用于氢氧燃料电池的废热综合回收与利用系统

1.本发明涉及燃料电池废热回收技术领域，具体地指一种用于氢氧燃料电池的废热综合回收与利用系统。


背景技术：

2.燃料电池系统已经被广泛应用于固定式发电、汽车供电等多种场所。燃料电池可分为氢氧燃料电池和直接甲醇燃料电池，其中氢氧燃料电池是一种通过氢气和氧气在电极发生电化学反应产生电能的发电设备。氢氧燃料电池又可分为质子交换膜燃料电池、碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池，其中质子交换膜燃料电池(也称pem燃料电池)近些年来发展迅速。
3.一般情况下，氢氧燃料电池中的氢原子在阳极发生电化学反应并失去电子，电子通过外电路流通，对外放电，并回到阴极，带正电的氢离子通过电解质到阴极与阴极氧气结合形成水，完成放电过程。该过程除了产生电能，还会产生大量的废热。热回收设备可以通过去离子冷却水的循环工作，回收燃料电池系统在发电过程中产生的大量废热，并将其应用于其他需要热的场所。另外当环境温度低于0℃时，pem燃料电池停止工作时，内部的水凝结成冰，包裹质子交换膜并填充燃料电池内部，燃料电池难以启动，此时废热回收系统回收的废热有利于燃料电池的低温快速启动，能够大大提高燃料电池的启动速度及能量效率。
4.对于质子交换膜燃料电池而言，废热主要来源于三方面：第一方面，电堆工作过程中会产生大量的热；第二方面，燃料电池阴极入口处的空气供应管道会产生热量，空气通过空压机进入燃料电池阴极的空气供应管道，经过空压机后的空气温度大多在120℃，而质子交换膜燃料电池的工作温度大概在60-80℃，因此燃料电池阴极的空气供应管道便会产生多余的热量；第三方面，燃料电池阴极的出口处的尾气管道也会产生热量(尾气包括：未完全反应的氧气、空气中除氧气外的剩余气体以及电堆反应生成的水蒸气)。
5.然而，目前燃料电池热回收系统考虑的回收热量仅限于上述的电堆反应产生的热量及燃料电池阴极的空气供应管道中的多余热量，因此，现存的燃料电池热回收系统考虑的回收热量并不全面，缺乏对燃料电池阴极的出口处的尾气产热进行回收的考虑。


技术实现要素：

6.本发明的目的就是要提供一种用于氢氧燃料电池的废热综合回收与利用系统，能够更全面的回收燃料电池产生的废热，有效提高燃料电池热电效率。
7.为实现上述目的，本发明研制出了一种用于氢氧燃料电池的废热综合回收与利用系统，包括氢气供应系统、空气供应系统，所述氢气供应系统将氢气导入燃料电池阳极气体入口进行反应；所述空气供应系统将空气加压、加湿后导入燃料电池阴极气体入口进行反应；其特别之处在于：还包括总换热系统、回收系统；
8.所述总换热系统包括电堆换热系统、空气换热系统和尾气换热系统；
9.所述电堆换热系统包括第一冷却水支路，所述第一冷却水支路对反应的电堆进行
冷却降温；
10.所述空气换热系统包括第二冷却水支路，所述第二冷却水支路对空气供应系统中加压后、加湿前的空气进行冷却降温；
11.所述尾气换热系统包括第三冷却水支路，所述第三冷却水支路对燃料电池阴极气体出口处的尾气进行冷却降温，所述尾气对空气供应系统冷却降温后的干燥空气进行湿度和温度调节后，再对自身进行冷却降温；
12.所述回收系统能够对所述电堆换热系统的温度进行控制，并将电堆换热系统、空气换热系统和尾气换热系统回收的热量进行收集和利用。
13.进一步地，所述第一冷却水支路、第二冷却水支路、第三冷却水支路并联连接循环冷却水系统；
14.所述第一冷却水支路从循环冷却水系统输出端依次连接有第一三通阀、第一温度传感器，所述第一温度传感器用来测量电堆冷却水出口处的温度；
