CN104538656B - 基于余热利用的燃料电池空气供给*** - Google Patents

基于余热利用的燃料电池空气供给*** Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于余热利用的燃料电池空气供给***，其包括：有机工质泵，连通外部的有机工质储液罐；第一换热器；膨胀机；冷凝器；空气压缩机；增湿器。有机工质储液罐、有机工质泵、第一换热器、膨胀机、冷凝器形成基于有机朗肯循环的余热回收循环回路；空气压缩机、第一换热器、增湿器形成增压空气供给路径；有机工质泵将有机工质储液罐中的液态有机工质泵出输送给第一换热器；第一换热器接收有机工质泵输送的液态有机工质；经过第一换热器后的液态有机工质再与燃料电池进行热交换，以吸收燃料电池的余热并蒸发为气态有机工质，气态有机工质进入膨胀机、驱动膨胀机做功，做功后的乏气进入冷凝器并冷却成液态被输送到有机工质储液罐。

Description

基于余热利用的燃料电池空气供给***
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种基于余热利用的燃料电池空气供给***。
背景技术
燃料电池***由燃料电池堆和空气供给***、氢气***、冷却***等辅助***组成。空气供给***向燃料电池堆供应具有一定压力和湿度的空气，是燃料电池***的重要组成部分。空气供给***的性能对燃料电池***的效率、体积、重量和瞬态响应性等均具有重要影响。空气供给***的核心部件空压机是燃料电池***的主要耗能部件，消耗的功率约占燃料电池堆输出功率的15％～20％，对燃料电池***效率影响很大。
现有的燃料电池空压机的驱动方式主要有两种：1)利用电动机驱动，2)利用燃料电池排气和电机共同驱动，第一种方式空压机的全部功耗由燃料电池提供。第二种方式利用燃料电池排气能量驱动空压机，由于燃料电池排气温度较低，其能量不能满足空压机的功率需求，须通过辅助电机联合作用驱动压气机才能满足燃料电池空气供给要求。两种驱动方式都需要消耗一部分燃料电池的输出功率，导致***净输出功率减小。
发明内容
针对燃料电池空压机功耗大导致***效率低的问题，本发明提供一种基于余热利用的燃料电池空气供给***，其能提高燃料电池***的净输出功率和***效率。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于余热利用的燃料电池空气供给***，其包括：有机工质泵，连通外部的有机工质储液罐；第一换热器，设置在有机工质泵的下游并受控连通有机工质泵；膨胀机，设置在第一换热器的下游并受控连通第一换热器；冷凝器，设置在膨胀机的下游并受控连通膨胀机且受控连通所述外部的有机工质储液罐；空气压缩机，一侧受控连通外部空气而另一侧连通于第一换热器且同轴连接于膨胀机；以及增湿器，一端连通于第一换热器而另一端连通于燃料电池。其中，外部的有机工质储液罐、有机工质泵、第一换热器、膨胀机、冷凝器形成基于有机朗肯循环的余热回收循环回路；空气压缩机、第一换热器以及增湿器形成增压空气供给路径；有机工质泵将有机工质储液罐中的液态有机工质泵出输送给第一换热器；第一换热器接收有机工质泵输送的液态有机工质；经过第一换热器后的液态有机工质再与燃料电池进行热交换，以吸收燃料电池的余热并蒸发为气态有机工质，随后气态有机工质进入膨胀机、驱动膨胀机做功，做功后的乏气进入冷凝器并冷却成液态且输送到有机工质储液罐；膨胀机做功驱动与其同轴的空气压缩机对进入空气压缩机内的空气进行压缩并向第一换热器输送压缩空气，且当第一换热器中同时流经液态有机工质和压缩空气时，流经第一换热器的压缩空气与液态有机工质进行热交换，压缩空气放热并降温而液态有机工质吸热而升温，降温后的压缩空气经由增湿器增加湿度后输送到燃料电池中进行电化学反应。
本发明的有益效果如下：
将来自燃料电池的电化学反应的余热回收转换为机械功，将这部分机械功用于压缩空气，从而实现基于余热利用的燃料电池空气供给***的驱动动力全部来自燃料电池的余热，相比于现有技术，空气压缩机不消耗燃料电池的输出功率，显著提高了燃料电池***的净输出功率。
附图说明
图1为根据本发明的基于余热利用的燃料电池空气供给***的一实施例的示意图；
