技术领域
[0001] 本
发明涉及
燃料电池技术和
热泵技术，总体上属于
能源与动
力技术领域。
背景技术
[0002] 在众多新能源中，氢能源由于具有资源丰富、零污染、可再生、
能量密度高等优点，被认为是最理想的能源形式之一。近年来，随着
化石燃料的短缺和可持续发展的压力，氢能的开发和利用显得日益重要，全球各大
汽车厂商纷纷加大
氢燃料电池汽车的开发力度，而目前制约氢燃料电池汽车普及的一个重要
瓶颈是氢气的储存。目前燃料电池汽车主要采用高压气态储氢的方式，这种方式具有储存压力高、存储密度小的缺点。例如目前国际上较先进的压力为70MPa、容积为60L的
碳纤维+凯夫拉复合材质储氢罐也仅能储存5千克的氢气。由于这种储存容量的限制，使得燃料电池汽车的续航里程难以大幅度提高。此外，在如此之高的储氢压力下，燃料电池系统的储氢罐、管路、
阀门等部位都存在较大的安全隐患，易发生
泄漏、渗透、爆裂、爆炸等安全事故。
[0003] 为解决上述高压气态储氢所存在的问题，一些常温常压液态储氢技术已被开发出来。如目前已经出现的有机液态氢化物储氢技术，其借助某种储氢溶液（某些烯
烃、炔烃或芳香烃等储氢剂）和氢气的可逆反应来实现加氢和脱氢，从而实现可逆储氢。这种储氢方式与高压气态储氢以及高压低温液态储氢方式相比，具有
温度低、压力低、不易泄漏、所用容器成本低廉、便于运输和输送等诸多优点。但在实现上述储氢溶液加氢和脱氢的反应过程中，某些环节需要加热，如为了实现氢气的顺利脱氢，往往需要将溶液加热到100℃以上的温度。由于氢燃料电池本身的
工作温度较低（一般为50℃左右），为了达到这么高的脱氢温度，必须采用电加热的方式，即牺牲燃料电池本身所发出的一部分电力来实现加热脱氢。由于直接电加热方式的效率始终小于1，而所需要的电加热功率有时可达到燃料电池发电功率的10%以上，使得这种消耗燃料电池自身所发的
电能来使储氢溶液加热脱氢的方式使得液态储氢燃料电池整体的发电效率大为下降，因此需要加以改进。
发明内容
[0004] 本发明针对液态储氢燃料电池发电系统需要消耗大量高品质的电能来加热释氢，从而造成液态储氢燃料电池发电系统的综合发电效率和发电量下降的问题，提出了一种基于燃料电池和蒸气压缩式热泵联合循环的氢燃料电池发电系统。
[0005] 由于热泵可以提升热源的温度，且热泵的制热效率较高（通常可达到2以上），因此一个自然的想法是借助热泵来提高燃料电池系统余热的温度，作为对燃料进行加热的热源，降低燃料脱氢所需的电力消耗，提高燃料电池发电系统的综合能源利用效率。
[0006] 进一步地，本发明还利用了回热技术，以充分利用燃料在排放过程中的热量，进一步提高燃料电池发电系统的综合能源利用效率。
[0007] 本发明所述的燃料电池发电系统，包括：浓溶液进口、稀溶液出口、溶液
循环泵、热泵系统、第一
回热器、第二回热器、加热器、氢气发生器、燃料电池电堆、空气供应系统和
冷却液循环系统。
[0008] 所述燃料电池发电系统的氢气来源于液态储氢燃料，即储氢溶液，其中加入了氢气的储氢溶液在本发明中被称为浓溶液，而释放出氢气后的氢含量较少的储氢溶液在本发明中被称为稀溶液。
[0009] 所述氢气发生器具有第一通口、第二通口和第三通口，在所述氢气发生器中含有催化剂。经过三次加热后的浓溶液由第一通口进入所述氢气发生器后，在催化剂的作用下发生分解反应，析出氢气。析出的氢气从所述氢气发生器的第二通口输出，以供给所述燃料电池电堆所需要的氢气。析出氢气后的浓溶液变为稀溶液，由所述氢气发生器的第三通口流出所述氢气发生器。
[0010] 所述燃料电池电堆具有氢气进口、氢气出口、空气进口、空气出口、冷却液进口、冷却液出口、正极
接线柱和负极接线柱。
[0011] 所述空气供应系统包括空气滤清器和空气
增压器，所述空气供应系统为所述燃料电池电堆供应空气。
[0012] 所述热泵系统包括直流
