一种集成MSR和ORC的车用HT-PEMFC系统

本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种集成msr和orc的车用ht-pemfc系统。

背景技术：

1、质子交换膜燃料电池(pemfc)因其高能量转换效率、高功率密度、零排放、噪音低和易维护等优点被视为燃料电池汽车(fcv)最有潜力的动力源之一。

2、目前，由于低温质子交换膜燃料电池(lt-pemfc)的工作温度(60℃-80℃)的限制，使得产生的液态水会有可能造成膜“水淹”，这会导致反应气体的传输受到阻碍，大大影响燃料电池的性能；与lt-pemfc相比，在更高温度(120–200℃)下运行的高温质子交换膜燃料电池(ht-pemfc)具有明显的优势：加速电极处的反应动力学，简化了水和热管理系统，提高了co的耐受性，提高了电堆余热的品质；但现在纯氢燃料电池车仍存在着电池的制造与运营成本较高，基础设施投资大，氢气的制取、运输和存储等基础技术问题尚未完全解决，严重制约纯氢燃料电池汽车的发展。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种集成msr和orc的车用ht-pemfc系统，通过甲醇重整制氢为燃料电池系统提供氢气，解决了氢气储存和运输的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种集成msr和orc的车用ht-pemfc系统，包括msr子系统、ht-pemfc子系统和orc子系统；

3、所述ht-pemfc子系统设置在所述msr子系统一侧，所述orc子系统设置在所述ht-pemfc子系统一侧；所述msr子系统包括燃料箱、第一泵、热交换器、过热器、重整器、冷却器、分离器、变压吸附塔、储氢罐、第一压力调节器、连接管和第二压力调节器；所述第一泵和所述燃料箱连通，所述热交换器和所述第一泵连通，所述过热器和所述热交换器连通，所述重整器分别与所述过热器、所述热交换器连通，所述冷却器和所述热交换器连通，所述分离器分别与所述冷却器、所述燃料箱连通，所述变压吸附塔和所述分离器连通，所述储氢罐和所述变压吸附塔连通，所述第一压力调节器和所述变压吸附塔连通，所述连接管和所述第一压力调节器连通，所述第二压力调节器分别与所述储氢罐、所述连接管连通。

4、其中，所述ht-pemfc子系统包括氢气压缩机、对接管、ht-pemfc电堆、阳极热交换器、阴极热交换器、空气压缩机和第二泵；

5、所述氢气压缩机和所述连接管连通，所述对接管和所述重整器连通，所述ht-pemfc电堆分别与所述氢气压缩机、所述过热器、所述对接管连通，所述阳极热交换器分别与所述连接管、所述ht-pemfc电堆连通，所述阴极热交换器分别与所述ht-pemfc电堆、所述阳极热交换器连通，所述空气压缩机和所述阴极热交换器连通，所述第二泵与所述对接管连通。

6、其中，所述orc子系统包括蒸发器、透平机、发电机、冷凝器和第三泵；

7、所述蒸发器分别与所述第二泵、所述ht-pemfc电堆连通，所述透平机和所述蒸发器连通，所述发电机和所述透平机连通，所述冷凝器和所述透平机连通，所述第三泵分别与所述蒸发器、所述冷凝器连通。

8、本发明的一种集成msr和orc的车用ht-pemfc系统，从燃料箱流出的甲醇和水的混合液体经第一泵加压至热交换器进行预热，预热的甲醇水溶液在过热器中汽化，然后，蒸汽混合物流入重整器进行反应并产生氢气。蒸发和反应所需的热量来自于导热油(三乙二醇)所带出的ht-pemfc电堆的废热。产生反应气体的混合物除氢气外，还包括co、co2、未完全反应的甲醇气和水蒸气。混合气体通过热交换器释放热量，用于预热进入的甲醇水溶液，之后气体混合物在冷却器中冷却。两相气液混合物在分离器中分离，甲醇和水溶液回流到油箱。分离出来的混合气体流入变压吸附系统(psa)提取纯氢气，剩余的co和co2流入环境中。提取的纯氢气供给ht-pemfc分系统运行，多余氢气流入储氢罐。在启动阶段，系统可以从氢气罐中获得氢气。第一压力调节器和第二压力调节器可以根据fcv在运行中的操作条件进行调整。所述msr子系统产生的氢气流入储氢罐或者提供给ht-pemfc电堆进行氧化还原反应产生电能；产生的氢气优先提供给ht-pemfc子系统中使用，多余的氢气则流入储气罐中进行储存；当产生的氢气不足以满足ht-pemfc电堆需求时，储氢罐中的氢气流出进行补给，产生的氢气和储气罐流出的氢气分别交给第一压力调节器和第二压力调节器调节至电堆反应所需压力。所述msr子系统中的甲醇蒸汽重整制氢反应所需的热量来自于电堆产生的余热，ht-pemfc电堆生产的余热优先提供给msr子系统生产氢气，多余的热量则提供给orc子系统进行回收做功。

9、所述msr子系统中甲醇的平衡转化率和氢气产率可以表示为:

10、

11、

12、式中，为摩尔流量。

13、如图2所示，达到平衡状态的ch3oh转化率随着反应温度treaction和h2o/ch3oh摩尔比的增加而逐渐增加。当h2o/ch3oh的摩尔比大于1且反应温度大于453k时，msr子系统的ch3oh转化率在95％以上。

14、如图3所示，当h2o/ch3oh摩尔比大于1，氢气产量高于95％时，反应温度对氢气产量的影响不大；由于过热器和重整器都是由ht-pemfc电堆的废热加热的，所以反应温度应该低于电堆出口的温度。因此，为了确保所提出的系统有一个更好的输出性能，h2o/ch3oh的摩尔比应大于1.2；此时，在一定的反应温度下，msr子系统的甲醇平衡转化率和氢气产量可以大于95％。本发明采用甲醇蒸气重整，避免氢气运输和基础设施建设的成本，提高了系统的经济性。

技术特征：

1.一种集成msr和orc的车用ht-pemfc系统，其特征在于，

2.如权利要求1所述的一种集成msr和orc的车用ht-pemfc系统，其特征在于，

3.如权利要求2所述的一种集成msr和orc的车用ht-pemfc系统，其特征在于，

技术总结
本发明涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种集成MSR和ORC的车用HT‑PEMFC系统，包括MSR子系统、HT‑PEMFC子系统和ORC子系统；MSR子系统包括燃料箱、第一泵、热交换器、过热器、重整器、冷却器、分离器、变压吸附塔、储氢罐、第一压力调节器、连接管和第二压力调节器；第一泵和燃料箱连通，热交换器和第一泵连通，过热器和热交换器连通，重整器分别与过热器、热交换器连通，冷却器和热交换器连通，分离器分别与冷却器、燃料箱连通，变压吸附塔和分离器连通，储氢罐和变压吸附塔连通；本发明通过甲醇重整制氢为燃料电池系统提供氢气，解决了氢气储存和运输的问题。

技术研发人员：马哲树,李炎举,郑萌,宋翰林,郭信佳
受保护的技术使用者：南京林业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15