CN116826121A - 一种集成msr和orc的车用ht-pemfc*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种集成MSR和ORC的车用HT‑PEMFC***，包括MSR子***、HT‑PEMFC子***和ORC子***；MSR子***包括燃料箱、第一泵、热交换器、过热器、重整器、冷却器、分离器、变压吸附塔、储氢罐、第一压力调节器、连接管和第二压力调节器；第一泵和燃料箱连通，热交换器和第一泵连通，过热器和热交换器连通，重整器分别与过热器、热交换器连通，冷却器和热交换器连通，分离器分别与冷却器、燃料箱连通，变压吸附塔和分离器连通，储氢罐和变压吸附塔连通；本发明通过甲醇重整制氢为燃料电池***提供氢气，解决了氢气储存和运输的问题。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种集成MSR和ORC的车用HT-PEMFC***。
背景技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其高能量转换效率、高功率密度、零排放、噪音低和易维护等优点被视为燃料电池汽车(FCV)最有潜力的动力源之一。
目前，由于低温质子交换膜燃料电池(LT-PEMFC)的工作温度(60℃-80℃)的限制，使得产生的液态水会有可能造成膜“水淹”，这会导致反应气体的传输受到阻碍，大大影响燃料电池的性能；与LT-PEMFC相比，在更高温度(120–200℃)下运行的高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)具有明显的优势：加速电极处的反应动力学，简化了水和热管理***，提高了CO的耐受性，提高了电堆余热的品质；但现在纯氢燃料电池车仍存在着电池的制造与运营成本较高，基础设施投资大，氢气的制取、运输和存储等基础技术问题尚未完全解决，严重制约纯氢燃料电池汽车的发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种集成MSR和ORC的车用HT-PEMFC***，通过甲醇重整制氢为燃料电池***提供氢气，解决了氢气储存和运输的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种集成MSR和ORC的车用HT-PEMFC***，包括MSR子***、HT-PEMFC子***和ORC子***；
所述HT-PEMFC子***设置在所述MSR子***一侧，所述ORC子***设置在所述HT-PEMFC子***一侧；所述MSR子***包括燃料箱、第一泵、热交换器、过热器、重整器、冷却器、分离器、变压吸附塔、储氢罐、第一压力调节器、连接管和第二压力调节器；所述第一泵和所述燃料箱连通，所述热交换器和所述第一泵连通，所述过热器和所述热交换器连通，所述重整器分别与所述过热器、所述热交换器连通，所述冷却器和所述热交换器连通，所述分离器分别与所述冷却器、所述燃料箱连通，所述变压吸附塔和所述分离器连通，所述储氢罐和所述变压吸附塔连通，所述第一压力调节器和所述变压吸附塔连通，所述连接管和所述第一压力调节器连通，所述第二压力调节器分别与所述储氢罐、所述连接管连通。
其中，所述HT-PEMFC子***包括氢气压缩机、对接管、HT-PEMFC电堆、阳极热交换器、阴极热交换器、空气压缩机和第二泵；
所述氢气压缩机和所述连接管连通，所述对接管和所述重整器连通，所述HT-PEMFC电堆分别与所述氢气压缩机、所述过热器、所述对接管连通，所述阳极热交换器分别与所述连接管、所述HT-PEMFC电堆连通，所述阴极热交换器分别与所述HT-PEMFC电堆、所述阳极热交换器连通，所述空气压缩机和所述阴极热交换器连通，所述第二泵与所述对接管连通。
其中，所述ORC子***包括蒸发器、透平机、发电机、冷凝器和第三泵；
所述蒸发器分别与所述第二泵、所述HT-PEMFC电堆连通，所述透平机和所述蒸发器连通，所述发电机和所述透平机连通，所述冷凝器和所述透平机连通，所述第三泵分别与所述蒸发器、所述冷凝器连通。