压缩机、
冷凝器、节流元件、
蒸发器，它们通过管路依次连接起来，在管路中充注有制冷剂。
[0013] 所述冷却液循环系统包括冷却液循环泵、
过滤器、膨胀箱、
旁通阀、
散热器和散热
风扇。在所述冷却液循环系统中有冷却液在其中不断循环流动。
[0014] 浓溶液由所述浓溶液进口进入所述燃料电池发电系统，依次在所述热泵系统、所述第一回热器和所述加热器中被渐次加热并获得三次温升，达到分解反应所需要的温度后，由所述氢气发生器的第一通口进入所述氢气发生器，在所述氢气发生器中浓溶液发生分解反应并释放出气态的氢气，而释放出了氢气的液体储氢介质变为稀溶液。氢气由第二通口流出所述氢气发生器，而稀溶液由第三通口流出所述氢气发生器。流出氢气发生器的稀溶液先流经第一回热器，在第一回热器中将热量释放给浓溶液后，再由所述稀溶液出口流出所述燃料电池发电系统。通过综合利用上述三个加热过程，可以将浓溶液加热到150℃以上，从而确保储氢介质在氢气发生器中可以顺利分解出氢气。
[0015] 流出氢气发生器的氢气先经过第二回热器，在第二回热器中氢气将热量传递给冷却液，温度降温，然后由燃料电池电堆的氢气进口进入所述燃料电池电堆内部。空气经过空气滤清器，滤除掉其中的粉尘和有害化学微粒后，经空气
增压器升压后，由燃料电池电堆的空气进口进入所述燃料电池电堆的内部。在燃料电池电堆的内部，氢气和空气中的
氧气发生电化学反应，生成直流电，同时产生
水和热量。直流电通过燃料电池电堆的正接线柱和负接线柱向外部输出能量，从而驱动相关用电设备做功，以及作为直流压缩机的电源。未反应完的空气和生成的水从空气出口排出所述燃料电池电堆，而未反应完的氢气则从氢气出口排出所述燃料电池电堆。
[0016] 燃料电池电堆内部的热量由所述冷却循环系统带走。
散热器出口处的冷却液经过滤器过滤后，被冷却液循环泵增压，然后分为两路。一路冷却液先流经燃料电池电堆的内部，在其中吸收电化学反应所产生的热量，使燃料电池电堆得到冷却，同时冷却液温度升高，再进入热泵系统的
蒸发器。在蒸发器中此路冷却液将热量传递给制冷剂，并通
过热泵系统中制冷剂的循环，实现在冷凝器中将热量传递给浓溶液，达到将燃料电池电堆余热的温度提高后用来加热浓溶液的目的。另一路冷却液进入第二回热器，在其中吸收从氢气发生器流出的氢气的热量，使氢气在进入燃料电池电堆之前得到降温。流出蒸发器和第二回热器的两路冷却液汇合后，返回散热器。在散热器中，冷却液将热量传递给由散热风扇所强迫
对流的空气，温度降低到接近环境空气的温度，从而再次具备冷却燃料电池电堆和进入燃料电池电堆的氢气的能力。
附图说明
[0017] 图1是本发明所述的燃料电池发电系统的
流程图。
具体实施方式
[0018] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
[0019] 请参考图1，本发明的
实施例提供了一种燃料电池发电系统，该系统包括浓溶液进口1、稀溶液出口2、溶液循环泵3、热泵系统30、第一回热器8、第二回热器9、加热器10、氢气发生器11、燃料电池电堆12，以及空气供应系统和冷却液循环系统。
[0020] 所述热泵系统30包括直流压缩机4、冷凝器5、节流元件6、蒸发器7，它们通过管路依次连接起来，在管路中充注有制冷剂。直流压缩机4具有吸气口和排气口。冷凝器5具有溶液入口5a、溶液出口5b、冷凝入口5c和冷凝出口5d。蒸发器具有冷却液入口7a、冷却液出口7b、蒸发入口7c和蒸发出口7d。
[0021] 冷凝器5是一个换热器，其中一侧为浓溶液流通通道，另一侧为制冷剂冷凝通道。从直流压缩机4的排气口排出的高温高压的气态制冷剂从冷凝入口5c进入冷凝器5，在其中冷凝放热后，变成液态制冷剂，从冷凝出口5d流出。低温的浓溶液由溶液入口5a进入冷凝器
5，被另一侧的制冷剂所释放的冷凝热加热，温度升高，从溶液出口5b流出。
