一種基于大型PEMFC氫氧燃料電池的一體四用新型系統

王路路 江燕濤

一種基于大型PEMFC氫氧燃料電池的一體四用新型系統

王路路 江燕濤

（廣東海洋大學機械與動力工程學院 湛江 524088）

目前，社會大力提倡清潔能源，一種基于大型PEMFC氫氧燃料電池的一體四用新型系統是集發電、熱水供應、制冷、制熱于一身的高效節能系統。其包括氫氧燃料電池系統、熱水系統、制冷系統、制熱系統四個子系統，利用中間水箱這一結構將四個子系統聯系起來。另外在中間水箱內設置電加熱器，進而實現四個子系統既可聯合工作，也可單獨工作。它解決了常見柴油發電機噪音大、夏季炎熱、冬季寒冷、無熱水供應問題，改善野外及孤島工作者的工作條件，是一種節能環保的系統，具有一定的實際應用意義。

燃料電池系統；熱水系統；制冷系統；制熱系統

0 引言

氫氧燃料電池由于具有清潔環保、能量利用率高、噪音低的特點，受到各國的熱捧[1]。2003年，德國用氫燃料電池建造了世界上第一艘潛艇；2015年東京車展，本田首發一款續航可達750km的氫氧燃料電池汽車Mirai。國內也開展了廣泛的實驗研究和初步研究，例如，2017年，世界上第一輛商用氫燃料電池電車在河北省唐山市啟動。

目前野外工作者如鐵路施工者、電網施工者等的工作環境極其惡劣，經常面臨著柴油發電過程中噪音大[2]、夏季酷熱而難以成眠、冬季無暖氣、晚上無熱水供應的難題。此外中國南海眾多孤島交通不便且電網難以覆蓋其上，駐扎其上的工作者亦面臨同樣難題。

1 系統結構設計

一種基于大型氫氧燃料電池的一體四用新型系統包括質子交換膜型氫氧燃料電池[3]、蓄電池、水收集箱、中間水箱、燃料電池冷卻水箱、去離子器、熱水存儲箱、法蘭、發生器、濃溴化鋰溶液儲存器、冷凝器、制冷劑儲存器、蒸發器、吸收器、冷凝盤管、制冷系統冷卻水箱。如圖1所示。

1—氫氧燃料電池；2—蓄電池；3—水收集器；4—中間水箱；5—熱水儲存箱；6—燃料電池冷卻水箱；7—去離子器；8—連接法蘭；9—發生室；10—冷凝室；11—制冷劑儲存器；12—節流閥；13—蒸發室；14—吸收室；15—濃溴化鋰溶液儲存器；16—制熱蒸汽冷凝盤管；17—制冷系統冷卻水箱

氫氧燃料電池提供氫氣與氧氣反應的場所，將化學能轉化為電能的裝置。其產生的電能儲藏于蓄電池之中，供負載使用[4]。氫氧燃料電池中產物水與氫氧燃料電池的出口冷卻水匯聚在水收集箱。隨后產物水與燃料電池冷卻水混合之后將送入中間水箱。中間水箱內部設有溢流閥及加熱裝置。混合之后多余的冷卻水通過溢流的方式，進入儲存熱水的熱水儲存箱。燃料電池冷卻水箱是調節氫氧燃料電池溫度的重要結構。當燃料電池負荷增強，散熱量增加，為保持氫氧燃料電池溫度不變，冷卻水箱增加了管道的冷卻水量，增加了帶走的熱量。當燃料電池負荷降低，散熱量增少，冷卻水從水收集箱進入冷卻水箱，不再參與循環。熱水儲存箱是熱水系統的核心部件，內有加熱器。當制冷系統工作時，其熱水由反應產物水及制冷系統中吸熱后的冷卻水供給，無須加熱器。當制熱系統工作時，其熱水由反應產物水及外界供給，此時需要加熱器加熱。發生器屬于低壓元件，是燃燒電池冷卻水與溴化鋰稀溶液的換熱場所。

制冷系統采取無毒、不易泄漏的溴化鋰溶液作為制冷混合液，制冷系統中發生器的熱量主要利用氫氧燃料電池產生的廢熱，水在溴化鋰溶液中的蒸發[5]。在制冷系統中，當制冷量小于外界耗冷量時，可借助中間水箱中的加熱器，對冷卻水進行二次加熱，增加制冷系統的制冷量。當氫氧燃料電池不工作時，制冷系統可利用中間水箱中的加熱器，外接其他電源工作。