图2为根据本发明的基于余热利用的燃料电池空气供给***的另一实施例的示意图。
其中，附图标记说明如下：
11有机工质泵 19冷却介质泵
12第一换热器 20冷却介质管路
13膨胀机 21涡轮旁通回路
14冷凝器 22电动阀门
141风扇 23控制器
15空气压缩机 C燃料电池
16增湿器 S流量传感器
17有机工质管路 V控制阀门
18第二换热器
具体实施方式
下面参照附图来详细说明根据本发明的基于余热利用的燃料电池空气供给***。
参照图1和图2，根据本发明的基于余热利用的燃料电池空气供给***包括：有机工质泵11，连通外部的有机工质储液罐(未示出)；第一换热器12，设置在有机工质泵11的下游并受控连通有机工质泵11；膨胀机13，设置在第一换热器12的下游并受控连通第一换热器12；冷凝器14，设置在膨胀机13的下游并受控连通膨胀机13且受控连通所述外部的有机工质储液罐；空气压缩机15，一侧受控连通外部空气而另一侧连通于第一换热器12且同轴连接于膨胀机13；以及增湿器16，一端连通于第一换热器12而另一端连通于燃料电池C。其中，外部的有机工质储液罐、有机工质泵11、第一换热器12、膨胀机13、冷凝器14形成基于有机朗肯循环的余热回收循环回路；空气压缩机15、第一换热器12以及增湿器16形成增压空气供给路径；有机工质泵11将有机工质储液罐中的液态有机工质泵出输送给第一换热器12；第一换热器12接收有机工质泵11输送的液态有机工质；经过第一换热器12后的液态有机工质再与燃料电池C进行热交换，以吸收燃料电池C的余热并蒸发为气态有机工质，随后气态有机工质进入膨胀机13、驱动膨胀机13做功，做功后的乏气进入冷凝器14并冷却成液态且输送到有机工质储液罐(用于参与下次循环)；膨胀机13做功驱动与其同轴的驱动空气压缩机15对进入空气压缩机15内的空气进行压缩并向第一换热器12输送压缩空气，且当第一换热器12中同时流经液态有机工质和压缩空气时，流经第一换热器12的压缩空气与液态有机工质进行热交换，压缩空气放热并降温而液态有机工质吸热而升温，降温后的压缩空气经由增湿器16增加湿度后输送到燃料电池C中进行电化学反应。
将来自燃料电池C的电化学反应的余热回收转换为机械功，将这部分机械功用于空气压缩机15，从而实现基于余热利用的燃料电池空气供给***的驱动动力全部来自燃料电池C的余热，相比于现有技术，空气压缩机15不消耗燃料电池C的输出功率，显著提高了燃料电池***的净输出功率。
在根据本发明的基于余热利用的燃料电池空气供给***的一实施例中，参照图2，经过第一换热器12后的液态有机工质再与燃料电池C进行的热交换可为间接热交换；所述基于余热利用的燃料电池空气供给***还可包括：第二换热器18，一侧连通于第一换热器12而另一侧连通于膨胀机13；冷却介质泵19，设置在第二换热器18的下游并与第二换热器18连通；以及冷却介质管路20，内收容有冷却介质，一端连通于冷却介质泵19而另一端连通于第二换热器18且经过燃料电池C，以使冷却介质吸收燃料电池C的余热。其中，外部的有机工质储液罐、有机工质泵11、第一换热器12、第二换热器18、膨胀机13、冷凝器14形成基于有机朗肯循环的余热回收循环回路；第二换热器18、冷却介质泵19以及冷却介质管路20形成冷却介质循环回路；经由第一换热器12进入第二换热器18中的液态有机工质与经由冷却介质管路20进入到第二换热器18中的已吸收燃料电池C余热的冷却介质在第二换热器18中进行热交换，已吸收燃料电池C余热的冷却介质放热而降温，液态有机工质吸收冷却介质放出的热量并蒸发为气态有机工质。在一实施例中，冷却介质为水，当然不限于此，冷却介质可以依据实际需要选择任何合适的具体类型。
在根据本发明的基于余热利用的燃料电池空气供给***的一实施例中，参照图1，经过第一换热器12后的液态有机工质再与燃料电池C进行的热交换可为直接热交换；基于余热利用的燃料电池空气供给***还可包括：有机工质管路17，一端连通于第一换热器12而另一端连通于膨胀机13且经过燃料电池C，经过第一换热器12后的液态有机工质经由有机工质管路17进入燃料电池C以吸收燃料电池C的余热并蒸发为气态有机工质。其中，外部的有机工质储液罐、有机工质泵11、第一换热器12、有机工质管路17、膨胀机13、冷凝器14形成基于有机朗肯循环的余热回收循环回路。该实施例直接由有机工质替代换热，布局紧凑，减少了换热损失，回收利用的余热量较图2实施方式多，膨胀机13的输出功率大，能够获得较高的压缩比，从而提升燃料电池C的动力特性。