[0022] 蒸发器6是一个换热器，其中一侧为冷却液流通通道，另一侧为制冷剂蒸发通道。经节流元件6节流后的制冷剂从蒸发入口7c进入蒸发器7，在其中蒸发吸热后，变成气态制冷剂，从蒸发出口7d流出蒸发器7，并返回直流压缩机4的吸气口。冷却液由冷却液入口7a进入蒸发器7，向另一侧的处于蒸发状态的制冷剂释放热量，温度降低，从冷却液出口7b流出。
[0023] 第一回热器8是一个间壁换热器，其具有第一
接口8a、第二接口8b、第三接口8c和第四接口8d。第一回热器8可分为冷
流体侧和热流体侧，冷流体侧包括连通的第一接口8a和第二接口8b，热流体侧包括连通的第三接口8c和第四接口8d。
[0024] 第二回热器9是一个间壁换热器，其具有第一端口9a、第二端口9b、第三端口9c和第四端口9d。第二回热器9也可分为冷流体侧和热流体侧，冷流体侧包括连通的第一端口9a和第二端口9b，热流体侧包括连通的第三端口9c和第四端口9d。
[0025] 加热器10具有输入端10a和输出端10b，通常，该加热器10为电加热器，从输入端10a流入的浓溶液经过加热器10加热后从输出端10b流出。
[0026] 氢气发生器11包括第一通口11a、第二通口11b和第三通口11c，在其内部充填有催化剂。具有一定压力和温度的富含氢的浓溶液由第一通口11a进入氢气发生器11后，在催化剂的作用下，溶液发生分解反应，释放出氢气，同时溶液的浓度降低。氢气发生器11兼具气液分离功能，使得分离后的氢气从第二通口11b输出，而分离后的乏氢的稀溶液则从第三通口11c流出所述氢气分离器。
[0027] 燃料电池电堆12具有氢气进口12a、氢气出口12b、空气进口12c、空气出口12d、冷却液进口12e、冷却液出口12f、正极接线柱12p和负极接线柱12n。通过电化学反应使由氢气进口12a进入的氢气和由空气进口12c进入的空气中的氧气在燃料电池电堆12的内部发生电化学反应，产生直流电，同时生成水和大量的热量。燃料电池电堆产生的直流电通过电堆正极接线柱12p和电堆负极接线柱12n输出到电堆外，从而驱动用电设备运转。未反应完的氢气则从氢气出口12b排出燃料电池电堆12。
[0028] 所述空气供应系统包括空气滤清器13、空气增压器14及相应的空气连接管路。由空气滤清器13吸入的空气，经过空气增压器14增压后，由空气进口12c进入燃料电池电堆12的内部。在电堆内部，空气中的氧气因和氢气反应而消耗掉，消耗了氧气的空气由空气出口12d流出燃料电池电堆12。
[0029] 所述冷却液循环系统包括冷却液循环泵15、过滤器16、膨胀箱17、旁通阀18、散热器19和散热风扇20。在冷却液循环系统中充注有冷却液，通常为水或水-乙二醇溶液。通
过冷却液在燃料电池电堆12内的不断循环，从而不断地带走氢、氧电化学反应过程所产生的热量，避免电堆因过热而损坏。
[0030] 散热器19是一个具有翅片的散热器，其具有进口19a和出口19b。在散热器进口19a和散热器出口19b之间还设有并联的旁通阀18。
[0031] 散热风扇20用于使空气产生强迫对流，通过使空气强制流过散热器19的翅片，从而带走散热器19中冷却液的热量，使冷却液温度降低，从而使冷却液具备冷却燃料电池电堆12的能力。
[0032] 膨胀箱17用于容纳冷却液循环系统中的冷却液因为温度变化而造成的体积变化，膨胀箱17的高度一股高于燃料电池电堆12的高度。
[0033] 参考图1，本所明所述的燃料电池发电系统，各部件之间的连接关系是：浓溶液进口1和溶液循环泵3的进口相连，溶液循环泵3的出口连至冷凝器5的溶液入口5a。
[0034] 第一回热器8的第一接口8a和冷凝器5的溶液出口5b相连，第一回热器8的第二接口8b和加热器10的输入端10a相连，第一回热器8的第三接口8c和氢气发生器11的第三通口11c相连，第一回热器8的第四接口8d和稀溶液出口2相连。
