基于有机朗肯循环改善PEMFC系统性能研究

2020-09-30陈瑜中国质量认证中心南京分中心

节能与环保 2020年9期

文_陈瑜中国质量认证中心南京分中心

质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为一种极具发展前景的新能源技术，具有相对较低的工作温度、良好的启动性能以及较高的功率密度。PEMFC 的核心是一种聚合物膜，电化学反应发生在电解质和膜的界面上，氢气侧为阳极，氧气侧为阴极，氢分裂成质子和电子，电子从阳极移动到阴极，质子在电解质内部从阳极转移到阴极。在阴极，电子和氢离子与氧结合产生水，同时外部电路产生直流电，通常需要将大量电池串联形成PEMFC堆产生所需电压。PEMFC 将燃料的化学能直接转化为直流电和水的同时，副产部分余热，温度约330 ～370K。稳态运行时，余热量占据50%以上。为了维持整个系统的温度均匀性，这部分余热需要及时排出，目前主要通过热电联产、燃料重整、制冷等再利用，但由于余热温度相对较低，回收效率难以提高，如何高效利用这部分余热对提高燃料电池内部的能量转换效率具有重要意义。因此，本文提出了一种由PEMFC 堆和有机朗肯循环（ORC）组成的混合系统，利用其产生的余热来提高能量转换效率，并揭示混合系统的性能特点。

1 PEMFC-ORC混合系统

PEMFC-ORC 混合系统包括一个PEMFC 堆和ORC 两个子系统。PEMFC 子系统由氢罐、空气压缩机、增湿器、压力调节器和燃料电池堆组成。ORC 子系统除料电池堆（蒸发器）外，还包括膨胀机、冷凝器和工质泵。ORC 系统以低沸点有机物为循环工质，工质在蒸发器中受热蒸发为饱和蒸汽，推动膨胀机做功，乏气进入冷凝器，由工质泵再送至蒸发器完成循环。假设系统稳定运行、管道以及换热设备中压降为0、忽略热损，通过分析可得：

其中，Qch为电化学释放理论功率；Wfc为PEMFC 堆输出电能；Wcomp为压缩机耗功；We，act和Wp，act为膨胀机和工质泵实际输出功；mwf为质量流量；Qev为吸热量；ηe，is为膨胀机等熵效率；ηg为发电机机械效率；ηp，is为循环泵等熵效率。

2 ORC系统工质筛选

ORC 系统性能以及循环特性主要由循环工质控制，工质的选择主要考虑物性参数与环境影响，比如较低的ODP、GWP 以及ALT，正常操作温度范围内不会分解，安全无毒等，初步筛选了6 种工质（表1），物性参数来自REFPROF 8.0。

表1 工质物性参数

3 结果分析

3.1 等效输出功

图1 所示为混合系统等效输出功P*（P*=Wall/Ac）与PEMFC 堆电流密度i 的关系，以循环工质R245fa 为例，蒸发温度分别为330K、340K、350K、冷凝温度308K、环境温度298K，燃料电池工作温度为358.15K，操作压力202.65kPa。可以看出，ORC 系统导致系统等效输出功有较大提升，增幅在10%左右。随着电流密度增大，ORC 系统输出功和系统等效输出功均逐渐增大，并且在电流密度接近1.28A/cm2（ip）时，系统等效输出功达到最大值。同时，ORC 系统输出功和系统等效输出功均随蒸发温度的提高而增大。当电流密度超过ip时，虽然ORC 输出功增大，但系统等效输出功呈下降趋势。因此，混合系统高效工作时的电流密度不应超过ip。另外，对于较低电流密度，蒸发温度对于输出功的影响较小。

图1 混合系统无量纲输出功与电流密度关系

3.2 混合系统效率

图2 所示混合系统效率与电流密度的关系，系统参数与上述一致。可以看出，混合系统效率随电流密度增大呈急速下降、缓慢下降，而后再次急速下降趋势；蒸发温度提高，效率有所增加，且较低电流密度时，对效率的影响较小，混合系统最大效率接近73%。这与电流密度对系统等效输出功的影响完全不同，并不存在最大效率点，单从效率来看并不能找到合理的操作范围，需要进一步分析。

图3 所示为系统等效输出功与混合系统效率的关系，可以明确看出，当输出功取得最大值时，效率接近40%。当超过45%时，系统输出功急剧减小，由此可从图4 确定当前条件下的最佳操作范围。

图2 混合系统效率与电流密度的关系

图3 等效输出功与混合系统效率的关系

3.3 工作介质对混合系统效率的影响

图4 所示为不同介质混合系统效率与工作压力的关系，蒸发温度为340K，冷凝温度308K，环境温度298K，燃料电池工作温度为358.15K。可以看出，由于ORC 系统的引入，混合系统效率有了较为明显的提升。随着工作压力的提升，系统效率先增大而后减小，在202kPa 时存在最大效率，且最大效率与工质介质无关，由此在本文条件下，混合系统的最佳工作压力约为202kPa；同时在相同压力时，不同介质的效率基本重合。主要原因在于，PEMFC 具有优异的低温工作性能，而对于低温ORC 系统来说，工作介质对于ORC系统性能的影响较小，此时介质的选择主要考虑环境因素和经济性指标。