15.所述第三冷却水支路从第一三通阀冷却水出口端依次连接有第二三通阀、尾气换热器、第一止回阀、第三三通阀，所述第三三通阀冷却水出口端与循环冷却水系统相连；
16.所述第二冷却水支路从第二三通阀冷却水出口端依次连接有第一电磁阀、中冷器、第二止回阀、第四三通阀，所述第四三通阀冷却水出口端与第三三通阀另一冷却水入口端相连，所述第四三通阀另一冷却水入口端与第一温度传感器相连。
17.更进一步地，所述循环冷却水系统包括依次连接的冷却储液罐、冷却液水泵、去离子装置和离子计，所述离子计冷却水出口端与第一三通阀冷却水入口端相连。
18.更进一步地，所述回收系统包括依次连接的热水缓冲罐、热回收水泵和设置在冷却储液罐冷却水入口端的系统换热器，所述热水缓冲罐上设有冷水入口电磁阀；通过所述第一温度传感器控制热回收水泵流速，实现对冷却储液罐冷却水入口端的冷却水水温的控制。
19.更进一步地，所述回收系统还包括设置在所述热水缓冲罐上的第三温度传感器，所述热水缓冲罐依次连接有缓存水转移泵和热水储液罐；通过第三温度传感器控制缓存水转移泵的开启，实现热水的存储、利用。
20.更进一步地，空气供应系统包括依次连接的过滤器、空压机、阴极截止阀、加湿器、第二温度传感器；通过第二温度传感器控制第一电磁阀的开度，实现对燃料电池阴极气体入口处的空气温度的控制。
21.更进一步地，所述氢气供应系统包括依次连接的氢气瓶和引射器，还包括设置在燃料电池阳极气体出口处的吹扫排放三通阀，所述吹扫排放三通阀氢气出口端连接至引射器引设流体通道，用于回收未完全反应的氢气。
22.更进一步地，所述尾气为燃料电池阴极气体出口输出的未反应完的氧气及空气中的其余气体。
23.本发明的优点在于：
24.1.本发明不仅能够回收电堆反应产生的热量、空压机压缩后的空气携带的热量，还能够回收燃料电池尾气携带的热量，并利用尾气携带的热量和水对干燥空气进行加热和加湿，提高了废热利用率；
25.2.本发明能够提高燃料电池系统在低温情况下的启动速度，实现燃料电池系统的
冷启动能力。
26.本发明用于氢氧燃料电池的废热综合回收与利用系统将循环冷却水分为三个支路，分别对电堆、加压后的空气及尾气进行冷却降温，再将三个支路的冷却水进行汇流，经过系统换热器，将回收的三个支路的热量转移至换热水，最后回到冷却储液罐，完成冷却水的循环；再将系统换热器的换热水与热回收水泵和热水缓冲罐形成闭环，完成总热量的回收，并将总热量暂存在热水缓冲罐中；最后通过缓存水转移泵和热水储液罐，完成热水的存储和利用；该回收与利用方法能够更全面地对氢氧燃料电池产生的废热进行回收，有效提高燃料电池系统热电效率。
附图说明
27.图1是本发明用于氢氧燃料电池的废热综合回收与利用系统的结构示意图；
28.图2是本发明用于氢氧燃料电池的废热综合回收与利用系统的循环流体流动框图；
29.图3是图2中的空气换热系统工作原理框图；
30.图4是图2中的尾气换热系统工作原理框图；
31.图5是图2中的电堆换热系统工作原理框图；
32.图6是实施例中的质子交换膜燃料电池的仿真实验结果；
33.图6(a)是空气流入电堆散热功率随时间的变化曲线；
34.图6(b)是尾气流出电堆散热功率随时间的变化曲线；
35.图6(c)是冷却水散热功率随时间的变化曲线；
36.图6(d)是电堆辐射散热功率随时间的变化曲线；
37.图中：
38.氢气供应系统1、空气供应系统2、总换热系统3、回收系统4、燃料电池5；
39.氢气供应系统1包括：氢气瓶1-1、引射器1-2、吹扫排放三通阀1-3；
40.空气供应系统2包括：过滤器2-1、空压机2-2、阴极截止阀2-3、加湿器2-4、第二温度传感器2-5；