本发明的一种集成MSR和ORC的车用HT-PEMFC***，从燃料箱流出的甲醇和水的混合液体经第一泵加压至热交换器进行预热，预热的甲醇水溶液在过热器中汽化，然后，蒸汽混合物流入重整器进行反应并产生氢气。蒸发和反应所需的热量来自于导热油(三乙二醇)所带出的HT-PEMFC电堆的废热。产生反应气体的混合物除氢气外，还包括CO、CO2、未完全反应的甲醇气和水蒸气。混合气体通过热交换器释放热量，用于预热进入的甲醇水溶液，之后气体混合物在冷却器中冷却。两相气液混合物在分离器中分离，甲醇和水溶液回流到油箱。分离出来的混合气体流入变压吸附***(PSA)提取纯氢气，剩余的CO和CO2流入环境中。提取的纯氢气供给HT-PEMFC分***运行，多余氢气流入储氢罐。在启动阶段，***可以从氢气罐中获得氢气。第一压力调节器和第二压力调节器可以根据FCV在运行中的操作条件进行调整。所述MSR子***产生的氢气流入储氢罐或者提供给HT-PEMFC电堆进行氧化还原反应产生电能；产生的氢气优先提供给HT-PEMFC子***中使用，多余的氢气则流入储气罐中进行储存；当产生的氢气不足以满足HT-PEMFC电堆需求时，储氢罐中的氢气流出进行补给，产生的氢气和储气罐流出的氢气分别交给第一压力调节器和第二压力调节器调节至电堆反应所需压力。所述MSR子***中的甲醇蒸汽重整制氢反应所需的热量来自于电堆产生的余热，HT-PEMFC电堆生产的余热优先提供给MSR子***生产氢气，多余的热量则提供给ORC子***进行回收做功。
所述MSR子***中甲醇的平衡转化率和氢气产率/>可以表示为:
式中，为摩尔流量。
如图2所示，达到平衡状态的CH3OH转化率随着反应温度Treaction和H2O/CH3OH摩尔比的增加而逐渐增加。当H2O/CH3OH的摩尔比大于1且反应温度大于453K时，MSR子***的CH3OH转化率在95％以上。
如图3所示，当H2O/CH3OH摩尔比大于1，氢气产量高于95％时，反应温度对氢气产量的影响不大；由于过热器和重整器都是由HT-PEMFC电堆的废热加热的，所以反应温度应该低于电堆出口的温度。因此，为了确保所提出的***有一个更好的输出性能，H2O/CH3OH的摩尔比应大于1.2；此时，在一定的反应温度下，MSR子***的甲醇平衡转化率和氢气产量可以大于95％。本发明采用甲醇蒸气重整，避免氢气运输和基础设施建设的成本，提高了***的经济性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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是本发明的一种集成MSR和ORC的车用HT-PEMFC***的结构示意图。
图2是本发明的MSR子***的反应温度和水醇摩尔比对甲醇转化率的影响示意图。
图3是本发明的MSR子***的反应温度和水醇摩尔比对氢气产率的影响示意图。
图4是本发明的ORC子***的结构示意图。
图5是本发明的ORC子***的温熵图。
图6是本发明的ORC子***的不同有机工质对ORC子***输出性能的影响示意图。
图7是燃料电池汽车动力***结构图。
1-MSR子***、2-HT-PEMFC子***、3-ORC子***、4-燃料箱、5-第一泵、6-热交换器、7-过热器、8-重整器、9-冷却器、10-分离器、11-变压吸附塔、12-储氢罐、13-第一压力调节器、14-连接管、15-第二压力调节器、16-氢气压缩机、17-对接管、18-HT-PEMFC电堆、19-阳极热交换器、20-阴极热交换器、21-空气压缩机、22-第二泵、23-蒸发器、24-透平机、26-发电机、27-冷凝器、28-第三泵。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
请参阅图1～图7，本发明提供一种集成MSR和ORC的车用HT-PEMFC***，包括MSR子***1、HT-PEMFC子***2和ORC子***3；
所述HT-PEMFC子***2设置在所述MSR子***1一侧，所述ORC子***3设置在所述HT-PEMFC子***2一侧；所述MSR子***1包括燃料箱4、第一泵5、热交换器6、过热器7、重整器8、冷却器9、分离器10、变压吸附塔11、储氢罐12、第一压力调节器13、连接管14和第二压力调节器15；所述第一泵5和所述燃料箱4连通，所述热交换器6和所述第一泵5连通，所述过热器7和所述热交换器6连通，所述重整器8分别与所述过热器7、所述热交换器6连通，所述冷却器9和所述热交换器6连通，所述分离器10分别与所述冷却器9、所述燃料箱4连通，所述变压吸附塔11和所述分离器10连通，所述储氢罐12和所述变压吸附塔11连通，所述第一压力调节器13和所述变压吸附塔11连通，所述连接管14和所述第一压力调节器13连通，所述第二压力调节器15分别与所述储氢罐12、所述连接管14连通。
