燃料电池废热脱氢系统的制作方法

本发明涉及氢燃料电池领域，特别是涉及一种燃料电池废热脱氢系统。

背景技术：

1、随着全球变暖问题的加剧，减少温室气体排放成为当今世界面临的重要任务。提升零碳或低碳能源在世界能源消费结构中的占比，有助于减少温室气体排放。在诸多能源中，氢能是最具应用潜力的可再生能源，具有零碳清洁、来源广、能量密度高等优点。氢能的应用主要包括氢气的制取、储存运输和利用三个方面。在储运方面，现有储氢方案主要为物理储氢和化学储氢两种。相比于物理储氢，化学储氢中的有机液体储氢因其储氢量大、运输条件安全稳定、使用便捷等成为最具应用价值的储氢方案之一。有机液体储氢在脱氢过程中需要消耗大量热量，脱氢温度一般为150～200℃。现有解决方案一般为设置单独的燃烧装置或电热器加热，能源利用效率较低。

2、在氢能利用方面，现有动力装置方案主要为氢燃料电池和氢内燃机两种。相比于内燃机，氢燃料电池的能量转换效率更高，一般为40％～60％；氢燃料电池在运行过程中的产物只有水，且运行部件少，运行噪音低。相比于传统蓄电池，氢燃料电池续航里程长、加油时间短。以上优势使得氢燃料电池在交通运输领域具有广泛应用前景。氢燃料电池根据电解质不同可以划分为多种类型，其中质子交换膜燃料电池因其寿命长、效率高、工作温度范围大等优点，在所有类型燃料电池中应用最多。质子交换膜燃料电池的高效工作温区为60～80℃，燃料电池运行过程中除发电外，剩余能量全部转换为热量，热量积聚会引起温度上升，为了保证燃料电池维持在高效温度区间运行，需要对燃料电池进行冷却。现有解决方案一般为设置专门的冷却系统将全部热量转移到环境中，造成能源浪费。

技术实现思路

1、为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种燃料电池废热脱氢系统，在有机液体储氢和质子交换膜燃料电池联合应用场景中，通过在燃料电池与有机液体脱氢过程之间设置热泵循环，在消耗部分电能的情况下，可以高效利用燃料电池的废热满足有机液体脱氢的热量需求。

2、本发明的目的通过下述技术方案实现：

3、一种燃料电池废热脱氢系统，包括储氢单元、热泵循环单元、气液分离单元及发电单元；

4、所述储氢单元包括富氢油罐和贫氢油罐，所述富氢油罐用于储存富氢油，所述贫氢油罐用于储存贫氢油；

5、所述热泵循环单元用于将所述发电单元的部分热量传递至富氢油，实现发电单元的部分冷却和富氢油的加热脱氢；

6、所述气液分离单元包括气液分离罐，用于将换热后的富氢油分离为氢气和贫氢油；

7、所述发电单元包括氢燃料电池，所述氢燃料电池释放的部分热量传递至所述热泵循环单元，以实现所述热泵循环单元的正常工作；

8、所述富氢油罐与所述热泵循环单元的冷源入口连接，所述热泵循环单元的冷源出口与所述气液分离罐的进口连接，所述气液分离罐的出气口与所述氢燃料电池连接，所述气液分离罐的出液口与所述贫氢油罐连接。

9、在一实施例中，所述热泵循环单元包括压缩机、冷凝器、节流阀及蒸发器，所述压缩机的出口与所述冷凝器的热源入口连接，所述冷凝器的热源出口与所述节流阀的入口连接，所述节流阀的出口与所述蒸发器的入口连接，所述蒸发器的出口与所述压缩机的入口连接；所述富氢油罐与所述冷凝器的冷源入口连接，所述冷凝器的冷源出口与所述气液分离罐的进口连接。

10、在一实施例中，所述热泵循环单元还包括回热换热器，所述冷凝器的热源出口与所述回热换热器的热源入口连接，所述回热换热器的热源出口与所述节流阀的入口连接，所述蒸发器的出口与所述回热换热器的冷源入口连接，所述回热换热器的冷源出口与所述压缩机的入口连接。

11、在一实施例中，所述蒸发器设置于所述氢燃料电池内，所述蒸发器中的热泵工质通过蒸发吸热带走氢燃料电池的部分热量。

12、在一实施例中，所述热泵循环单元的热泵工质为两种及以上的混合工质，包括丁烷、异戊烷、己烷中的至少两种。

13、在一实施例中，所述气液分离单元还包括辅助加热器，所述辅助加热器用于给所述气液分离罐加热。

14、在一实施例中，所述发电单元还包括冷却循环单元，所述冷却循环单元用于带走所述氢燃料电池的多余热量。

15、在一实施例中，所述冷却循环单元包括依次首位连接的冷却器、风机盘管、循环泵及储液箱；所述冷却器中的冷却介质带走所述氢燃料电池的多余热量，之后冷却介质进入所述风机盘管通过风冷将热量排入大气，最后冷却介质再进入下一次循环；所述循环泵为所述冷却循环单元提供动力，所述储液箱为所述冷却循环单元补充冷却介质及稳定压力。