為了減弱外部熱水消耗量及冷量消耗量的輸入信息與系統調節反饋信息之間的延遲，在熱水系統中設有熱水儲存水箱，在制冷系統中設有制冷劑儲存器及濃溴化鋰溶液儲存器。制熱系統與制冷系統共用一個發生器。在制熱系統中，用于吸收燃料電池廢熱的發電機的溴化鋰溶液，溶液中的水受熱汽化，直接進入冷凝盤管與房間里面的冷空氣換熱，冷凝之后的液態水重新進入發生器。外界耗冷量突然增加，則制冷劑儲存器的儲存液位下降，將此信息傳遞給中間水箱，中間水箱里面的加熱器開始加熱冷卻水，補充熱量，增加制冷系統的制冷量，采用加熱器加熱制冷雖然造成少量浪費但簡單方便。

2 系統結構分析

新型系統的總能量是從氫帶來的化學能。氫和氧在燃料電池中發生反應，將化學轉化為廢熱和廢電能。當制冷系統工作時，其中廢熱分為兩部分，其中一部分由過量冷卻水在中間水箱以溢流的方式帶入熱水系統；另一部分廢熱進入制冷系統，轉化為冷量。熱水系統的熱量來源于兩部分，一部分由反應水攜帶的熱量，另一部分是制冷系統經冷卻和吸熱后的冷卻水，部分冷卻水進入熱水儲存箱中補充水量的過程中攜帶的，如圖2所示。

圖2 制冷循環工作時能量流動圖

制熱系統工作與制冷系統工作比較主要有三點不同，其一：結構簡單，僅僅需要一個發生器與制熱蒸汽冷凝盤管即可實現供熱要求。其二：熱水系統的熱量由反應產物水與蓄電池中電能提供。其三：熱水系統的水源的補充由外界供給，如圖3所示。

圖3 制熱系統工作時能量流動圖

氫氧燃料電池系統是由氫氧燃料電池、蓄電池、水收集箱、中間水箱、燃料電池冷卻水箱、去離子器組成。其作用是提供氫氧反應場所，將化學能轉化為電能。其過程為：氫氣與氧氣進入燃料電池，氫氣供給氫電極，氧氣同時供給氧電極。氫和氧在催化劑作用下通過電解質在電極上生成水。此時，氫電極被過量的電子帶負電荷，而氧電極上缺少電子帶正電荷[4]。接通蓄電池或負載，就實現了化學能轉化為電能。水收集箱收集產物水及排除過量空氣。另外水收集箱、中間水箱、冷卻水箱、去離子器組成燃料電池冷卻循環結構。

熱水系統是由中間水箱、熱水儲存箱、熱水儲存箱中的加熱裝置組成。其目的是獲取熱水并儲存熱水。當制冷、制熱系統處于不同工作狀態時，其熱水系統的熱量及水的來源是不同的。當制冷系統工作時，熱水系統的熱量來源于制冷系統的冷卻水攜帶的熱量及反應產物水攜帶的熱量，熱水系統的水來源于反應產物水及制冷系統的冷卻水。當制熱系統工作時，熱水系統的熱量主要來源于氫氧燃料電池系統產生的電能及反應產物水攜帶的熱量，熱水系統的水來源于反應產物水及外界補給水。不論是制冷還是制熱，在熱水系統中都充分利用了氫氧反應的產物水，實現了節能減排。另外當氫氧燃料電池不工作時，熱水系統借助熱水儲存箱的電加熱器外接其他電源產生熱水[6]。

發生器工作時的燃料電池冷卻水循環，其循環過程為：從燃料電池出來的冷卻水與產物水共同進入水收集箱，隨后從水收集箱進入中間水箱，在中間水箱中多余的冷卻水通過溢流的方式進入熱水儲存箱，剩余冷卻水進入發生室與溴化鋰稀溶液換熱，換熱冷卻后的冷卻水通過去離子器去除污染離子，重新進入燃料電池。在此冷卻水循環中還有一個冷卻水補償旁路。當燃料電池負荷增大時，散熱量增大，燃料電池冷卻水箱向系統補進冷卻水，增大冷卻水量。當燃料電池負荷降低時，散熱量減少，多余的冷卻水可以通過中間水箱進入燃料電池冷卻水箱或熱水儲存箱[7]。

當發生器不工作的時候，燃料系統冷卻水循環過程為：從燃料電池出來的冷卻水與產物水共同進入水收集箱，隨后從水收集箱進入中間水箱，在中間水箱中過量的冷卻水通過溢流的方式進入熱水儲存箱，剩余冷卻水直接進入燃料電池冷卻水箱進行冷卻，隨后通過去離子器去除污染離子，重新進入燃料電池[7]，如圖4所示。