在本实施方式中，从燃料箱4流出的甲醇和水的混合液体经第一泵5加压至热交换器6进行预热，预热的甲醇水溶液在过热器7中汽化，然后，蒸汽混合物流入重整器8进行反应并产生氢气。蒸发和反应所需的热量来自于导热油(三乙二醇)所带出的HT-PEMFC电堆18的废热。产生反应气体的混合物除氢气外，还包括CO、CO2、未完全反应的甲醇气和水蒸气。混合气体通过热交换器6释放热量，用于预热进入的甲醇水溶液，之后气体混合物在冷却器9中冷却。两相气液混合物在分离器10中分离，甲醇和水溶液回流到油箱。分离出来的混合气体流入变压吸附***(PSA)提取纯氢气，剩余的CO和CO2流入环境中。提取的纯氢气供给HT-PEMFC分***运行，多余氢气流入储氢罐12。在启动阶段，***可以从氢气罐中获得氢气。第一压力调节器13和第二压力调节器15可以根据FCV在运行中的操作条件进行调整。所述MSR子***1产生的氢气流入储氢罐12或者提供给HT-PEMFC电堆18进行氧化还原反应产生电能；产生的氢气优先提供给HT-PEMFC子***2中使用，多余的氢气则流入储气罐中进行储存；当产生的氢气不足以满足HT-PEMFC电堆18需求时，储氢罐12中的氢气流出进行补给，产生的氢气和储气罐流出的氢气分别交给第一压力调节器13和第二压力调节器15调节至电堆反应所需压力。所述MSR子***1中的甲醇蒸汽重整制氢反应所需的热量来自于电堆产生的余热，HT-PEMFC电堆18生产的余热优先提供给MSR子***1生产氢气，多余的热量则提供给ORC子***3进行回收做功。
所述MSR子***1中甲醇的平衡转化率和氢气产率/>可以表示为:
式中，为摩尔流量。
如图2所示，达到平衡状态的CH3OH转化率随着反应温度Treaction和H2O/CH3OH摩尔比的增加而逐渐增加。当H2O/CH3OH的摩尔比大于1且反应温度大于453K时，MSR子***1的CH3OH转化率在95％以上。
如图3所示，当H2O/CH3OH摩尔比大于1，氢气产量高于95％时，反应温度对氢气产量的影响不大；由于过热器7和重整器8都是由HT-PEMFC电堆18的废热加热的，所以反应温度应该低于电堆出口的温度。因此，为了确保所提出的***有一个更好的输出性能，H2O/CH3OH的摩尔比应大于1.2；此时，在一定的反应温度下，MSR子***1的甲醇平衡转化率和氢气产量可以大于95％。本发明采用甲醇蒸气重整，避免氢气运输和基础设施建设的成本，提高了***的经济性。
进一步的，所述HT-PEMFC子***2包括氢气压缩机16、对接管17、HT-PEMFC电堆18、阳极热交换器19、阴极热交换器20、空气压缩机21和第二泵22；
所述氢气压缩机16和所述连接管14连通，所述对接管17和所述重整器8连通，所述HT-PEMFC电堆18分别与所述氢气压缩机16、所述过热器7、所述对接管17连通，所述阳极热交换器19分别与所述连接管14、所述HT-PEMFC电堆18连通，所述阴极热交换器20分别与所述HT-PEMFC电堆18、所述阳极热交换器19连通，所述空气压缩机21和所述阴极热交换器20连通，所述第二泵22与所述对接管17连通。
在本实施方式中，进入HT-PEMFC子***2的氢气由压力调节器调节到工作压力；氢气压缩机16从燃料电池的阳极回收未完全反应的氢气，并将其加压到工作压力。回收的氢气与新鲜氢气混合，然后流入阳极热交换器19，混合氢气被加热到工作温度。通过空气压缩机21和阴极热交换器20对环境中的空气进行加压和加热以达到工作条件。HT-PEMFC电堆18中未反应的空气和生成的水流入热交换器6，为入口气体提供热量。HT-PEMFC电堆18在工作过程中产生电能和热量，产生的热量由导热油带出，其中部分热量提供给MSR子***1用于制氢，其余热量可提供给ORC子***3用于余热回收生产电功率。该方法采用冷却***和余热回收技术相结合，可以将HT-PEMFC电堆18的工作温度维持在合理范围内，同时充分利用电堆产生的余热来提高***效率。所述HT-PEMFC子***2利用阴极出口的过量空气和产生的水对入口氢气和氧气进行预热，在阳极热交换器19中将氢气加热至反应所需工作温度，在阴极热交换器20处将空气加热至反应所需的工作温度；同时，利用氢气循环压缩机25来回收未完全反应的氢气，从而提升了***燃料利用率。
