基于余熱利用的燃料電池空氣供給系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及燃料電池領(lǐng)域，尤其涉及一種基于余熱利用的燃料電池空氣供給系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]燃料電池系統(tǒng)由燃料電池堆和空氣供給系統(tǒng)、氫氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)組成。空氣供給系統(tǒng)向燃料電池堆供應(yīng)具有一定壓力和濕度的空氣，是燃料電池系統(tǒng)的重要組成部分?？諝夤┙o系統(tǒng)的性能對燃料電池系統(tǒng)的效率、體積、重量和瞬態(tài)響應(yīng)性等均具有重要影響?？諝夤┙o系統(tǒng)的核心部件空壓機是燃料電池系統(tǒng)的主要耗能部件，消耗的功率約占燃料電池堆輸出功率的15%?20%，對燃料電池系統(tǒng)效率影響很大。
[0003]現(xiàn)有的燃料電池空壓機的驅(qū)動方式主要有兩種:1)利用電動機驅(qū)動，2)利用燃料電池排氣和電機共同驅(qū)動，第一種方式空壓機的全部功耗由燃料電池提供。第二種方式利用燃料電池排氣能量驅(qū)動空壓機，由于燃料電池排氣溫度較低，其能量不能滿足空壓機的功率需求，須通過輔助電機聯(lián)合作用驅(qū)動壓氣機才能滿足燃料電池空氣供給要求。兩種驅(qū)動方式都需要消耗一部分燃料電池的輸出功率，導(dǎo)致系統(tǒng)凈輸出功率減小。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]針對燃料電池空壓機功耗大導(dǎo)致系統(tǒng)效率低的問題，本發(fā)明提供一種基于余熱利用的燃料電池空氣供給系統(tǒng)，其能提高燃料電池系統(tǒng)的凈輸出功率和系統(tǒng)效率。
[0005]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于余熱利用的燃料電池空氣供給系統(tǒng)，其包括:有機工質(zhì)泵，連通外部的有機工質(zhì)儲液罐；第一換熱器，設(shè)置在有機工質(zhì)泵的下游并受控連通有機工質(zhì)泵；膨脹機，設(shè)置在第一換熱器的下游并受控連通第一換熱器；冷凝器，設(shè)置在膨脹機的下游并受控連通膨脹機且受控連通所述外部的有機工質(zhì)儲液罐；空氣壓縮機，一側(cè)受控連通外部空氣而另一側(cè)連通于第一換熱器且同軸連接于膨脹機；以及增濕器，一端連通于第一換熱器而另一端連通于燃料電池。其中，外部的有機工質(zhì)儲液罐、有機工質(zhì)泵、第一換熱器、膨脹機、冷凝器形成基于有機朗肯循環(huán)的余熱回收循環(huán)回路；空氣壓縮機、第一換熱器以及增濕器形成增壓空氣供給路徑；有機工質(zhì)泵將有機工質(zhì)儲液罐中的液態(tài)有機工質(zhì)泵出輸送給第一換熱器；第一換熱器接收有機工質(zhì)泵輸送的液態(tài)有機工質(zhì)；經(jīng)過第一換熱器后的液態(tài)有機工質(zhì)再與燃料電池進行熱交換，以吸收燃料電池的余熱并蒸發(fā)為氣態(tài)有機工質(zhì)，隨后氣態(tài)有機工質(zhì)進入膨脹機、驅(qū)動膨脹機做功，做功后的乏氣進入冷凝器并冷卻成液態(tài)且輸送到有機工質(zhì)儲液罐；膨脹機做功驅(qū)動與其同軸的空氣壓縮機對進入空氣壓縮機內(nèi)的空氣進行壓縮并向第一換熱器輸送壓縮空氣，且當(dāng)?shù)谝粨Q熱器中同時流經(jīng)液態(tài)有機工質(zhì)和壓縮空氣時，流經(jīng)第一換熱器的壓縮空氣與液態(tài)有機工質(zhì)進行熱交換，壓縮空氣放熱并降溫而液態(tài)有機工質(zhì)吸熱而升溫，降溫后的壓縮空氣經(jīng)由增濕器增加濕度后輸送到燃料電池中進行電化學(xué)反應(yīng)。
