质子交换膜燃料电池废热回收系统及方法

670 编辑：中冶有色技术网来源：南京航空航天大学

2023-12-25 14:10:01

权利要求书： 1.一种质子交换膜燃料电池废热回收系统的工作方法，其特征在于：

该系统包括氢气储罐（1），阀门A（3），混合器（4），加湿器A（5），质子交换膜（7）,膨胀机（12），冷凝器（13），冷凝水储罐（14），蒸发室（15），阀门B（16），浓溶液储罐（17），阀门C（18），稀溶液储罐（19），加湿器B（20）和压缩机（21）；质子交换膜（7）两侧分别是阳极反应室（6）和阴极反应室（8）；质子交换膜（7）、阳极反应室（6）和阴极反应室（8）组成了燃料电池的主体部分，燃料电池外部布置蒸发室（15）；

氢气储罐（1）经阀门A（3）与混合器（4）第一入口相连，混合器（4）出口与加湿器A（5）入口相连，加湿器A（5）出口与燃料电池阳极反应室（6）入口相连，阳极反应室（6）出口与混合器（4）第二入口相连；压缩机（21）入口与大气相连，压缩机（21）出口与加湿器B（20）入口相连，加湿器B（20）出口与燃料电池阴极反应室（8）入口相连，燃料电池阴极反应室（8）出口与环境大气相连；稀溶液储罐（19）经阀门C（18）与蒸发室（15）入口相连，蒸发室（15）溶液出口经阀门B（16）与浓溶液储罐（17）相连；蒸发室（15）蒸汽出口与膨胀机（12）入口相连，膨胀机（12）出口与冷凝器（13）热侧入口相连，冷凝器（13）热侧出口与冷凝水储罐（14）相连；

工作方法包括以下过程：

空气（22）通过压缩机（21）压缩后进入加湿器B（20），然后进入燃料电池阴极反应室（8）中；氢气（2）从氢气储罐（1）中通过阀门A（3）进入混合器（4）一侧入口，与混合器（4）另一入口的阳极反应室（6）排出的废气混合，再通过加湿器A（5）加湿，进入燃料电池的阳极反应室（6），氢气（2）中的质子与水结合透过质子交换膜（7）进入阴极反应室（8）发生反应，电子通过燃料电池供电辅助系统向外供电，再进入阴极反应室（8）与空气（22）中的氧气发生反应放出热量，并生成水；阳极废气（9）排入混合器（4），与新鲜氢气（2）混合后再次参与反应；稀溶液从稀溶液储罐（19）中经过阀门C（18）进入蒸发室（15），在蒸发室（15）中吸收化学反应放出的热量蒸发，蒸发后的浓溶液经过阀门B（16）进入浓溶液储罐（17），水蒸汽（11）通过蒸发室（15）的蒸汽出口进入膨胀机（12），在膨胀机（12）内膨胀并对外做功，水蒸汽（11）从膨胀机（12）出口进入冷凝器（13），在冷凝器（13）中放热冷凝成液体，用冷凝水储罐（14）收集。

说明书：质子交换膜燃料电池废热回收系统及方法技术领域[0001] 本发明涉及一种质子交换膜燃料电池废热回收系统及方法，属于能源与动力领域。背景技术[0002] 火电站为了追求较高的发电效率要求发电机组足够大，这限制了火电站面向用户的灵活性，同时还会排放有害物质。燃料电池发电相比传统火力发电拥有众多的优势，使用燃料电池发电，可以将化学能直接转化为化学能，不需要燃烧，不需要转动部件，能量转换效率高；发电出力由电池堆的出力和组数决定，机组的容量可以根据需要灵活调整，自由度高，容量可小到给手机供电、大到和火力发电厂相比；机组大小对于发电效率影响并不大，均能保持较高的发电效率；在不同的负荷下，燃料电池也都能有较高的发电效率；负荷响应快，运行质量高，且排放主要是水和二氧化碳，对环境污染小。[0003] 在质子交换膜燃料电池中，热管理的优劣是影响性能的一个重要因素。燃料电池热量积累会使电池温度升高，电解质膜脱水、收缩，甚至破裂，同时回收燃料电池排放的废热有利于提高燃料电池的发电效率。因此，设计合适的系统带走并回收燃料电池废热对燃料电池的发展和应用有着重要意义。[0004] 燃料电池中大约40%～50%的能量耗散为热量，热量主要来源于三个方面，一是电极发生化学反应放出的化学反应热，二是电路有电流之后产生的焦耳热，三是加湿空气带入的热量。为了防止废热积累，使电池过热影响电池性能和使用寿命，需要采取合适的散热手段排出热量。常规的排热主要通过三个方向，在电堆内部采用有槽道的冷却板进行冷却，电极反应废气排出带走一部分热量，通过电池外表面的自然对流换热，或者用冷却水冷却。前者增加了系统的复杂性和成本，还降低系统效率，仅靠废气和表面自然对流又达不到散热要求，因此需要寻求其他提高散热效率的有效途径。