在根据本发明的基于余热利用的燃料电池空气供给***的一实施例中，参照图1和图2，基于余热利用的燃料电池空气供给***还可包括：涡轮旁通回路21，一端连通于膨胀机13的上游而另一端连通在膨胀机13的下游且所述另一端与冷凝器14连通；以及电动阀门22，设置于涡轮旁通回路21，控制涡轮旁通回路21的流量。涡轮旁通回路21及电动阀门22的设置能够调节膨胀机13的功率输出，从而控制空气压缩机15的功率输出，进而能够匹配燃料电池C在不同工况下的增压负荷。具体地，当有机工质回收的热量过多、燃料电池C当前运行工况不需要较大的空压比或有机工质参数未达到工作状态需要空转时，可通过电动阀门22调整阀门开度将富余的经换热的有机工质通过涡轮旁通回路21进行旁通，然后直接经冷凝器14冷却输送到有机工质储液罐。
在根据本发明的基于余热利用的燃料电池空气供给***的一实施例中，参照图1和图2，基于余热利用的燃料电池空气供给***还可包括：控制器23，通信连接有机工质泵11、第一换热器12、膨胀机13、冷凝器14、空气压缩机15、第二换热器18、增湿器16、冷却介质泵19。控制器23可为车载电子控制器。所述通信连接可为有线连接或无线连接。控制器23可保证燃料电池C的余热被充分带走并保证进入膨胀机4前的有机工质的工作参数，从而确保基于余热利用的燃料电池空气供给***运行的稳定性。
在根据本发明的基于余热利用的燃料电池空气供给***的一实施例中，参照图2，第二换热器18的输入冷却介质的输入端可设置有：流量传感器S，通信连接控制器23，检测第二换热器18中的热量大小。
在根据本发明的基于余热利用的燃料电池空气供给***的一实施例中，参照图2，冷却介质泵19为变频泵且与控制器23通信连接。
在根据本发明的基于余热利用的燃料电池空气供给***的一实施例中，参照图1和图2，有机工质泵11为变频泵且与控制器23通信连接。
在根据本发明的基于余热利用的燃料电池空气供给***的一实施例中，参照图1和图2，冷凝器14可具有风扇141，冷凝器14与控制器23通信连接，通过控制器23控制冷凝器14的风扇141的转速来调节冷凝速率。
在根据本发明的基于余热利用的燃料电池空气供给***的一实施例中，参照图1和图2，空气压缩机15可设置有与控制器23通信连接的控制阀门V，以控制输入到空气压缩机15中的外部空气。。
在根据本发明的基于余热利用的燃料电池空气供给***中，“受控”连通均可通过设置控制阀来进行。

Claims (10)

1.一种基于余热利用的燃料电池空气供给***，其特征在于，包括：
有机工质泵(11)，连通外部的有机工质储液罐；
第一换热器(12)，设置在有机工质泵(11)的下游并受控连通有机工质泵(11)；
膨胀机(13)，设置在第一换热器(12)的下游并受控连通第一换热器(12)；
冷凝器(14)，设置在膨胀机(13)的下游并受控连通膨胀机(13)且受控连通所述外部的有机工质储液罐；
空气压缩机(15)，一侧受控连通外部空气而另一侧连通于第一换热器(12)且同轴连接于膨胀机(13)；以及
增湿器(16)，一端连通于第一换热器(12)而另一端连通于燃料电池(C)；
其中，
外部的有机工质储液罐、有机工质泵(11)、第一换热器(12)、膨胀机(13)、冷凝器(14)形成基于有机朗肯循环的余热回收循环回路；
空气压缩机(15)、第一换热器(12)以及增湿器(16)形成增压空气供给路径；
有机工质泵(11)将有机工质储液罐中的液态有机工质泵出输送给第一换热器(12)；
第一换热器(12)接收有机工质泵(11)输送的液态有机工质；