41.总换热系统3包括：电堆换热系统3-1、空气换热系统3-2、尾气换热系统3-3、循环冷却水系统3-4；
42.电堆换热系统3-1包括：第一三通阀3-11、第一温度传感器3-12；
43.空气换热系统3-2包括：第一电磁阀3-21、中冷器3-22、第二止回阀3-23、第四三通阀3-24；
44.尾气换热系统3-3包括：第二三通阀3-31、尾气换热器3-32、第一止回阀3-33、第三三通阀3-34；
45.循环冷却水系统3-4包括：冷却储液罐3-41、冷却液水泵3-42、去离子装置3-43、离子计3-44；
46.回收系统4包括：系统换热器4-1、热回收水泵4-2、热水缓冲罐4-3、第三温度传感器4-4、冷水入口电磁阀4-5、缓存水转移泵4-6、热水储液罐4-7。
具体实施方式
47.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
48.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。
49.如图1～5所示，本用于氢氧燃料电池的废热综合回收与利用系统，包括氢气供应系统1、空气供应系统2，所述氢气供应系统1将氢气导入燃料电池5阳极气体入口进行反应；所述空气供应系统2，将空气加压、加湿后导入燃料电池5阴极气体入口进行反应；还包括总换热系统3、回收系统4；所述总换热系统3包括电堆换热系统3-1、空气换热系统3-2和尾气换热系统3-3。
50.所述电堆换热系统3-1包括第一冷却水支路，所述第一冷却水支路对反应的电堆进行冷却降温；
51.所述空气换热系统3-2包括第二冷却水支路，所述第二冷却水支路对空气供应系统2中加压后、加湿前的空气进行冷却降温；
52.所述尾气换热系统3-3包括第三冷却水支路，所述第三冷却水支路对燃料电池5阴极气体出口处的尾气进行冷却降温，所述尾气对空气供应系统2冷却降温后的干燥空气进行湿度和温度调节后，再对自身进行冷却降温。
53.所述回收系统4能够对所述电堆换热系统3-1的温度进行控制，并将电堆换热系统3-1、空气换热系统3-2和尾气换热系统3-3回收的热量进行收集和利用。
54.本发明用于氢氧燃料电池的废热综合回收与利用系统将循环冷却水分为三个支路，分别对电堆、加压后的空气及尾气进行冷却降温，再将三个支路的冷却水进行汇流，经过回收系统4回收热量。
55.所述第一冷却水支路、第二冷却水支路、第三冷却水支路并联连接循环冷却水系统3-4。所述第一冷却水支路从循环冷却水系统3-4输出端依次连接有第一三通阀3-11、第一温度传感器3-12，所述第一温度传感器3-12用来测量电堆冷却水出口处的温度。所述第三冷却水支路从第一三通阀3-11冷却水出口端依次连接有第二三通阀3-31、尾气换热器3-32、第一止回阀3-33、第三三通阀3-34，所述第三三通阀3-34冷却水出口端与循环冷却水系统3-4相连。所述第二冷却水支路从第二三通阀3-31冷却水出口端依次连接有第一电磁阀3-21、中冷器3-22、第二止回阀3-23、第四三通阀3-24，所述第四三通阀3-24冷却水出口端与第三三通阀3-34另一冷却水入口端相连，所述第四三通阀3-24另一冷却水入口端与第一温度传感器3-12相连。
56.其中，燃料电池5电堆包括气体流道和液体流道，具体为阳极氢气入口、阳极氢气出口，阴极空气入口、阴极空气出口、冷却液入口、冷却液出口。尾气换热器3-32有尾气入口、尾气出口、冷却水入口和冷却水出口。中冷器3-22有加压空气入口、加压空气出口、冷却水入口和冷却水出口。