16、在一实施例中，所述发电单元还包括输氧单元，所述输氧单元包括空压机、过滤器、进气阀，所述氢燃料电池与所述空压机、所述过滤器及所述进气阀依次连接。

17、在一实施例中，所述发电单元还包括废水罐，所述废水罐与所述氢燃料电池连接，所述废水罐上设有排泄阀。

18、本发明有益效果在于：通过在氢燃料电池与富氢油的脱氢过程之间设置热泵循环单元，在消耗部分电能的情况下，可以高效利用氢燃料电池的废热满足富氢油脱氢的热量需求；相比于通过其他燃烧装置或电热器给富氢油提供热量，本发明的能源利用效率高，且能同时实现氢燃料电池散热及有机液体脱氢，系统结构简单，应用便捷。

技术特征：

1.一种燃料电池废热脱氢系统，其特征在于，包括储氢单元(1)、热泵循环单元(2)、气液分离单元(3)及发电单元(4)；

2.如权利要求1所述的燃料电池废热脱氢系统，其特征在于，所述热泵循环单元(2)包括压缩机(21)、冷凝器(22)、节流阀(23)及蒸发器(24)，所述压缩机(21)的出口与所述冷凝器(22)的热源入口连接，所述冷凝器(22)的热源出口与所述节流阀(23)的入口连接，所述节流阀(23)的出口与所述蒸发器(24)的入口连接，所述蒸发器(24)的出口与所述压缩机(21)的入口连接；所述富氢油罐(11)与所述冷凝器(22)的冷源入口连接，所述冷凝器(22)的冷源出口与所述气液分离罐(31)的进口连接。

3.如权利要求2所述的燃料电池废热脱氢系统，其特征在于，所述热泵循环单元(2)还包括回热换热器(25)，所述冷凝器(22)的热源出口与所述回热换热器(25)的热源入口连接，所述回热换热器(25)的热源出口与所述节流阀(23)的入口连接，所述蒸发器(24)的出口与所述回热换热器(25)的冷源入口连接，所述回热换热器(25)的冷源出口与所述压缩机(21)的入口连接。

4.如权利要求2所述的燃料电池废热脱氢系统，其特征在于，所述蒸发器(24)设置于所述氢燃料电池(41)内，所述蒸发器(24)中的热泵工质通过蒸发吸热带走所述氢燃料电池(41)的部分热量。

5.如权利要求1所述的燃料电池废热脱氢系统，其特征在于，所述热泵循环单元(2)的热泵工质为两种及以上的混合工质，包括丁烷、异戊烷、己烷中的至少两种。

6.如权利要求1所述的燃料电池废热脱氢系统，其特征在于，所述气液分离单元(3)还包括辅助加热器(32)，所述辅助加热器(32)用于给所述气液分离罐(31)加热。

7.如权利要求1所述的燃料电池废热脱氢系统，其特征在于，所述发电单元(4)还包括冷却循环单元(42)，所述冷却循环单元(42)用于带走所述氢燃料电池(41)的多余热量。

8.如权利要求1所述的燃料电池废热脱氢系统，其特征在于，所述冷却循环单元(42)包括依次首位连接的冷却器(421)、风机盘管(422)、循环泵(423)及储液箱(424)；所述冷却器(421)中的冷却介质带走所述氢燃料电池(41)的多余热量，之后冷却介质进入所述风机盘管(422)通过风冷将热量排入大气，最后冷却介质再进入下一次循环；所述循环泵(423)为所述冷却循环单元(42)提供动力，所述储液箱(424)为所述冷却循环单元(42)补充冷却介质及稳定压力。

9.如权利要求1所述的燃料电池废热脱氢系统，其特征在于，所述发电单元(4)还包括输氧单元(43)，所述输氧单元(43)包括空压机(431)、过滤器(432)、进气阀(433)，所述氢燃料电池(41)与所述空压机(431)、所述过滤器(432)及所述进气阀(433)依次连接。

10.如权利要求1所述的燃料电池废热脱氢系统，其特征在于，所述发电单元(4)还包括废水罐(44)，所述废水罐(44)与所述氢燃料电池(41)连接，所述废水罐(44)上设有排泄阀(45)。

技术总结
本发明公开了一种燃料电池废热脱氢系统，包括储氢单元、热泵循环单元、气液分离单元及发电单元；储氢单元包括富氢油罐和贫氢油罐；热泵循环单元用于将发电单元的部分热量传递至富氢油，实现发电单元的部分冷却和富氢油的加热脱氢；气液分离单元包括气液分离罐；发电单元包括氢燃料电池，氢燃料电池释放的部分热量传递至热泵循环单元，以实现热泵循环单元的正常工作；富氢油罐与热泵循环单元的冷源入口连接，热泵循环单元的冷源出口与气液分离罐的进口连接，气液分离罐的出气口与氢燃料电池连接，气液分离罐的出液口与贫氢油罐连接。本发明高效利用氢燃料电池的废热满足有机液体脱氢的热量需求，能源利用效率高。

技术研发人员：王敬洲,王廷勇,赵超
受保护的技术使用者：青岛双瑞海洋环境工程股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16