[0035] 第二回热器9的第一端口9a和冷却液循环泵15的出口以及燃料电池电堆12的冷却液进口12e相连，第二回热器9的第二端口9b和蒸发器7的冷却液出口7b以及散热器19的进口19a相连，第二回热器9的第三端口9c和氢气发生器11的第二通口11b相连，第二回热器9的第四端口9d和燃料电池电堆12的氢气输入口12a相连。
[0036] 在构成热泵系统30的各部件中，压缩机的排气口和冷凝器5的冷凝入口5c相连，冷凝器5的冷凝出口5d和节流元件6的一端相连，节流元件6的另一端和蒸发器7的蒸发入口7c相连，蒸发器7的蒸发出口7d和压缩机的吸气口相连。
[0037] 加热器10的输出端10b和氢气发生器11的第一通口11a相连。
[0038] 冷却液循环泵15的进口和过滤器16的一端相连，冷却液循环泵15的出口连接至燃料电池电堆12的冷却液进口12e和第二回热器9的第一端口9a。过滤器16的另一端和散热器19的出口19b相连，散热器19的进口19a和蒸发器7的冷却液出口7b以及第二回热器9的第二端口9b相连。膨胀箱17的底部通过一根连接管连接在散热器出口19b和过滤器16之间的管路上。
[0039] 所述热泵系统30的工作原理是：制冷剂气体经直流压缩机4压缩后，温度升高、压力升高，进入冷凝器5。在冷凝器5中，高温高压的制冷剂气体向冷凝器另一侧的浓溶液放热，使浓溶液的温度升高，而制冷剂则冷凝成高温高压的液体。此高温高压的制冷剂液体随后流过节流元件6。在流经节流元件6时，制冷剂压力降低，部分闪发出来，变成低温低压的气液混合物。此低温低压的制冷剂气液混合物随后流入蒸发器7。在蒸发器7中，低温低压的制冷剂气液混合物同时吸收蒸发器另一侧的冷却液的热量，使得冷却液的温度降低，而制冷剂则在吸热后蒸发并变成气体。制冷剂气体由直流压缩机4的吸气口吸入。在直流压缩机6内，制冷剂气体又重新被压缩，再次变成高温高压的气体，如此循环往复，从而实现不断从循环冷却液中取热、向浓溶液中放热的过程。直流压缩机4可由燃料电池电堆发出的直流电驱动。
[0040] 所述燃料电池发电系统使用可溶解氢的溶液作为燃料。处于常温、常压状态下的，溶解了氢气的富氢浓溶液由浓溶液进口1进入所述燃料电池发电系统，依次在所述热泵30、第一回热器8、加热器10中获得三次温升后，达到分解反应所需要的温度，随即在氢气发生器11中释放出氢气，以供给燃料电池电堆12进行发电，释放出氢气的浓溶液转变为乏氢的稀溶液，由稀溶液出口2流出所述燃料电池发电系统。
[0041] 具体地，常温常压的浓溶液由所述浓溶液进口1进入所述燃料电池发电系统，先经溶液循环泵3加压，然后进入热泵30的冷凝器5，在冷凝器5中浓溶液获得第一次温升，温度升至60 80℃，然后进入第一回热器8。在第一回热器8中，浓溶液吸收回热器中另一侧的稀~溶液的热量，获得第二次温升，温度升至100 120℃，随后进入加热器10。在加热器10中，浓~
溶液获得第三次温升。加热器10是电加热器，可将浓溶液温度提升至150℃以上。此时，经过三次温升的浓溶液已达到发生分解反应所必需的温度水平。此具有足够高的温度水平的浓溶液在由第一通口11a进入氢气发生器11后，在催化剂的帮助下，将立即发生分解反应，释放出大量氢气。氢气从所述氢气发生器11的第二通口11b流出所述氢气发生器11，此时氢气的温度仍较高。同时，浓溶液由于释放出氢气而变为稀溶液，稀溶液从第三通口11c流出所述氢气发生器11。
[0042] 由第三通口11c流出氢气发生器11的稀溶液由第一回热器8的第三端口8c进入第一回热器8的热流体侧，由于此时稀溶液仍具有较高的温度，稀溶液将向流经第一回热器8的浓溶液放出一部分热量，使得浓溶液温度升高，同时稀溶液温度降低，即实现了稀溶液的热量回收。温度降低后的稀溶液，最后经由所述燃料电池发电系统的稀溶液出口2流出所述燃料电池发电系统。