进一步的，所述ORC子***3包括蒸发器23、透平机24、发电机26、冷凝器27和第三泵28；
所述蒸发器23分别与所述第二泵22、所述HT-PEMFC电堆18连通，所述透平机24和所述蒸发器23连通，所述发电机26和所述透平机24连通，所述冷凝器27和所述透平机24连通，所述第三泵28分别与所述蒸发器23、所述冷凝器27连通。
在本实施方式中，导热油在蒸发器23中释放热量，使有机工质汽化。过热的有机工质蒸汽流入透平机24，带动发电机26产生电能；有机工质蒸汽在冷凝器27中被液化，流入第三泵28；工作液由第三泵28加压到所需的压力后进入循环。如图4所示，过程：蒸发器23-透平机24-冷凝器27-第三泵28-蒸发器23是本发明的有机朗肯循环的热力循环过程。如图5所示，过程：蒸发器23-透平机24是工作流体在恒压条件下的吸热过程，有机工质充分吸收HT-PEMFC电堆18冷却通道中的热量，逐渐从液态蒸发，最后以过热蒸汽的形式流出电堆；过程：透平机24-冷凝器27为等熵膨胀过程，过热的有机工质蒸汽进入膨胀机带动发电机26发电，过热态工质在冷凝器27处放热冷凝为低压液态；过程：冷凝器27-第三泵28是一个等压冷凝过程，有机工作流体由过热蒸汽状态逐渐液化，最终达到饱和液体状态；过程：第三泵28-蒸发器23是等熵压缩过程。第三泵28将工作流体加压至所需压力后，液态工质通过工质泵循环到蒸发器23处，完成整个循环。根据ORC工作原理可知，过程蒸发器23-透平机24和过程冷凝器27-第三泵28是等压过程，而过程透平机24-冷凝器27和过程第三泵28-蒸发器23是等熵过程。有机工作流体的质量流速可以表示：
式中，质量流速，Qeva表示蒸发器23所蒸发的热量，表示流体的焓值。
经过膨胀机产生的功率Wexp可表示为：
式中，ηexp是膨胀机的等熵效率。
从有机工作液体在冷凝器27中扩散到环境中的热量Qcond可表示为：
在ORC子***3中，第三泵28所消耗的功率Wpump3为：
在假定***可以为负压环境的前提下，选择5种工质进行数值计算：R245fa，R245ca，R134a，R123和R11。
如图6所述，对于不同的有机工质，在所研究的温度和压力下，R245fa在ORC子***3中显示出最佳性能，其功率和效率分别为2.26kW和18.6％。R245fa的臭氧消耗潜能值(Ozone Depletion Potential，ODP)值为0，对环境的影响较为友好；从输出性能和环境保护的角度来看，R245fa更适合作为HT-PEMFC和ORC组合***中的有机工作液。
如图7所示，本发明燃料电池***应用于FCV动力***中，通过燃料电池与蓄电池并联(FC+B)驱动车辆行驶。
由于燃料电池的输出电压在运行过程中不太稳定，所以在电路上串联了一个DC/DC转换器，以确保输入电压在其范围内波动时，输出电压可以是一个恒定值；同时，蓄电池串联了一个DC/DC转换器可以提升最大放电功率，使汽车具有更好的启动性能，如提升燃料电池***温度，增大进气压力等，蓄电池功率较大可以确保电机能得到足够和稳定的能量输入，且启动时有较大的后备功率。燃料电池***和蓄电池输出电压经过DC/AC转换器驱动电机对外输出做功；燃料电池在低负荷下可为蓄电池进行充电，蓄电池也可进行汽车制动能源回收。
启动模式下：燃料电池冷启动性能较差，燃料电池***的功率不稳定，其输出功率不能传输到动力***中，由蓄电池提供驱动电机的全部能量；本发明的燃料电池***的氢气启动模式下由储气罐提供；蓄电池提供HT-PEMFC电堆18的入口氢气和氧气预热所需的功率消耗，加热燃料电池电堆入口气体，直至燃料电池开始运作。
正常工作模式下：燃料电池***开始运作产生电能驱动车辆行驶，HT-PEMFC电堆18产生的余热可提供MSR子***1进行重整制氢，产生的氢气提供燃料电池***，多余的热量可被ORC子***3回收产生电能。