经过第一换热器(12)后的液态有机工质再与燃料电池(C)进行热交换，以吸收燃料电池(C)的余热并蒸发为气态有机工质，随后气态有机工质进入膨胀机(13)、驱动膨胀机(13)做功，做功后的乏气进入冷凝器(14)并冷却成液态且输送到有机工质储液罐；膨胀机(13)做功驱动与其同轴的空气压缩机(15)对进入空气压缩机(15)内的空气进行压缩并向第一换热器(12)输送压缩空气，且当第一换热器(12)中同时流经液态有机工质和压缩空气时，流经第一换热器(12)的压缩空气与液态有机工质进行热交换，压缩空气放热并降温而液态有机工质吸热而升温，降温后的压缩空气经由增湿器(16)增加湿度后输送到燃料电池(C)中进行电化学反应。
2.根据权利要求1所述的基于余热利用的燃料电池空气供给***，其特征在于，
经过第一换热器(12)后的液态有机工质再与燃料电池(C)进行的热交换为直接热交换；
基于余热利用的燃料电池空气供给***还包括：
有机工质管路(17)，一端连通于第一换热器(12)而另一端连通于膨胀机(13)且经过燃料电池(C)，经过第一换热器(12)后的液态有机工质经由有机工质管路(17)进入燃料电池(C)以吸收燃料电池(C)的余热并蒸发为气态有机工质；
其中，外部的有机工质储液罐、有机工质泵(11)、第一换热器(12)、有机工质管路(17)、膨胀机(13)、冷凝器(14)形成基于有机朗肯循环的余热回收循环回路。
3.根据权利要求1所述的基于余热利用的燃料电池空气供给***，其特征在于，
经过第一换热器(12)后的液态有机工质再与燃料电池(C)进行的热交换为间接热交换；
所述基于余热利用的燃料电池空气供给***还包括：
第二换热器(18)，一侧连通于第一换热器(12)而另一侧连通于膨胀机(13)；
冷却介质泵(19)，设置在第二换热器(18)的下游并与第二换热器(18)连通；以及
冷却介质管路(20)，内收容有冷却介质，一端连通于冷却介质泵(19)而另一端连通于第二换热器(18)且经过燃料电池(C)，以使冷却介质吸收燃料电池(C)的余热；
其中，
外部的有机工质储液罐、有机工质泵(11)、第一换热器(12)、第二换热器(18)、膨胀机(13)、冷凝器(14)形成基于有机朗肯循环的余热回收循环回路；
第二换热器(18)、冷却介质泵(19)以及冷却介质管路(20)形成冷却介质循环回路；
经由第一换热器(12)进入第二换热器(18)中的液态有机工质与经由冷却介质管路(20)进入到第二换热器(18)中的已吸收燃料电池(C)余热的冷却介质在第二换热器(18)中进行热交换，已吸收燃料电池(C)余热的冷却介质放热而降温，液态有机工质吸收冷却介质放出的热量并蒸发为气态有机工质。
4.根据权利要求3所述的基于余热利用的燃料电池空气供给***，其特征在于，冷却介质为水。
5.根据权利要求1所述的基于余热利用的燃料电池空气供给***，其特征在于，基于余热利用的燃料电池空气供给***还包括：
涡轮旁通回路(21)，一端连通于膨胀机(13)的上游而另一端连通在膨胀机(13)的下游且所述另一端与冷凝器(14)连通；以及
电动阀门(22)，设置于涡轮旁通回路(21)，控制涡轮旁通回路(21)的流量。
6.根据权利要求3所述的基于余热利用的燃料电池空气供给***，其特征在于，基于余热利用的燃料电池空气供给***还包括：
控制器(23)，通信连接有机工质泵(11)、第一换热器(12)、膨胀机(13)、冷凝器(14)、空气压缩机(15)、第二换热器(18)、增湿器(16)、冷却介质泵(19)。
7.根据权利要求6所述的基于余热利用的燃料电池空气供给***，其特征在于，第二换热器(18)的输入冷却介质的输入端设置有：
流量传感器(S)，通信连接控制器(23)，检测第二换热器(18)中的热量大小。
8.根据权利要求6所述的基于余热利用的燃料电池空气供给***，其特征在于，冷却介质泵(19)为变频泵且与控制器(23)通信连接。
9.根据权利要求6所述的基于余热利用的燃料电池空气供给***，其特征在于，
有机工质泵(11)为变频泵且与控制器(23)通信连接；
冷凝器(14)具有风扇(141)，冷凝器(14)与控制器(23)通信连接，通过控制器(23)控制冷凝器(14)的风扇(141)的转速来调节冷凝速率。
10.根据权利要求6所述的基于余热利用的燃料电池空气供给***，其特征在于，
空气压缩机(15)设置有与控制器(23)通信连接的控制阀门(V)，以控制输入到空气压缩机(15)中的外部空气。
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