一种燃料电池发电系统技术方案

本实用新型专利技术提供一种燃料电池和热泵联合循环组成的燃料电池发电系统，使用液态储氢介质作为燃料，包括浓溶液进口、稀溶液出口、溶液循环泵、热泵系统、第一回热器、第二回热器、加热器、氢气发生器、燃料电池电堆、空气供应系统和冷却液循环系统，所述热泵系统包括直流压缩机、冷凝器、节流元件和蒸发器。溶解有氢的浓溶液经溶液循环泵加压后，依次在热泵系统、第一回热器和加热器中获得三次温升，然后在氢气发生器中发生分解反应并释放出氢气，氢气经过第二回热器降温后进入所述燃料电池电堆发电。本实用新型专利技术通过采用高效的热泵和回热加热方式，与采用一个电加热器单独进行加热的方式相比，可大大减少氢气发生过程中所需要所消耗的电能，有助于提高燃料电池发电系统的发电效率和氢能源的综合利用效率。

A Fuel Cell Power Generation System

【技术实现步骤摘要】
一种燃料电池发电系统
本专利技术涉及燃料电池技术和热泵技术，总体上属于能源与动力

技术介绍
在众多新能源中，氢能源由于具有资源丰富、零污染、可再生、能量密度高等优点，被认为是最理想的能源形式之一。近年来，随着化石燃料的短缺和可持续发展的压力，氢能的开发和利用显得日益重要，全球各大汽车厂商纷纷加大氢燃料电池汽车的开发力度，而目前制约氢燃料电池汽车普及的一个重要瓶颈是氢气的储存。目前燃料电池汽车主要采用高压气态储氢的方式，这种方式具有储存压力高、存储密度小的缺点。例如目前国际上较先进的压力为70MPa、容积为60L的碳纤维+凯夫拉复合材质储氢罐也仅能储存5千克的氢气。由于这种储存容量的限制，使得燃料电池汽车的续航里程难以大幅度提高。此外，在如此之高的储氢压力下，燃料电池系统的储氢罐、管路、阀门等部位都存在较大的安全隐患，易发生泄漏、渗透、爆裂、爆炸等安全事故。为解决上述高压气态储氢所存在的问题，一些常温常压液态储氢技术已被开发出来。如目前已经出现的有机液态氢化物储氢技术，其借助某种储氢溶液(某些烯烃、炔烃或芳香烃等储氢剂)和氢气的可逆反应来实现加氢和脱氢，从而实现可逆储氢。这种储氢方式与高压气态储氢以及高压低温液态储氢方式相比，具有温度低、压力低、不易泄漏、所用容器成本低廉、便于运输和输送等诸多优点。但在实现上述储氢溶液加氢和脱氢的反应过程中，某些环节需要加热，如为了实现氢气的顺利脱氢，往往需要将溶液加热到100℃以上的温度。由于氢燃料电池本身的工作温度较低(一般为50℃左右)，为了达到这么高的脱氢温度，必须采用电加热的方式，即牺牲燃料电池本身所发出的一部分电力来实现加热脱氢。由于直接电加热方式的效率始终小于1，而所需要的电加热功率有时可达到燃料电池发电功率的10％以上，使得这种消耗燃料电池自身所发的电能来使储氢溶液加热脱氢的方式使得液态储氢燃料电池整体的发电效率大为下降，因此需要加以改进。
技术实现思路
本专利技术针对液态储氢燃料电池发电系统需要消耗大量高品质的电能来加热释氢，从而造成液态储氢燃料电池发电系统的综合发电效率和发电量下降的问题，提出了一种基于燃料电池和蒸气压缩式热泵联合循环的氢燃料电池发电系统。由于热泵可以提升热源的温度，且热泵的制热效率较高(通常可达到2以上)，因此一个自然的想法是借助热泵来提高燃料电池系统余热的温度，作为对燃料进行加热的热源，降低燃料脱氢所需的电力消耗，提高燃料电池发电系统的综合能源利用效率。进一步地，本专利技术还利用了回热技术，以充分利用燃料在排放过程中的热量，进一步提高燃料电池发电系统的综合能源利用效率。本专利技术所述的燃料电池发电系统，包括：浓溶液进口、稀溶液出口、溶液循环泵、热泵系统、第一回热器、第二回热器、加热器、氢气发生器、燃料电池电堆、空气供应系统和冷却液循环系统。所述燃料电池发电系统的氢气来源于液态储氢燃料，即储氢溶液，其中加入了氢气的储氢溶液在本专利技术中被称为浓溶液，而释放出氢气后的氢含量较少的储氢溶液在本专利技术中被称为稀溶液。所述氢气发生器具有第一通口、第二通口和第三通口，在所述氢气发生器中含有催化剂。经过三次加热后的浓溶液由第一通口进入所述氢气发生器后，在催化剂的作用下发生分解反应，析出氢气。析出的氢气从所述氢气发生器的第二通口输出，以供给所述燃料电池电堆所需要的氢气。析出氢气后的浓溶液变为稀溶液，由所述氢气发生器的第三通口流出所述氢气发生器。所述燃料电池电堆具有氢气进口、氢气出口、空气进口、空气出口、冷却液进口、冷却液出口、正极接线柱和负极接线柱。