57.具体地，循环冷却水经过第一三通阀3-11，冷却水分为两路，一路冷却水流入第一冷却水支路，进入燃料电池5电堆冷却水入口，从冷却水出口流出，用于对燃料电池5电堆进行冷却降温，由冷却水带走电堆反应产生的热量，最后依次通过第四三通阀3-24，第三三通阀3-34，回到循环冷却水系统3-4。
58.另一路冷却水再经过第二三通阀3-31，再次将冷却水分为两路，一路冷却水流入第三冷却水支路，进入尾气换热器3-32冷却水入口，从冷却水出口流出，用于对尾气进行冷却降温，由冷却水带走尾气携带的热量，最后依次通过第一止回阀3-33、第三三通阀3-34，回到循环冷却水系统3-4。另一路冷却水流入第二冷却水支路，进入中冷器3-22冷却水入口，从冷却水出口流出，用于对加压空气进行冷却降温，由冷却水带走加压空气多余的热量，最后依次通过第二止回阀3-23、第四三通阀3-24、第三三通阀3-34，回到循环冷却水系统3-4。
59.所述循环冷却水系统3-4包括依次连接的冷却储液罐3-41、冷却液水泵3-42、去离子装置3-43和离子计3-44，所述离子计3-44冷却水出口端与第一三通阀3-11冷却水入口端相连。
60.所述回收系统4包括依次连接的热水缓冲罐4-3、热回收水泵4-2和设置在冷却储液罐3-41冷却水入口端的系统换热器4-1，所述热水缓冲罐4-3上设有冷水入口电磁阀4-5；通过所述第一温度传感器3-12控制热回收水泵4-2流速，实现对冷却储液罐3-41冷却水入口端的冷却水水温的控制。
61.其中，所述系统换热器4-1有冷却水入口、冷却水出口、换热水入口和换热水出口。
62.第一冷却水支路、第二冷却水支路、第三冷却水支路汇总后进入系统换热器4-1冷却水入口，进行换热，最后流入冷却储液罐3-41，从而实现冷却水的循环。
63.电堆冷却水流速固定，当第一温度传感器3-12温度高于燃料电池5工作温度，热回收水泵4-2提高流速，加快换热，使系统换热器4-1冷却水出口处的冷却水温度降低，因此进入冷却储液罐3-41中的冷却水水温降低，冷却液水泵3-42再抽取冷却储液罐3-41中更低的冷却水分三个支路再分别对电堆、加压空气和尾气进行换热降温，从而实现电堆冷却水出口处的第一温度传感器3-12温度的降低，达到温度调控的目的。
64.所述回收系统4还包括设置在所述热水缓冲罐4-3上的第三温度传感器4-4，所述热水缓冲罐4-3依次连接有缓存水转移泵4-6和热水储液罐4-7；通过第三温度传感器4-4控制缓存水转移泵4-6的开启，实现热水的存储、利用。
65.系统换热器4-1，将汇总的三个支路冷却水的热量转移至换热水，换热水与热回收水泵4-2和热水缓冲罐4-3形成闭环，完成总热量的回收，并将总热量暂存在热水缓冲罐4-3中。第三温度传感器4-4测量的热水缓冲罐4-3内的换热水水温超过80℃时，缓存水转移泵4-6开始工作，将换热水转移到热水储液罐4-7进行储存或利用；同时通过冷水入口电磁阀4-5向热水缓冲罐4-3内加入冷水，当第三温度传感器4-4测量的热水缓冲罐4-3内的换热水水温低于80℃时，缓存水转移泵4-6关闭。
66.上述空气供应系统2包括依次连接的过滤器2-1、空压机2-2、阴极截止阀2-3、加湿器2-4、第二温度传感器2-5；通过第二温度传感器2-5控制第一电磁阀3-21的开度，实现对燃料电池5阴极气体入口处的空气温度的控制。
67.空气经过过滤、加压后，进行换热降温，然后加湿进入燃料电池5阴极气体入口，当
第二温度传感器2-5测量的进入电堆的空气温度高于70℃时，第一电磁阀3-21中冷却水流量增大，中冷器3-22加压空气与冷却水之间的换热加快，降低加压空气温度；当第二温度传感器2-5测量的的进入电堆的空气温度低于70℃时，第一电磁阀3-21中冷却水流量减小，中冷器3-22加压空气与冷却水之间的换热减慢，提高加压空气温度。