发明内容[0005] 本发明的目的在于提出一种多功能的、节能的质子交换膜燃料电池废热回收系统及方法。一种质子交换膜燃料电池废热回收系统，其特征在于：该系统包括氢气储罐，阀门A，混合器，加湿器A，质子交换膜,膨胀机，冷凝器，冷凝水储罐，蒸发室，阀门B，浓溶液储罐，阀门C，稀溶液储罐，加湿器B和压缩机；质子交换膜两侧分别是阳极反应室和阴极反应室；质子交换膜、阳极反应室和阴极反应室组成了燃料电池的主体部分，燃料电池外部布置蒸发室；氢气储罐经阀门A与混合器第一入口相连，混合器出口与加湿器A入口相连，加湿器A出口与燃料电池阳极反应室入口相连，阳极反应室出口与混合器第二入口相连；压缩机入口与大气相连，压缩机出口与加湿器B入口相连，加湿器B出口与燃料电池阴极反应室入口相连，燃料电池阴极反应室出口与环境大气相连；稀溶液储罐经阀门C与蒸发室入口相连，蒸发室溶液出口经阀门B与浓溶液储罐相连；蒸发室蒸汽出口与膨胀机入口相连，膨胀机出口与冷凝器热侧入口相连，冷凝器热侧出口与冷凝水储罐相连。[0006] 所述的质子交换膜燃料电池废热回收系统的工作方法，其特征在于包[0007] 括以下过程：空气通过压缩机压缩后进入加湿器B，然后进入燃料电池阴极反应室中；氢气从氢气储罐中通过阀门A进入混合器一侧入口，与混合器另一入口的阳极反应室排出的废气混合，再通过加湿器A加湿，进入燃料电池的阳极反应室，氢气中的质子与水结合透过质子交换膜进入阴极反应室发生反应，电子通过燃料电池供电辅助系统向外供电，再进入阴极反应室与空气中的氧气发生反应放出热量，并生成水；阳极废气排入混合器，与新鲜氢气混合后再次参与反应；稀溶液从稀溶液储罐中经过阀门C进入蒸发室，在蒸发室中吸收化学反应放出的热量蒸发，蒸发后的浓溶液经过阀门B进入浓溶液储罐，水蒸汽通过蒸发室的蒸汽出口进入膨胀机，在膨胀机内膨胀并对外做功，水蒸汽从膨胀机出口进入冷凝器，在冷凝器中放热冷凝成液体，用冷凝水储罐收集。[0008] 上述质子交换膜燃料电池废热回收系统比常规系统相比，通过在燃料电池外边面设置蒸发室，带走燃料电池的废热，同时起到浓缩稀溶液的效果。并且利用蒸发的水蒸汽作为工质，进入膨胀机膨胀，可以对外输出功，再将膨胀后的水蒸汽降温冷凝，可以收集到纯净水。此外阳极反应室排出的废气中与新鲜氢气掺混，重新进入阳极反应室参与反应，可以回收阳极废气中残留的氢气，节省原料。[0009] 该系统利用蒸发室不仅可以解决燃料电池的部分散热问题，同时可以用于凝缩工艺，得到浓缩液和纯净水，还可以对外做功。提高了燃料电池的发电效率，同时得到多种产品。附图说明[0010] 图1是本发明提出的质子交换膜燃料电池废热回收系统示意图；[0011] 图中标号名称：1.氢气储罐，2.氢气，3.阀门A，4.混合器，5.加湿器A，6.阳极反应室，7.质子交换膜，8.阴极反应室，9.阳极废气，10.阴极废气，11.水蒸汽，12.膨胀机，13.冷凝器，14.冷凝水储罐，15.蒸发室，16.阀门B，17.浓溶液储罐，18.阀门C，19.稀溶液储罐，20.加湿器B，21.压缩机，22.空气。

具体实施方式[0012] 下面参照附图说明质子交换膜燃料电池废热回收系统的工作过程。[0013] 打开阀门A3，打开阀门B16，打开阀门C18。[0014] 空气22通过压缩机21压缩后进入加湿器B20，然后进入燃料电池阴极反应室8中；氢气2从氢气储罐1中通过阀门A3进入混合器4第一入口，与混合器4第二入口的阳极反应室

6排出的废气9混合，再通过加湿器A5加湿，进入燃料电池的阳极反应室6，氢气中的质子透过质子交换膜7进入阴极反应室8与空气22发生反应，放出热量，电子通过燃料电池供电辅助系统向外供电，阳极废气9排入混合器4循环利用；稀溶液从稀溶液储罐19中经过阀门C18进入蒸发室，在蒸发室15中吸收化学反应的热量蒸发，蒸发后的浓溶液经过阀门B16进入浓溶液储罐17，水蒸汽11通过蒸发室15的蒸汽出口进入膨胀机12，在膨胀机12内膨胀并对外做功，水蒸汽11从膨胀机12出口进入冷凝器13，在冷凝器13中放热冷凝成液体，用冷凝水储罐14收集。

[0015] 该系统在质子交换膜燃料电池的基础上增加了蒸发室，可以回收燃料电池的反应热，利用燃电池的反应热蒸发稀溶液，并将高温的水蒸汽通过膨胀机做功，系统既可以通过燃料电池发电的同时，浓缩稀溶液，并且通过膨胀机对外做功。