低负荷工况下：燃料电池***产生的功率为蓄电池进行充电，MSR子***1产生多余的氢气可流入储气罐中存储，ORC子***3回收余热产生的电能可为蓄电池充电或座椅加热。
高负荷工况下：燃料电池***和蓄电池共同提供汽车行驶所需的功率，蓄电池对外放电。
本发明的一种集成MSR和ORC的车用HT-PEMFC***，采用甲醇蒸汽重整制氢子***，避免了氢气的运输和基础设施建设的成本；MSR子***1实时制氢，多余的氢气流入储氢罐12中，避免了氢气的浪费；甲醇重整制氢燃料电池集成了甲醇重整制氢与氢燃料电池发电两个环节，其发电***的储能密度与储能经济性方面比纯氢燃料电池更具有推广优势。采用HT-PEMFC电堆18，避免了LT-PEMFC出现的“水淹”现象，且电堆效率和功率密度有所提升。采用燃料电池的余热提供甲醇蒸气重整的热量，提高了能源利用率，采用ORC循环发电将其转化成电能，从而提高了发电效率。本发明利用氢气压缩机16回收阳极未反应的氢气，利用分离器10回收了未反应的甲醇和水溶液，提高了燃料利用率。利用阴极出口的过量空气和产生的水预热进入电堆的氢气和空气，降低了附属设备的功率消耗，提升***效率节约了用电成本，降低了供给空气的工作量和设备成本。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。
Claims (3)
1.一种集成MSR和ORC的车用HT-PEMFC***，其特征在于，
包括MSR子***、HT-PEMFC子***和ORC子***；
所述HT-PEMFC子***设置在所述MSR子***一侧，所述ORC子***设置在所述HT-PEMFC子***一侧；所述MSR子***包括燃料箱、第一泵、热交换器、过热器、重整器、冷却器、分离器、变压吸附塔、储氢罐、第一压力调节器、连接管和第二压力调节器；所述第一泵和所述燃料箱连通，所述热交换器和所述第一泵连通，所述过热器和所述热交换器连通，所述重整器分别与所述过热器、所述热交换器连通，所述冷却器和所述热交换器连通，所述分离器分别与所述冷却器、所述燃料箱连通，所述变压吸附塔和所述分离器连通，所述储氢罐和所述变压吸附塔连通，所述第一压力调节器和所述变压吸附塔连通，所述连接管和所述第一压力调节器连通，所述第二压力调节器分别与所述储氢罐、所述连接管连通。
2.如权利要求1所述的一种集成MSR和ORC的车用HT-PEMFC***，其特征在于，
所述HT-PEMFC子***包括氢气压缩机、对接管、HT-PEMFC电堆、阳极热交换器、阴极热交换器、空气压缩机和第二泵；
所述氢气压缩机和所述连接管连通，所述对接管和所述重整器连通，所述HT-PEMFC电堆分别与所述氢气压缩机、所述过热器、所述对接管连通，所述阳极热交换器分别与所述连接管、所述HT-PEMFC电堆连通，所述阴极热交换器分别与所述HT-PEMFC电堆、所述阳极热交换器连通，所述空气压缩机和所述阴极热交换器连通，所述第二泵与所述对接管连通。
3.如权利要求2所述的一种集成MSR和ORC的车用HT-PEMFC***，其特征在于，
所述ORC子***包括蒸发器、透平机、发电机、冷凝器和第三泵；
所述蒸发器分别与所述第二泵、所述HT-PEMFC电堆连通，所述透平机和所述蒸发器连通，所述发电机和所述透平机连通，所述冷凝器和所述透平机连通，所述第三泵分别与所述蒸发器、所述冷凝器连通。
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|---|---|---|---|
| CN202310709227.2A CN116826121A (zh) | 2023-06-15 | 2023-06-15 | 一种集成msr和orc的车用ht-pemfc*** |
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| CN202310709227.2A CN116826121A (zh) | 2023-06-15 | 2023-06-15 | 一种集成msr和orc的车用ht-pemfc*** |
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2023
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