[發(fā)明專利]一種LOHC燃料電池發(fā)電系統(tǒng)及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110025995.7
• 申請(qǐng)日: 2021-01-08
• 公開（公告）號(hào): CN112768724B
• 公開（公告）日: 2021-11-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉虎;于鵬飛;周賽;薛景文;王金華;車得福
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M8/04007
• 分類號(hào): H01M8/04007;H01M8/04082;H01M8/04089;H01M8/04119;H01M8/0606;F01K25/10
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 閔岳峰

1.一種LOHC燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，包括燃料電池、高溫?zé)岜谩OHC脫氫和朗肯循環(huán)四個(gè)子系統(tǒng)；

燃料電池子系統(tǒng)，是能量轉(zhuǎn)換的主要場所，用于將H₂的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能，包括除濕器(5)、混合器(6)、燃料電池(7)和H₂緩沖罐(13)；

高溫?zé)岜米酉到y(tǒng)，用于提升燃料電池余熱品位，以滿足LOHC脫氫的溫度和能量需求，包括燃料電池(7)、壓縮機(jī)(8)、脫氫反應(yīng)器(9)和膨脹閥(10)；

LOHC脫氫子系統(tǒng)，利用燃料電池余熱實(shí)現(xiàn)LOHC脫氫，包括脫氫反應(yīng)器(9)、H₂減溫器(11)、熱回收換熱器(12)和H₂緩沖罐(13)；

朗肯循環(huán)子系統(tǒng)，利用系統(tǒng)剩余熱量發(fā)電，供壓縮機(jī)、循環(huán)泵使用，包括發(fā)電機(jī)(1)、膨脹機(jī)(2)、凝汽器(3)、循環(huán)泵(4)、燃料電池(7)和脫氫反應(yīng)器(9)；

發(fā)電機(jī)(1)與膨脹機(jī)(2)通過聯(lián)軸器相連，膨脹機(jī)(2)的出口連接至凝汽器(3)的朗肯循環(huán)工質(zhì)入口，凝汽器(3)上還設(shè)置有冷卻工質(zhì)入口和冷卻工質(zhì)出口，凝汽器(3)的朗肯循環(huán)工質(zhì)出口通過循環(huán)泵(4)連接至燃料電池(7)的朗肯循環(huán)工質(zhì)入口，燃料電池(7)的朗肯循環(huán)工質(zhì)出口連接至脫氫反應(yīng)器(9)的朗肯循環(huán)工質(zhì)入口，脫氫反應(yīng)器(9)的朗肯循環(huán)工質(zhì)出口連接膨脹機(jī)(2)的入口；

混合器(6)的出口連接至燃料電池(7)的H₂入口，燃料電池(7)的H₂出口通過除濕器(5)連接至混合器(6)的回收H₂入口，燃料電池(7)上還設(shè)置有氧化劑入口和氧化劑出口，燃料電池(7)的熱泵工質(zhì)出口通過壓縮機(jī)(8)連接至脫氫反應(yīng)器(9)的熱泵工質(zhì)入口，脫氫反應(yīng)器(9)的熱泵工質(zhì)出口通過膨脹閥(10)連接至燃料電池(7)的熱泵工質(zhì)入口；

脫氫反應(yīng)器(9)的H₂出口連接至H₂減溫器(11)的H₂入口，H₂減溫器(11)的H₂出口通過H₂緩沖罐(13)連接至混合器(6)的主H₂入口，H₂減溫器(11)上還設(shè)置有LOHC入口和LOHC出口；

H₂減溫器(11)的LOHC出口連接至熱回收換熱器(12)的未脫氫LOHC入口，熱回收換熱器(12)的未脫氫LOHC出口連接至脫氫反應(yīng)器(9)的未脫氫LOHC入口，脫氫反應(yīng)器(9)的脫氫LOHC出口連接至熱回收換熱器(12)的脫氫LOHC入口，熱回收換熱器(12)上還設(shè)置有脫氫LOHC出口。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種LOHC燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，高溫?zé)岜脺厣鶕?jù)燃料電池工作溫度與脫氫反應(yīng)器溫度的差值來確定，溫升50℃采用多級(jí)壓縮或覆疊熱泵，確保熱泵COP不低于1.25。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種LOHC燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，高溫?zé)岜霉べ|(zhì)和朗肯循環(huán)工質(zhì)均根據(jù)LOHC脫氫反應(yīng)溫度和燃料電池工作溫度確定，熱泵工質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)低于燃料電池工作溫度，以避免系統(tǒng)負(fù)壓運(yùn)行，工質(zhì)臨界溫度必須高于LOHC脫氫反應(yīng)溫度，以確保脫氫反應(yīng)溫度穩(wěn)定，朗肯循環(huán)工質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)低于或接近環(huán)境溫度，臨界溫度高于燃料電池工作溫度，并接近或高于LOHC脫氫反應(yīng)溫度；脫氫反應(yīng)溫度是由LOHC和催化劑種類所決定的，兼顧LOHC脫氫反應(yīng)速度和反應(yīng)限度；燃料電池工作溫度根據(jù)電池類型確定，選擇電池安全工作溫度范圍上限有助于提升系統(tǒng)整體效率。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種LOHC燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，膨脹機(jī)出口工質(zhì)過熱度10℃具有利用價(jià)值和利用空間時(shí)，在膨脹機(jī)出口和循環(huán)泵入口之間增加回?zé)崞鳌?/p>

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種LOHC燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，熱回收換熱器(12)中熱流體為脫氫后的LOHC，冷流體是未脫氫的LOHC。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種LOHC燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，循環(huán)泵(4)和壓縮機(jī)(8)通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)，或者由膨脹機(jī)(2)直接帶動(dòng)。

7.一種LOHC燃料電池發(fā)電方法，其特征在于，該方法采用權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的一種LOHC燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，包括：

氧化劑和H₂在燃料電池中發(fā)生反應(yīng)并輸出電能，副產(chǎn)的熱量由熱泵工質(zhì)和朗肯循環(huán)工質(zhì)帶走，保證了電池高效穩(wěn)定工作；高溫?zé)岜孟纳倭扛咂肺荒芰浚瑢⑷剂想姵氐牡蜏責(zé)崮苻D(zhuǎn)換為高溫?zé)崮埽徊糠钟糜贚OHC脫氫，一部分用于驅(qū)動(dòng)朗肯循環(huán)發(fā)電；脫氫后的LOHC可用于預(yù)熱進(jìn)入反應(yīng)器前未脫氫的LOHC，脫氫反應(yīng)產(chǎn)生的H₂由未脫氫的低溫LOHC冷卻。