[0043] 流出所述氢气发生器11的氢气由第二回热器9的第三端口9c进入第二回热器9。在第二回热器9中，温度较高的氢气将热量传递给由燃料电池电堆12的冷却液出口12f来的冷却液，温度降低。温度降低后的氢气由氢气进口12a进入燃料电池电堆12的内部。空气经过空气滤清器13，滤除掉其中的粉尘和有害化学微粒后，经空气增压器14升压，由空气进口12c进入燃料电池电堆12的内部。在燃料电池电堆12的内部，氢气和空气中的氧气反应生成直流电，同时产生水和热量；直流电通过燃料电池电堆12的
电极（正接线柱12p和负接线柱
12n）向外部输出，从而驱动相关设备做功，以及作为直流压缩机4的电源。未反应完的空气和生成的水从空气出口12d排出所述燃料电池电堆12，而未反应完的氢气从氢气出口12b排出所述燃料电池电堆12。
[0044] 燃料电池电堆12内部的热量由所述冷却循环系统带走。散热器19出口处的冷却液经过滤器16过滤后，被冷却液循环泵15增压，然后分为两路。一路从燃料电池电堆12的冷却液进口12e进入燃料电池电堆12内部，另一路经第二回热器9的第一端口9a进入第二回热器9的冷流体侧。流经燃料电池电堆12内部的冷却液吸收氢、氧电化学反应所产生的热量，使燃料电池电堆得到冷却，同时冷却液温度升高，由冷却液出口12f流出燃料电池电堆12。流出燃料电池电堆12的冷却液由冷却液进口7a进入热泵30的蒸发器7。在蒸发器中，冷却液将热量传递给蒸发器另一侧的处于蒸发状态的制冷剂，温度降低，从冷却液出口7b流出蒸发器7。流经第二回热器9的冷流体侧的冷却液吸收第二回热器9中另一侧的热流体（即氢气）的热量，使氢气在进入燃料电池电堆12之前温度降低到50℃左右，吸收了氢气热量的冷却液温度升高，由第二端口9b流出第二回热器9。流出蒸发器7和第二回热器9的冷却液汇合后，由散热器19的进口19a返回散热器19。在散热器19中，冷却液将热量传递给由散热风扇
19所强迫对流的空气，冷却液温度降低到接近环境空气的温度，从而再次具备冷却燃料电池电堆12和氢气的能力。
[0045] 旁通阀18并联在散热器19的进口19a和出口19b之间，旁通阀18的开度可调，通过调节旁通阀开度的大小，可以调节冷却液流经散热器19的阻力大小，也就可以调节流经散热器19的冷却液的流量，从而能精确控制散热器19的出口19b处的冷却液的温度，使得出口19b处的冷却液温度不至于过低或过高。
[0046] 在本实施例中，所述第一回热器8和第二回热器9均为
板式换热器，也可是壳
管式换热器或
套管式换热器。所述节流元件6可以是节流毛细管、
热力膨胀阀、
电子膨胀阀、节流短管、节流孔板等任意一种。
[0047] 在本发明所述的燃料电池发电系统中，作为储氢介质的浓溶液在热泵30、第一回热器8、加热器10中被逐级加热到分解反应所需要的温度，与采用一个电加热器单独进行加热的方案相比，本发明由于利用了高效的热泵加热方式，且利用了回热器回收的稀溶液的余热，使得要将浓溶液加热到同样的反应温度，本方案的加热效率更高，所需要的电能更少，减少了液态储氢燃料电池发电系统在氢气发生过程中所需的电能损耗，氢能的综合利用效率得到提高。与常规的高压气态储氢方式相比，本发明所述的燃料电池发电系统具有工作压力低、管路和储罐的耐压要求低、安全、不易泄漏的优点。
[0048] 在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的
位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本
申请请求保护的范围。
[0049] 在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
[0050] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