68.具体地，加湿器2-4有空气流道和废气流道，其中空气流道供冷却降温后的加压空气流过，废气流道供燃料电池5阴极气体出口处的尾气流过，所述燃料电池5阴极气体出口处的尾气流经加湿器2-4后，再经过尾气换热器3-32冷却降温，利用燃料电池5阴极气体出口的尾气携带的热量和水对空气供应系统2的空气进行加热和加湿，提高能量的利用率。
69.上述所述氢气供应系统1包括依次连接的氢气瓶1-1和引射器1-2，还包括设置在燃料电池5阳极气体出口处的吹扫排放三通阀1-3，所述吹扫排放三通阀1-3氢气出口端连接至引射器1-2引设流体通道，用于回收未完全反应的氢气。引射器1-2有一次流体通道和引射流体通道，其中一次流体通道入口连接氢气瓶1-1内的氢气，一次流体通道出口连接燃料电池5阳极气体入口，未参与反应的氢气通过燃料电池5阳极气体出口排出，燃料电池5阳极气体出口与引射器1-2引射流体通道相连。
70.本发明用于氢氧燃料电池的废热综合回收与利用系统将循环冷却水分为三个支路，分别对电堆、加压后的空气及尾气进行冷却降温，再将三个支路的冷却水进行汇流，经过系统换热器，将回收的三个支路的热量转移至换热水，最后冷却水回到冷却储液罐，完成冷却水的循环。
71.系统换热器的换热水与热回收水泵和热水缓冲罐形成闭环，完成总热量的回收，并将总热量暂存在热水缓冲罐中；最后通过缓存水转移泵和热水储液罐，完成热水的存储和利用。
72.以75kw质子交换膜燃料电池堆为例，燃料电池堆的热量散发主要包括：冷却水散发热量、空气流入电堆散发热量、尾气流出电堆散发热量、电堆辐射散发热量以及系统发电热量。本发明通过第一、二、三冷却水支路分别回收冷却水散发热量、空气流入电堆散发热量、尾气流出电堆散发热量。设定：冷却水散热功率为q
cl
、空气流入电堆散热功率为q
in
、尾气流出电堆散热功率为q
out
、电堆辐射散热功率为q
atm
。
73.对上述的75kw质子交换膜燃料电池堆进行仿真实验，仿真结果如图6所示，从图6(a)中，可以看出随着时间的延长q
in
＝4.27kw；从图6(b)中，可以看出随着时间的延长q
out
＝11.53kw；从图6(c)中，可以看出随着时间的延长q
cl
＝86.3kw；从图6(d)中，可以看出随着时间的延长q
atm
＝3kw。因此，上述燃料电池堆的热量散发的总热功率q
total
＝q
cl
+q
in
+q
out
+q
atm
，为105.1kw。
74.根据实际应用的工程实例，上述中冷器3-22、尾气换热器3-32和系统换热器4-1的换热效率均取值0.9，则上述质子交换膜燃料电池的废热综合回收热效率为：
[0075][0076]
计算得废热综合回收热效率ηq为86.07％。然而，目前燃料电池热回收系统考虑的回收热量仅限于回收冷却水散发热量、空气流入电堆散发热量，则现存的燃料电池热回收系统的废热综合回收热效率为：
[0077][0078]
计算得废热综合回收热效率η
′
为77.19％。
[0079]
因此，本发明的回收与利用系统能够更全面地对氢氧燃料电池产生的废热进行回收，将燃料电池系统热回收效率提高了10％左右。
[0080]
另外，在低温启动情况下，冷却水温度低于换热水温度，换热水通过系统换热器4-1给冷却水进行加热，冷却水再通过第一冷却水支路流经电堆，对电堆进行加热，提高燃料电池系统在低温情况下的启动速度，提高燃料电池系统的冷启动能力。
[0081]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等等，均应包含在本发明的保护范围之内。