系统中的空气压缩机2相连，氢气蒸发气在氢气膨胀机中做的机械功用于驱动空气压缩机，其中空气压缩机用于提供过量的空气进气量，这降低了空气压缩机的寄生功率损耗。氢气膨胀机的做功不仅仅限于驱动空气压缩机，也可以用于驱动水泵等部件。
55.余热发电效率提高，热再生电化学循环装置、热电发电装置和热原电池等余热发电装置的发电效率与温度差密切相关，利用氢气蒸发气的冷能降低了这些发电装置的冷端温度，进而增大了发电装置的冷端和热端的温度差，提高了这些余热发电装置的发电效率。
56.能量利用率和系统集成度提高。氢气蒸发气经过多级的热量吸收后，在是氢气膨胀机中释放压力的过程中，能够进一步产生机械能，这部分能量用于驱动空气压缩机工作，实现了能量的梯级利用，减少了能量损耗。得到的氢气可直接作为燃料电池的燃料供给，系统集成度提高，系统对外界燃料供给的依赖程度降低。
57.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。