所述空气供应系统包括空气滤清器和空气增压器，所述空气供应系统为所述燃料电池电堆供应空气。所述热泵系统包括直流压缩机、冷凝器、节流元件、蒸发器，它们通过管路依次连接起来，在管路中充注有制冷剂。所述冷却液循环系统包括冷却液循环泵、过滤器、膨胀箱、旁通阀、散热器和散热风扇。在所述冷却液循环系统中有冷却液在其中不断循环流动。浓溶液由所述浓溶液进口进入所述燃料电池发电系统，依次在所述热泵系统、所述第一回热器和所述加热器中被渐次加热并获得三次温升，达到分解反应所需要的温度后，由所述氢气发生器的第一通口进入所述氢气发生器，在所述氢气发生器中浓溶液发生分解反应并释放出气态的氢气，而释放出了氢气的液体储氢介质变为稀溶液。氢气由第二通口流出所述氢气发生器，而稀溶液由第三通口流出所述氢气发生器。流出氢气发生器的稀溶液先流经第一回热器，在第一回热器中将热量释放给浓溶液后，再由所述稀溶液出口流出所述燃料电池发电系统。通过综合利用上述三个加热过程，可以将浓溶液加热到150℃以上，从而确保储氢介质在氢气发生器中可以顺利分解出氢气。流出氢气发生器的氢气先经过第二回热器，在第二回热器中氢气将热量传递给冷却液，温度降温，然后由燃料电池电堆的氢气进口进入所述燃料电池电堆内部。空气经过空气滤清器，滤除掉其中的粉尘和有害化学微粒后，经空气增压器升压后，由燃料电池电堆的空气进口进入所述燃料电池电堆的内部。在燃料电池电堆的内部，氢气和空气中的氧气发生电化学反应，生成直流电，同时产生水和热量。直流电通过燃料电池电堆的正接线柱和负接线柱向外部输出能量，从而驱动相关用电设备做功，以及作为直流压缩机的电源。未反应完的空气和生成的水从空气出口排出所述燃料电池电堆，而未反应完的氢气则从氢气出口排出所述燃料电池电堆。燃料电池电堆内部的热量由所述冷却循环系统带走。散热器出口处的冷却液经过滤器过滤后，被冷却液循环泵增压，然后分为两路。一路冷却液先流经燃料电池电堆的内部，在其中吸收电化学反应所产生的热量，使燃料电池电堆得到冷却，同时冷却液温度升高，再进入热泵系统的蒸发器。在蒸发器中此路冷却液将热量传递给制冷剂，并通过热泵系统中制冷剂的循环，实现在冷凝器中将热量传递给浓溶液，达到将燃料电池电堆余热的温度提高后用来加热浓溶液的目的。另一路冷却液进入第二回热器，在其中吸收从氢气发生器流出的氢气的热量，使氢气在进入燃料电池电堆之前得到降温。流出蒸发器和第二回热器的两路冷却液汇合后，返回散热器。在散热器中，冷却液将热量传递给由散热风扇所强迫对流的空气，温度降低到接近环境空气的温度，从而再次具备冷却燃料电池电堆和进入燃料电池电堆的氢气的能力。附图说明图1是本专利技术所述的燃料电池发电系统的流程图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术实施方式作进一步地描述。请参考图1，本专利技术的实施例提供了一种燃料电池发电系统，该系统包括浓溶液进口1、稀溶液出口2、溶液循环泵3、热泵系统30、第一回热器8、第二回热器9、加热器10、氢气发生器11、燃料电池电堆12，以及空气供应系统和冷却液循环系统。所述热泵系统30包括直流压缩机4、冷凝器5、节流元件6、蒸发器7，它们通过管路依次连接起来，在管路中充注有制冷剂。直流压缩机4具有吸气口和排气口。冷凝器5具有溶液入口5a、溶液出口5b、冷凝入口5c和冷凝出口5d。蒸发器具有冷却液入口7a、冷却液出口7b、蒸发入口7c和蒸发出口7d。冷凝器5是一个换热器，其中一侧为浓溶液流通通道，另一侧为制冷剂冷凝通道。从直流压缩机4的排气口排出的高温高压的气态制冷剂从冷凝入口5c进入冷凝器5，在其中冷凝放热后，变成液态制冷剂，从冷凝出本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种燃料电池发电系统，使用液态储氢介质作为燃料，包括浓溶液进口、稀溶液出口、溶液循环泵、热泵系统、第一回热器、第二回热器、加热器、氢气发生器、燃料电池电堆、空气供应系统和冷却液循环系统，其特征在于：溶解有氢的浓溶液由所述浓溶液进口进入所述燃料电池发电系统，经溶液循环泵加压后，依次被所述热泵系统、所述第一回热器和所述加热器渐次加热，直至达到发生分解反应所需要的温度，然后进入所述氢气发生器，在氢气发生器中浓溶液在催化剂的作用下发生分解反应并释放出氢气，氢气经过所述第二回热器降温后进入所述燃料电池电堆，释放出氢气后的浓溶液变为稀溶液，稀溶液经过所述第一回热器向浓溶液放出热量后从所述稀溶液出口流出所述燃料电池发电系统。