[0006]本發(fā)明的有益效果如下:
[0007]將來自燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)的余熱回收轉(zhuǎn)換為機械功，將這部分機械功用于壓縮空氣，從而實現(xiàn)基于余熱利用的燃料電池空氣供給系統(tǒng)的驅(qū)動動力全部來自燃料電池的余熱，相比于現(xiàn)有技術(shù)，空氣壓縮機不消耗燃料電池的輸出功率，顯著提高了燃料電池系統(tǒng)的凈輸出功率。
【附圖說明】
[0008]圖1為根據(jù)本發(fā)明的基于余熱利用的燃料電池空氣供給系統(tǒng)的一實施例的示意圖；
[0009]圖2為根據(jù)本發(fā)明的基于余熱利用的燃料電池空氣供給系統(tǒng)的另一實施例的示意圖。
[0010]其中，附圖標記說明如下:
[0011]11有機工質(zhì)泵19冷卻介質(zhì)泵
[0012]12第一換熱器20冷卻介質(zhì)管路
[0013]13膨脹機 21渦輪旁通回路
[0014]14冷凝器22電動閥門
[0015]141風(fēng)扇23控制器
[0016]15空氣壓縮機 C燃料電池
[0017]16增濕器S流量傳感器
[0018]17有機工質(zhì)管路V控制閥門
[0019]18第二換熱器
【具體實施方式】
[0020]下面參照附圖來詳細說明根據(jù)本發(fā)明的基于余熱利用的燃料電池空氣供給系統(tǒng)。
[0021]參照圖1和圖2，根據(jù)本發(fā)明的基于余熱利用的燃料電池空氣供給系統(tǒng)包括:有機工質(zhì)泵11，連通外部的有機工質(zhì)儲液罐(未示出)；第一換熱器12，設(shè)置在有機工質(zhì)泵11的下游并受控連通有機工質(zhì)泵11 ;膨脹機13，設(shè)置在第一換熱器12的下游并受控連通第一換熱器12 ;冷凝器14，設(shè)置在膨脹機13的下游并受控連通膨脹機13且受控連通所述外部的有機工質(zhì)儲液罐；空氣壓縮機15，一側(cè)受控連通外部空氣而另一側(cè)連通于第一換熱器12且同軸連接于膨脹機13 ;以及增濕器16，一端連通于第一換熱器12而另一端連通于燃料電池Co其中，外部的有機工質(zhì)儲液罐、有機工質(zhì)泵11、第一換熱器12、膨脹機13、冷凝器14形成基于有機朗肯循環(huán)的余熱回收循環(huán)回路；空氣壓縮機15、第一換熱器12以及增濕器16形成增壓空氣供給路徑；有機工質(zhì)泵11將有機工質(zhì)儲液罐中的液態(tài)有機工質(zhì)泵出輸送給第一換熱器12 ;第一換熱器12接收有機工質(zhì)泵11輸送的液態(tài)有機工質(zhì)；經(jīng)過第一換熱器12后的液態(tài)有機工質(zhì)再與燃料電池C進行熱交換，以吸收燃料電池C的余熱并蒸發(fā)為氣態(tài)有機工質(zhì)，隨后氣態(tài)有機工質(zhì)進入膨脹機13、驅(qū)動膨脹機13做功，做功后的乏氣進入冷凝器14并冷卻成液態(tài)且輸送到有機工質(zhì)儲液罐(用于參與下次循環(huán))；膨脹機13做功驅(qū)動與其同軸的驅(qū)動空氣壓縮機15對進入空氣壓縮機15內(nèi)的空氣進行壓縮并向第一換熱器12輸送壓縮空氣，且當(dāng)?shù)谝粨Q熱器12中同時流經(jīng)液態(tài)有機工質(zhì)和壓縮空氣時，流經(jīng)第一換熱器12的壓縮空氣與液態(tài)有機工質(zhì)進行熱交換，壓縮空氣放熱并降溫而液態(tài)有機工質(zhì)吸熱而升溫，降溫后的壓縮空氣經(jīng)由增濕器16增加濕度后輸送到燃料電池C中進行電化學(xué)反應(yīng)。