圖4 燃料電池冷卻水流動循環簡圖

溴化鋰吸收式制冷系統是由發生器、冷凝室、制冷劑儲存器、節流閥、蒸發室、吸收室、濃溴化鋰溶液儲存器組成。其目的是利用氫氧燃料電池的廢熱，獲得冷卻能力。其過程為：溴化鋰水溶液在發生器內受到來自燃料電池廢熱的加熱后，室內溴化鋰水溶液的濃度隨著溶液中的水不斷蒸發而增加，通過濃溴化鋰溶液儲存器這個中轉站后，進入吸收室，蒸汽進入冷卻室，被冷凝室里面的冷卻水凍降溫之后凍結，成為高壓低溫的液態水，當冷凝室內的水進入制冷劑儲存器這個中轉站之后，通過節流閥進入蒸發室后，迅速膨脹蒸發，在蒸發過程中，在蒸發室內吸收大量冷凝水的熱量，達到冷卻制冷的目的。在這一過程中，低溫蒸汽進入吸收室，被吸收室內的溴化鋰水溶液吸收，此時的溶液濃度逐步降低，再重新送回發生室[5]，如圖5所示。

圖5 制冷系統的工質循環圖

制熱系統是由發生器、制熱蒸汽冷凝盤管組成。發生器中的溴化鋰溶液吸熱后，溶液中的水汽化，進入制熱蒸汽冷凝盤管，與房間的冷空氣換熱，變為液態水后送回發生器，繼續循環[8]，如圖6所示。

圖6 制熱系統工質流動圖

3 創新點

（1）為了節能減排，中間水箱上設置溢流閥，氫氧反應產生的水蒸汽與燃料電池冷卻水在水收集器混合，隨后進入中間水箱，通過中間水箱上的溢流閥進入熱水儲存器，變為熱水供應的一部分。

（2）另外為了減弱耗冷量信息輸入與制冷量信息輸出的之間的滯后效應，在蒸發器及節流閥之間設置制冷劑儲存器、在發生室及吸收室之間設置溴化鋰濃溶液儲存器作為緩沖。

（3）本系統在中間水箱與發生器之間設置對接法蘭，可實現氫氧燃料電池系統與制冷及制熱系統的脫離，方便運輸與安裝。

（4）本系統的實際應用，可以實現一體四用，是一種新型的高效節能系統。

[1] Kuzov A V, Tarasevich M R, Bogdanovskaya V A, et al. Degradation processes in hydrogen–air fuel cell as a function of the operating conditions and composition of membrane–electrode assemblies[J]. Russian Journal of Electrochemistry, 2016,52(7):705-715.

[2] 伍賽特.柴油機應用于發電設備的行業前景展望[J].上海節能,2019,(2):130-134.

[3] 王萌.質子交換膜燃料電池設計與綜合優化研究[D].北京:北京科技大學,2019.

[4] 江文龍.基于EC-MRI系統的原位氫氧燃料電池研究[C].2018第二十屆全國波譜學學術年會會議論文摘要集,2018:2.

[5] 李志紅.溴化鋰制冷節能技術的應用[J].化工設計通訊, 2018,44(10):133-134.

[6] 喬建國,張冊.卷煙廠綜合熱源節能熱水系統應用[J].設備管理與維修,2019,(11):178-180.

[7] 楊涵晟,陳晨,王占生,等.循環冷卻水處理方法研究進展[J].電力科技與環保,2019,35(3):36-37.

[8] 楊立然,黃翔,賈曼,等.蒸發冷卻與機械制冷協同耦合空調機組探討[J].制冷與空調,2018,32(1):7-13.

A New Integrated Four-Purpose System Based on Large PEMFC Hydrogen-Oxygen Fuel Cell

Wang Lulu Jiang Yantao

( School of Mechanical and Power Engineering, Guangdong Ocean University, Zhanjiang, 524088 )

Under the situation of vigorously advocating green and clean energy in today's society, a new four-purpose system based on large PEMFC hydrogen-oxygen fuel cell is an efficient energy-saving system which integrates power generation, hot water supply, refrigeration and heating. It includes four subsystems: hydrogen and oxygen fuel cell system, hot water system, refrigeration system and heating system. The four subsystems are connected by the structure of intermediate water tank. In addition, an electric heater is installed in the middle water tank to realize that the four subsystems can work together or independently. It solves the common diesel generator noise, hot summer, cold winter, no hot water supply problems, improve the working conditions of field and island workers, is an energy-saving and environmental protection system, has a certain practical significance.

Fuel cell system; Hot water system; Refrigeration system; Heating system

TB47

A

1671-6612（2020）03-308-04

王路路（1994-），男，在讀碩士研究生，主要研究方向為節能設計與動力設備，E-mail：1150216006@qq.com

江燕濤（1967-），女，教授，E-mail：jiang238@163.com

2019-08-01