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池发电系统，使用液态储氢介质作为燃料，包括浓溶液进口、稀溶液出口、溶液循环泵、热泵系统、第一回热器、第二回热器、加热器、氢气发生器、燃料电池电堆、空气供应系统和冷却液循环系统，其特征在于：溶解有氢的浓溶液由所述浓溶液进口进入所述燃料电池发电系统，经溶液循环泵加压后，依次被所述热泵系统、所述第一回热器和所述加热器渐次加热，直至达到发生分解反应所需要的温度，然后进入所述氢气发生器，在氢气发生器中浓溶液在催化剂的作用下发生分解反应并释放出氢气，氢气经过所述第二回热器降温后进入所述燃料电池电堆，释放出氢气后的浓溶液变为稀溶液，稀溶液经过所述第一回热器向浓溶液放出热量后从所述稀溶液出口流出所述燃料电池发电系统。2.根据权利要求1所述的燃料电池发电系统，其特征是：所述第一回热器具有第一接口、第二接口、第三接口和第四接口，所述第二回热器具有第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，所述加热器具有输入端和输出端，所述氢气发生器具有第一通口、第二通口和第三通口。3.根据权利要求1所述的燃料电池发电系统，其特征是：所述热泵系统包括直流压缩机、冷凝器、节流元件和蒸发器；所述直流压缩机具有吸气口和排气口，所述冷凝器具有溶液入口、溶液出口、冷凝入口和冷凝出口，所述蒸发器具有冷却液入口、冷却液出口、蒸发入口和蒸发出口；在所述热泵系统中充注有制冷剂；所述直流压缩机的排气口和所述冷凝器的冷凝入口相连，所述冷凝器的冷凝出口和所述节流元件的一端相连，所述节流元件的另一端和所述蒸发器的蒸发入口相连，所述蒸发器的蒸发出口和所述压缩机的吸气口相连。4.根据权利要求1所述的燃料电池发电系统，其特征是：所述燃料电池电堆具有氢气进口、氢气出口、空气进口、空气出口、冷却液进口和冷却液出口；所述空气供应系统包...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨德志，
申请(专利权)人：武汉麦丘科技有限公司，
类型：新型
国别省市：湖北,42