[0022]將來自燃料電池C的電化學(xué)反應(yīng)的余熱回收轉(zhuǎn)換為機械功，將這部分機械功用于空氣壓縮機15，從而實現(xiàn)基于余熱利用的燃料電池空氣供給系統(tǒng)的驅(qū)動動力全部來自燃料電池C的余熱，相比于現(xiàn)有技術(shù)，空氣壓縮機15不消耗燃料電池C的輸出功率，顯著提高了燃料電池系統(tǒng)的凈輸出功率。
[0023]在根據(jù)本發(fā)明的基于余熱利用的燃料電池空氣供給系統(tǒng)的一實施例中，參照圖2，經(jīng)過第一換熱器12后的液態(tài)有機工質(zhì)再與燃料電池C進行的熱交換可為間接熱交換；所述基于余熱利用的燃料電池空氣供給系統(tǒng)還可包括:第二換熱器18，一側(cè)連通于第一換熱器12而另一側(cè)連通于膨脹機13 ;冷卻介質(zhì)泵19，設(shè)置在第二換熱器18的下游并與第二換熱器18連通；以及冷卻介質(zhì)管路20，內(nèi)收容有冷卻介質(zhì)，一端連通于冷卻介質(zhì)泵19而另一端連通于第二換熱器18且經(jīng)過燃料電池C，以使冷卻介質(zhì)吸收燃料電池C的余熱。其中，外部的有機工質(zhì)儲液罐、有機工質(zhì)泵11、第一換熱器12、第二換熱器18、膨脹機13、冷凝器14形成基于有機朗肯循環(huán)的余熱回收循環(huán)回路；第二換熱器18、冷卻介質(zhì)泵19以及冷卻介質(zhì)管路20形成冷卻介質(zhì)循環(huán)回路；經(jīng)由第一換熱器12進入第二換熱器18中的液態(tài)有機工質(zhì)與經(jīng)由冷卻介質(zhì)管路20進入到第二換熱器18中的已吸收燃料電池C余熱的冷卻介質(zhì)在第二換熱器18中進行熱交換，已吸收燃料電池C余熱的冷卻介質(zhì)放熱而降溫，液態(tài)有機工質(zhì)吸收冷卻介質(zhì)放出的熱量并蒸發(fā)為氣態(tài)有機工質(zhì)。在一實施例中，冷卻介質(zhì)為水，當(dāng)然不限于此，冷卻介質(zhì)可以依據(jù)實際需要選擇任何合適的具體類型。
[0024]在根據(jù)本發(fā)明的基于余熱利用的燃料電池空氣供給系統(tǒng)的一實施例中，參照圖1，經(jīng)過第一換熱器12后的液態(tài)有機工質(zhì)再與燃料電池C進行的熱交換可為直接熱交換；基于余熱利用的燃料電池空氣供給系統(tǒng)還可包括:有機工質(zhì)管路17，一端連通于第一換熱器12而另一端連通于膨脹機13且經(jīng)過燃料電池C，經(jīng)過第一換熱器12后的液態(tài)有機工質(zhì)經(jīng)由有機工質(zhì)管路17進入燃料電池C以吸收燃料電池C的余熱并蒸發(fā)為氣態(tài)有機工質(zhì)。其中，夕卜部的有機工質(zhì)儲液罐、有機工質(zhì)泵11、第一換熱器12、有機工質(zhì)管路17、膨脹機13、冷凝器14形成基于有機朗肯循環(huán)的余熱回收循環(huán)回路。該實施例直接由有機工質(zhì)替代換熱，布局緊湊，減少了換熱損失，回收利用的余熱量較圖2實施方式多，膨脹機13的輸出功率大，能夠獲得較高的壓縮比，從而提升燃料電池C的動力特性。
[0025]在根據(jù)本發(fā)明的基于余熱利用的燃料電池空氣供給系統(tǒng)的一實施例中，參照圖1和圖2，基于余熱利用的燃料電池空氣供給系統(tǒng)還可包括:渦輪旁通回路21，一端連通于膨脹機13的上游而另一端連通在膨脹機13的下游且所述另一端與冷凝器14連通；以及電動閥門22，設(shè)置于渦輪旁通回路21，控制渦輪旁通回路21的流量。渦輪旁通回路21及電動閥門22的設(shè)置能夠調(diào)節(jié)膨脹機13的功率輸出，從而控制空氣壓縮機15的功率輸出，進而能夠匹配燃料電池C在不同工況下的增壓負荷。具體地，當(dāng)有機工質(zhì)回收的熱量過多、燃料電池C當(dāng)前運行工況不需要較大的空壓比