[發(fā)明專利]一種燃料電池發(fā)電系統(tǒng)

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811263735.8
• 申請日: 2018-10-28
• 公開（公告）號: CN111106364A
• 公開（公告）日: 2020-05-05
• 發(fā)明（設計）人: 楊德志
• 申請（專利權）人: 武漢麥丘科技有限公司
• 主分類號: H01M8/04029
• 分類號: H01M8/04029;H01M8/0606
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明提供一種燃料電池和熱泵聯(lián)合循環(huán)組成的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，使用液態(tài)儲氫介質(zhì)作為燃料，包括濃溶液進口、稀溶液出口、溶液循環(huán)泵、熱泵系統(tǒng)、第一回熱器、第二回熱器、加熱器、氫氣發(fā)生器、燃料電池電堆、空氣供應系統(tǒng)和冷卻液循環(huán)系統(tǒng)，所述熱泵系統(tǒng)包括直流壓縮機、冷凝器、節(jié)流元件和蒸發(fā)器。溶解有氫的濃溶液經(jīng)溶液循環(huán)泵加壓后，依次在熱泵系統(tǒng)、第一回熱器和加熱器中獲得三次溫升，然后在氫氣發(fā)生器中發(fā)生分解反應并釋放出氫氣，氫氣經(jīng)過第二回熱器降溫后進入所述燃料電池電堆發(fā)電。本發(fā)明通過采用高效的熱泵和回熱加熱方式，與采用一個電加熱器單獨進行加熱的方式相比，可大大減少氫氣發(fā)生過程中所需要所消耗的電能，有助于提高燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率和氫能源的綜合利用效率。

技術領域

本發(fā)明涉及燃料電池技術和熱泵技術，總體上屬于能源與動力技術領域。

背景技術

在眾多新能源中，氫能源由于具有資源豐富、零污染、可再生、能量密度高等優(yōu)點，被認為是最理想的能源形式之一。近年來，隨著化石燃料的短缺和可持續(xù)發(fā)展的壓力，氫能的開發(fā)和利用顯得日益重要，全球各大汽車廠商紛紛加大氫燃料電池汽車的開發(fā)力度，而目前制約氫燃料電池汽車普及的一個重要瓶頸是氫氣的儲存。目前燃料電池汽車主要采用高壓氣態(tài)儲氫的方式，這種方式具有儲存壓力高、存儲密度小的缺點。例如目前國際上較先進的壓力為70MPa、容積為60L的碳纖維+凱夫拉復合材質(zhì)儲氫罐也僅能儲存5千克的氫氣。由于這種儲存容量的限制，使得燃料電池汽車的續(xù)航里程難以大幅度提高。此外，在如此之高的儲氫壓力下，燃料電池系統(tǒng)的儲氫罐、管路、閥門等部位都存在較大的安全隱患，易發(fā)生泄漏、滲透、爆裂、爆炸等安全事故。

為解決上述高壓氣態(tài)儲氫所存在的問題，一些常溫常壓液態(tài)儲氫技術已被開發(fā)出來。如目前已經(jīng)出現(xiàn)的有機液態(tài)氫化物儲氫技術，其借助某種儲氫溶液（某些烯烴、炔烴或芳香烴等儲氫劑）和氫氣的可逆反應來實現(xiàn)加氫和脫氫，從而實現(xiàn)可逆儲氫。這種儲氫方式與高壓氣態(tài)儲氫以及高壓低溫液態(tài)儲氫方式相比，具有溫度低、壓力低、不易泄漏、所用容器成本低廉、便于運輸和輸送等諸多優(yōu)點。但在實現(xiàn)上述儲氫溶液加氫和脫氫的反應過程中，某些環(huán)節(jié)需要加熱，如為了實現(xiàn)氫氣的順利脫氫，往往需要將溶液加熱到100℃以上的溫度。由于氫燃料電池本身的工作溫度較低（一般為50℃左右），為了達到這么高的脫氫溫度，必須采用電加熱的方式，即犧牲燃料電池本身所發(fā)出的一部分電力來實現(xiàn)加熱脫氫。由于直接電加熱方式的效率始終小于1，而所需要的電加熱功率有時可達到燃料電池發(fā)電功率的10%以上，使得這種消耗燃料電池自身所發(fā)的電能來使儲氫溶液加熱脫氫的方式使得液態(tài)儲氫燃料電池整體的發(fā)電效率大為下降，因此需要加以改進。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對液態(tài)儲氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)需要消耗大量高品質(zhì)的電能來加熱釋氫，從而造成液態(tài)儲氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的綜合發(fā)電效率和發(fā)電量下降的問題，提出了一種基于燃料電池和蒸氣壓縮式熱泵聯(lián)合循環(huán)的氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。

由于熱泵可以提升熱源的溫度，且熱泵的制熱效率較高（通常可達到2以上），因此一個自然的想法是借助熱泵來提高燃料電池系統(tǒng)余熱的溫度，作為對燃料進行加熱的熱源，降低燃料脫氫所需的電力消耗，提高燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的綜合能源利用效率。

進一步地，本發(fā)明還利用了回熱技術，以充分利用燃料在排放過程中的熱量，進一步提高燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的綜合能源利用效率。

本發(fā)明所述的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，包括：濃溶液進口、稀溶液出口、溶液循環(huán)泵、熱泵系統(tǒng)、第一回熱器、第二回熱器、加熱器、氫氣發(fā)生器、燃料電池電堆、空氣供應系統(tǒng)和冷卻液循環(huán)系統(tǒng)。

所述燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的氫氣來源于液態(tài)儲氫燃料，即儲氫溶液，其中加入了氫氣的儲氫溶液在本發(fā)明中被稱為濃溶液，而釋放出氫氣后的氫含量較少的儲氫溶液在本發(fā)明中被稱為稀溶液。